嵌入式虚拟化中实时响应性能的研究与分析

发布时间：2020-06-10 01:36

【摘要】：近年来,嵌入式领域一直在经历着从传统的单核处理器到多核处理器的转变。然而,这种转变带来了一种挑战——如何为传统面对单核的实时操作系统增添多核应用的支持。另一方面,将实时操作系统和通用操作系统整合起来是嵌入式系统的一个热门应用方向,因为这种整合不仅能带来及时、可确定的响应能力,而且可以提供大量应用程序。为了解决上述问题,虚拟化技术是一个非常有前景的解决方案,因为它能在单个硬件平台上运行多个虚拟机。在有了虚拟化的支持后,实时操作系统和通用操作系统可以运行在不同的虚拟机上。这将能更有效地利用多核资源,比如,可以将不同的物理核分配给不同的虚拟机。在嵌入式系统中,实时性能,尤其是对外部事件的响应性能,通常是决定其能否广泛应用的关键影响。然而,当虚拟化被引入到嵌入式系统后,运行在虚拟机上的实时操作系统的响应性能易受到虚拟化软件层的负面影响。这带来了两个问题:第一,虚拟化软件层会对实时响应性产生多大的影响;第二,嵌入式虚拟化系统能够达到怎样的实时响应性能。为了回答上述两个问题,本文将提出一个基于内核虚拟机(Kernel-Based Virtual Machine)(简称KVM)的嵌入式虚拟化体系结构,将VxWorks和Linux整合起来,分别作为客户实时操作系统和客户通用操作系统。首先,文章通过研究KVM的中断虚拟化和时钟虚拟化机制,分析KVM将对客户操作系统的时钟中断响应时间产生怎样的影响。然后,本文将分析在宿主Linux上可以实施的几个实时性能调优方法,目标是缓解由KVM带来的额外开销。最后,本文将通过实验评测客户VxWorks的响应性能。实验结果表明,在实施了性能调优方法之后,客户VxWorks的向中断响应性能可以达到微秒级。
【图文】：

抽象层次,计算系统,虚拟机

即虚拟机监控器。因此，在解决功能性和兼容性的同时，虚拟机监必然会对操作系统的实时性能产生一定的影响，将引入额外的延时开销。在情况下，，我们的研究对系统级虚拟化引入的额外延时开销做出评测，并采用的调度策略和性能调优（Performance Tuning）方法以降低延时开销。本章余部分详细描述了本文的研究背景、研究内容和目标、研究方案及全文结构.1 研究背景.1.1 系统级虚拟化虚拟化技术是一种对计算机资源进行抽象模拟的技术[3]。它可以在已有计硬件资源的基础上，抽象化模拟出一整套或一部分虚拟的硬件资源,如CPU存、I/O设备等。这些虚拟硬件资源可以与本地真实的硬件资源同平台，也不同平台，将其统称为虚拟机。通常来讲，从软件层的角度来看，虚拟机与的机器没有区别，也就是说，虚拟机的实现与运行对于软件程序来说是透明的

进程,虚拟机

它和用户级ISA又称为ABI（Application Binary Interface-应用二进制接口）。根据新增的软件层所处的位置，可以将虚拟机分为进程级虚拟机和系统级虚拟机。图1-2反映了两种虚拟机各自在计算机系统中所处的层次：(a) (b)图 1-2 进程虚拟与系统虚拟Fig.1-2 Process-level virtual machine vs System-level virtual machine进程级虚拟机处于ABI接口上，只能够支持应用程序的运行；而系统级虚拟机处在ISA接口上，能够支持操作系统及其应用程序的运行。由于此见，系统级虚拟化技术可以提供一个完整的虚拟系统环境，作为软件和硬件之间的。它主要有两种应用场景：一是提供与本地系统环境不同平台的硬件系统，进而解除软件对硬件的依赖关系；二是提供多个与本地系统环境相同平台的硬件系统，进而允许同一套计算机硬件资源上运行多个操作系统。本文所做
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP368.1

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