前沿技术中的虚拟机和多核

前沿技术中的虚拟机和多核第1页/共21页第九章操作系统前沿技术9.1虚拟机技术9.2面向多核的操作系统技术9.3面向QoS的操作系统技术9.4WebOS技术9.5嵌入式操作系统技术第2页/共21页9.1虚拟机技术9.1.1概述9.1.2进程级虚拟机9.1.3系统级虚拟机9.1.4硬件体系结构对虚拟机的支持9.1.5其他相关研究第3页/共21页9.1.1概述虚拟化技术是追求“应用系统需求”与“硬件资源供给”之间相对均衡、资源利用和配置更为合理的产物。虚拟机是指通过软硬件手段所实现、仿真物理机器的运行环境。构造和实现虚拟机的那层软件常称为虚拟机监视器，其中所用到的相关技术有时也简称为虚拟机技术。第4页/共21页9.1.1概述

虚拟化技术得到了众多软件厂商的关注，例如1998年VMware公司成立并推出了VMware系列虚拟机软件，同年微软公司兼并了Connectix公司，推出了自己的虚拟化软件VirtualPC，并逐步进入虚拟机市场。在开放源码领域，英国剑桥大学发布了Xen虚拟化软件，并获得了IBM、Sun、Novell、Intel、AMD等厂商的支持，成立了XenSource公司。第5页/共21页9.1.1概述

硬件厂商Intel与AMD也开始从硬件角度增强对虚拟化的支持。比如，第一代的虚拟化增强包括IntelVirtualizationTechnology(VT-x)和AMD的AMD-V，这两种技术都为CPU增加了新的root执行模式，可以让VMM运行在root模式下。客户操作系统的状态保存在VT-x的虚拟机控制结构（VirtualMachineControlStructure）或AMD-v的虚拟机控制块(VirtualMachineControlBlock)中。第6页/共21页9.1.2进程级虚拟机

进程级虚拟机，这里是指提供与现有系统相同的应用程序二进制接口，或者提供另外一套完全不同的应用程序二进制接口的应用程序执行环境。前者包括操作系统支持的多程序运行环境以及动态二进制优化程序，后者包括动态翻译、模拟器和高级语言虚拟机等。

第7页/共21页9.1.2设备控制器系统调用操作系统系统ISA硬件用户ISAABI应用软件第8页/共21页

系统级虚拟机虚拟了整个硬件的体系结构与指令集，可以说是物理硬件的完全仿真，也是操作系统视野下的虚拟机所关注的重点。

通过虚拟机监视器程序，在底层硬件硬件平台上，或者在宿主操作系统之上运行虚拟化软件，虚拟出多个客户操作系统运行平台。根据虚拟的指令集体系结构是否和原始体系结构相同，系统级虚拟机也可以分为两个类别，即虚拟的指令集体系结构与宿主系统的指令集结构相同，或者虚拟的指令集结构与宿主的指令集结构不同。

9.1.3系统级虚拟机第9页/共21页

通过在硬件裸机和操作系统之间插入虚拟化软件，可以使得操作系统与原有机器的ISA分离，可以虚拟出一种新的不同的ISA，或者将原有的一套虚拟出多套，可以运行多个客户操作系统。9.1.3系统级虚拟机硬件“裸机”虚拟化软件操作系统应用操作系统虚拟机应用主机VMM客户第10页/共21页支持两个宿主操作系统的虚拟机监视器

。9.1.3系统级虚拟机WindowsLinuxWindows应用Linux应用VMMx86第11页/共21页位于宿主操作系统之上的VMM

。9.1.3系统级虚拟机本地应用Linuxx86PCWindowsVMMWindows应用第12页/共21页

从硬件角度提供对虚拟机的支持，就是如何从CPU虚拟化、MMU以及I/O虚拟化等方面来提供支持。

Intel公司推出了VT虚拟化技术，包括对指令集虚拟化支持的VT-x和VT-i技术，还包括对I/O设备虚拟化支持的VT-d技术。为了支持虚拟化，Intel处理器还增加了在虚拟状态下的root和非root两种工作模式。虚拟机监视器运行在root操作模式，而客户操作系统运行在非root操作模式。9.1.4硬件体系结构对虚拟机的支持第13页/共21页AMD公司也推出类似的硬件辅助虚拟技术Pacific。

IBM提出了服务器虚拟引擎概念，在硬件虚拟层、操作系统层和虚拟机管理等多个方面规范虚拟机技术，并应用于其z系列大型机和p系列服务器中。惠普也提出了自己的三层虚拟化规范，从部件虚拟化、集成虚拟化、整体虚拟化三个层次对计算系统进行虚拟化。9.1.4硬件体系结构对虚拟机的支持第14页/共21页

虚拟机迁移。虚拟设备。虚拟机与安全。其他研究。9.1.5其他相关研究第15页/共21页9.2面向多核的操作系统技术9.2.1概述9.2.2操作系统对多核体系结构的支持9.2.3其他相关研究第16页/共21页9.2.1概述多核设计是提高晶体管效能的最佳手段。引入多核技术，可以在较低频率、较小缓存的条件下达到大幅提高性能的目的。相比大缓存的单核产品，耗费同样数量晶体管的多核心处理器将具有更出色的效能，同样在每瓦能耗性能方面，多核设计的优势也非常明显。多核技术是在单个处理器芯片内部集成了多套处理内核：每个处理内核具有一套相对完整的执行部件、以及寄存器组和一级高速缓存等等逻辑单元；各个内核之间还可能会共享二级高速缓存和FSB总线控制器等逻辑单元。第17页/共21页9.2.1概述

传统处理器结构与双核处理器结构。

第18页/共21页9.2.2操作系统对多核体系结构的支持操作系统在多核处理器上的配置形式。通信机制。存储层次及管理

。并行程序与程序并行化。调度与优化。第19页/共21页9.2.3其他相关问题核实现什么样的指令系统、多核之间采用相同的指令系统还是不同的指令系统，能否运行操作系统等