前沿技術中的虛擬機和多核

前沿技術中的虛擬機和多核第1頁/共21頁第九章操作系統(tǒng)前沿技術9.1虛擬機技術9.2面向多核的操作系統(tǒng)技術9.3面向QoS的操作系統(tǒng)技術9.4WebOS技術9.5嵌入式操作系統(tǒng)技術第2頁/共21頁9.1虛擬機技術9.1.1概述9.1.2進程級虛擬機9.1.3系統(tǒng)級虛擬機9.1.4硬件體系結構對虛擬機的支持9.1.5其他相關研究第3頁/共21頁9.1.1概述虛擬化技術是追求“應用系統(tǒng)需求”與“硬件資源供給”之間相對均衡、資源利用和配置更為合理的產物。虛擬機是指通過軟硬件手段所實現(xiàn)、仿真物理機器的運行環(huán)境。構造和實現(xiàn)虛擬機的那層軟件常稱為虛擬機監(jiān)視器，其中所用到的相關技術有時也簡稱為虛擬機技術。第4頁/共21頁9.1.1概述

虛擬化技術得到了眾多軟件廠商的關注，例如1998年VMware公司成立并推出了VMware系列虛擬機軟件，同年微軟公司兼并了Connectix公司，推出了自己的虛擬化軟件VirtualPC，并逐步進入虛擬機市場。在開放源碼領域，英國劍橋大學發(fā)布了Xen虛擬化軟件，并獲得了IBM、Sun、Novell、Intel、AMD等廠商的支持，成立了XenSource公司。第5頁/共21頁9.1.1概述

硬件廠商Intel與AMD也開始從硬件角度增強對虛擬化的支持。比如，第一代的虛擬化增強包括IntelVirtualizationTechnology(VT-x)和AMD的AMD-V，這兩種技術都為CPU增加了新的root執(zhí)行模式，可以讓VMM運行在root模式下?？蛻舨僮飨到y(tǒng)的狀態(tài)保存在VT-x的虛擬機控制結構（VirtualMachineControlStructure）或AMD-v的虛擬機控制塊(VirtualMachineControlBlock)中。第6頁/共21頁9.1.2進程級虛擬機

進程級虛擬機，這里是指提供與現(xiàn)有系統(tǒng)相同的應用程序二進制接口，或者提供另外一套完全不同的應用程序二進制接口的應用程序執(zhí)行環(huán)境。前者包括操作系統(tǒng)支持的多程序運行環(huán)境以及動態(tài)二進制優(yōu)化程序，后者包括動態(tài)翻譯、模擬器和高級語言虛擬機等。

第7頁/共21頁9.1.2設備控制器系統(tǒng)調用操作系統(tǒng)系統(tǒng)ISA硬件用戶ISAABI應用軟件第8頁/共21頁

系統(tǒng)級虛擬機虛擬了整個硬件的體系結構與指令集，可以說是物理硬件的完全仿真，也是操作系統(tǒng)視野下的虛擬機所關注的重點。

通過虛擬機監(jiān)視器程序，在底層硬件硬件平臺上，或者在宿主操作系統(tǒng)之上運行虛擬化軟件，虛擬出多個客戶操作系統(tǒng)運行平臺。根據虛擬的指令集體系結構是否和原始體系結構相同，系統(tǒng)級虛擬機也可以分為兩個類別，即虛擬的指令集體系結構與宿主系統(tǒng)的指令集結構相同，或者虛擬的指令集結構與宿主的指令集結構不同。

9.1.3系統(tǒng)級虛擬機第9頁/共21頁

通過在硬件裸機和操作系統(tǒng)之間插入虛擬化軟件，可以使得操作系統(tǒng)與原有機器的ISA分離，可以虛擬出一種新的不同的ISA，或者將原有的一套虛擬出多套，可以運行多個客戶操作系統(tǒng)。9.1.3系統(tǒng)級虛擬機硬件“裸機”虛擬化軟件操作系統(tǒng)應用操作系統(tǒng)虛擬機應用主機VMM客戶第10頁/共21頁支持兩個宿主操作系統(tǒng)的虛擬機監(jiān)視器

。9.1.3系統(tǒng)級虛擬機WindowsLinuxWindows應用Linux應用VMMx86第11頁/共21頁位于宿主操作系統(tǒng)之上的VMM

。9.1.3系統(tǒng)級虛擬機本地應用Linuxx86PCWindowsVMMWindows應用第12頁/共21頁

從硬件角度提供對虛擬機的支持，就是如何從CPU虛擬化、MMU以及I/O虛擬化等方面來提供支持。

Intel公司推出了VT虛擬化技術，包括對指令集虛擬化支持的VT-x和VT-i技術，還包括對I/O設備虛擬化支持的VT-d技術。為了支持虛擬化，Intel處理器還增加了在虛擬狀態(tài)下的root和非root兩種工作模式。虛擬機監(jiān)視器運行在root操作模式，而客戶操作系統(tǒng)運行在非root操作模式。9.1.4硬件體系結構對虛擬機的支持第13頁/共21頁AMD公司也推出類似的硬件輔助虛擬技術Pacific。

IBM提出了服務器虛擬引擎概念，在硬件虛擬層、操作系統(tǒng)層和虛擬機管理等多個方面規(guī)范虛擬機技術，并應用于其z系列大型機和p系列服務器中?；萜找蔡岢隽俗约旱娜龑犹摂M化規(guī)范，從部件虛擬化、集成虛擬化、整體虛擬化三個層次對計算系統(tǒng)進行虛擬化。9.1.4硬件體系結構對虛擬機的支持第14頁/共21頁

虛擬機遷移。虛擬設備。虛擬機與安全。其他研究。9.1.5其他相關研究第15頁/共21頁9.2面向多核的操作系統(tǒng)技術9.2.1概述9.2.2操作系統(tǒng)對多核體系結構的支持9.2.3其他相關研究第16頁/共21頁9.2.1概述多核設計是提高晶體管效能的最佳手段。引入多核技術，可以在較低頻率、較小緩存的條件下達到大幅提高性能的目的。相比大緩存的單核產品，耗費同樣數(shù)量晶體管的多核心處理器將具有更出色的效能，同樣在每瓦能耗性能方面，多核設計的優(yōu)勢也非常明顯。多核技術是在單個處理器芯片內部集成了多套處理內核：每個處理內核具有一套相對完整的執(zhí)行部件、以及寄存器組和一級高速緩存等等邏輯單元；各個內核之間還可能會共享二級高速緩存和FSB總線控制器等邏輯單元。第17頁/共21頁9.2.1概述

傳統(tǒng)處理器結構與雙核處理器結構。

第18頁/共21頁9.2.2操作系統(tǒng)對多核體系結構的支持操作系統(tǒng)在多核處理器上的配置形式。通信機制。存儲層次及管理

。并行程序與程序并行化。調度與優(yōu)化。第19頁/共21頁9.2.3其他相關問題核實現(xiàn)什么樣的指令系統(tǒng)、多核之間采用相同的指令系統(tǒng)還是不同的指令系統(tǒng)，能否運行操作系統(tǒng)等