[发明专利]基于处理器虚拟化技术的虚拟机系统及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟机系统，尤其涉及一种基于处理器虚拟化技术的虚拟机系统及其软硬件环境配置和模块实现。

背景技术

虚拟化技术是指计算元件在虚拟而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。处理器虚拟化技术可以单处理器模拟多处理器并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

虚拟化技术是一个巨大的技术进步，具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面。虚拟化技术可以提高计算机物理资源的利用率和共享率。虚拟化技术广泛的实用性使得虚拟化在服务器、客户端和嵌入式系统中有了几乎全新的应用，并且为提高系统的可靠性、操作性、安全性和实时服务质量提供了新的途径。

当前主流的虚拟化技术都是软件虚拟化技术，主要存在两种类型：全虚拟化和半虚拟化。全虚拟化以VMware为代表，模拟出一整套硬件设备，其上运行的客户操作系统不必修改源代码，但是运行效率较低。半虚拟化以Xen和Denali为代表，让客户操作系统知道它们正工作在一个虚拟的环境中，通过修改它们以使之工作得更好，因此操作系统需针对这种方法进行修改和调整，但是效率较高。

因为原有IA-32架构的设计原因，在其上实现软件虚拟化存在很多困难和问题，这也大大增加了虚拟机监控器的设计难度。其中，最根本的原因就是特权级混淆。特权级混淆指的是软件运行的特权级并不是当初设计时所要运行的特权级。操作系统为了能控制处理器，其某些组件必须运行在特权级0上。但是虚拟机监控器不能允许客户操作系统有这种控制力，所以客户操作系统不能运行在特权级0上。因此，虚拟机监控器必须使用一种叫环路特权解除(ring deprivileging)的技术，它可以使所有的客户软件都在大于特权级0上运行。客户操作系统可以通过两种方式来实现特权解除：它可以运行在特权级1上(0/1/3模型)或者运行在特权级3上(0/3/3模型)。但是两种模型都会带来例如特权级压缩，特权指令无效，地址空间压缩等一系列问题。

为了从根本上解决传统软件虚拟化技术的缺点，两大处理器厂商都推出了基于硬件的虚拟化技术一Intel的VT技术(包括VT-x和VT-i，其中VT-x针对IA-32架构，VT-i针对Itanium架构)和AMD的Pacifica技术。其中，Intel VT-x技术的一个重要的设计目标就是消除半虚拟化和二进制转化技术，简化虚拟机监控器的实现，可以支持更大范围的、不需修改的操作系统，并且保持高性能。

具有VT-x技术的处理器有两种运行模式：虚拟机扩展(virtual machineextensions)模式和非虚拟机扩展模式。非虚拟机扩展模式和不具备VT-x技术的处理器运行方式完全相同；虚拟机扩展模式就是VT-x技术实际发生功效的模式。在虚拟机扩展模式中，又分为两种新的处理器操作模式：虚拟机扩展根操作模式和虚拟机扩展非根操作模式。虚拟机扩展根操作模式是提供给虚拟机监控器使用的，它的功能与没有VT-x技术的IA-32非常相似(主要区别就是可以使用虚拟机扩展指令)。虚拟机扩展非根操作模式提供了一个选择性的IA-32环境，该环境被虚拟机监控器控制，被设计用来支持虚拟机。两种操作模式都支持所有的4个特权级，允许客户软件在其所期望的特权级上运行，也提供了虚拟机监控器使用多个特权级的权利。

VT-x技术定义了两种新的转换：从虚拟机扩展根操作模式到虚拟机扩展非根操作模式的转换叫做“虚拟机进入操作”，从虚拟机扩展非根操作模式到虚拟机扩展根操作模式的转换叫做“虚拟机退出操作”。这两种转换被叫做虚拟机控制结构的一个新数据结构控制。虚拟机控制结构包括一组客户机状态(guest-state area)和一组主机状态(host-state area)，两种状态都对应着处理器不同组件的值。虚拟机进入操作转换把客户机状态装入到处理器的各个寄存器等相关状态中。虚拟机退出操作转换把处理器各个寄存器状态保存到客户机状态，然后将主机状态装入到处理器中。

VT-x技术允许客户软件运行在其所期望的特权级上。客户软件的限制，不是来自特权级，而是来自它运行在虚拟机扩展非根操作模式上。这个本质使得基于VT-x技术的虚拟机监控器可以解决上述提到的传统软件虚拟化中遇到的困难。