基于嵌入式的半虚拟化应用系统的研究与实现

摘要

近年来，嵌入式领域发展迅猛，处理器性能更是飞速发展。然而，由于通用操作（如Linux等）采用的是基于公平原则的调度算法，无法保证实时响应，而实时系统虽然能够实时响应但缺乏应用支持，已经无法满足人们各式各样的应用需求，将实时操作系统（RTOS）和通用操作系统(GPOS)结合起来不仅能带来及时、可确定的实时响应能力，又可以提供大量应用。为了解决上述问题，能在单个硬件平台上运行多个虚拟机的虚拟化技术(Virtualization Technology)是一个非常有前景的解决方案。使用虚拟化技术后，RTOS和GPOS就可以作为客户虚拟机运行在同一个硬件平台上，从而更有效地利用CPU资源。
　　虚拟化技术在桌面和服务器领域已经非常成熟，但是在嵌入式平台还面临很多挑战，很多限制因素需要考虑，通过借鉴X86平台的一些虚拟化方法并针对嵌入式平台的特点，本文提出一种基于Xen-ARM的嵌入式半虚拟化体系结构，将实时系统uCOS-Ⅱ和通用操作系统Linux结合在一起。
　　本文首先在第二章介绍了虚拟化过程中的一些关键技术，虚拟机监控器（VMM）的分类及特点，接着第三章分析了当前嵌入式虚拟化的研究现状、嵌入式平台的限制因素和嵌入式虚拟化的研究意义并在此基础上选择了基于Xen的半虚拟化方法，然后完成半虚拟的设计，包括CPU虚拟化、内存虚拟化和设备虚拟化、时间与时钟服务虚拟化，第四章介绍了实现虚拟化的硬件平台，通过在uCOS-Ⅱ中加入硬件抽象层，使uCOS-Ⅱ作为客户操作系统运行于虚拟机中，然后分析虚拟化对实时性能的影响，提出RTOS独占部分实时要求较高的I/O设备的解决方案，并且调整调度算法使RTOS获得足够的CPU带宽，尽量减少VMM调度对实时性能的影响。最后在第五章中完成了对虚拟化系统实时性能验证，通过构建高速AD采样测试例，并与Linux进行对比，实验结果表明，虚拟环境下的RTOS的响应速度可达到微秒级。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文研究内容及章节安排

1．3．1 本论文研究内容

1．3．2 本论文章节安排

第2章 系统级虚拟化关键技术

2．1 系统级虚拟化的优势

2．1．1 封装性

2．1．2 多实例

2．1．3 隔离

2．1．4 硬件无关性

2．1．5 特权功能

2．3 虚拟机监控器的分类能为

2．3．1 按虚拟平台分类

2．3．2 按实现结构分类

2．4 典型虚拟化产品及其特点

2．4．1 VMware

2．4．2 Xen

2．4．3 KVM

2．5 本章小结

第3章 基于嵌入式的半虚拟化总体结构设计

3．1 软硬件规划

3．1．1 硬件规划

3．1．2 虚拟机操作系统系统规划

3．1．3 虚拟化平台规划

3．2 嵌入式虚拟化的设计要求

3．2．1 功能整合提高利用率

3．2．2 降低成本和减少功耗、硬件尺寸、重量

3．2．3 提高安全性和可靠性

3．2．4 缩短开发周期

3．3 嵌入式平台的需要考虑的限制因素

3．3．1 硬件资源苛刻

3．3．2 处理能力有限

3．3．3 实时性要求

3．4 基于Xen的嵌入式半虚拟化实现方案

3．4．1 CPU虚拟化

3．4．2 内存虚拟化

3．4．3 I／O虚拟化

3．4．4 时间与时钟服务

3．56 本章小结

第4章 嵌入式半虚拟化的实现

4．1 硬件平台

4．2 Xen内核初始化

4．2．1 准备工作

4．2．2 平台初始化

4．2．3 Xen初始化

4．3 超级调用扩展

4．4 共享内存页实现

4．4．1 Start Info Page

4．4．2 Shared Info Page

4．4．3 高速采集数据共享数据结构

4．5 混合驱动模型的实现

4．6 实时系统uCOS-Ⅱ的虚拟化

4．6．1 uCOS-Ⅱ实时操作系统

4．6．2 虚拟化硬件接口

4．6．3 时钟事件处理

4．6．4 任务堆栈

4．7 一种提高虚拟机实时响应性能的改进

4．8 本章小结

第5章 测试与结果分析

5．1 测试环境搭建

5．1．1 硬件环境

5．1．2 软件环境

5．2 高速AD采样实例

5．3 实时性能测试

5．3．1 实时与非实时系统下采样结果对比

5．4 本章小结

结论与展望

结论

进一步工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果