[发明专利]X86计算机虚拟化的物理中断处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及X86计算机体系结构以及操作系统领域的中断处理方法，尤其是X86计算机虚拟化(virtualization)的物理中断处理方法。 

背景技术

当前，计算机的处理能力不断快速提升，而根据相关统计，运行于其上的服务软件在系统空闲时段往往只用到了不到10％的处理能力，在忙时也往往用不到50％。与此同时，计算机的能耗不断加大，电能的消耗已经逐渐成为IT业的主要开销之一。另外，出于安全和可靠等方面的考虑，大量的服务提供商必须使用多台服务器以满足数据备份、冗余容错和服务的安全隔离等方面的需求，这样不仅大大增加了设备购置的资金投入、成倍提高了电能消耗，而且由于大量服务器的利用率较低，造成了性价比严重低下。  为了解决这个问题，人们提出了虚拟化的概念，即通过虚拟机监控器VMM(VirtualMachine Monitor)，对真实计算机的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)、内存和硬件设备进行虚拟化，在一台真实的计算机上虚拟出多台“虚拟机VM(VirtualMachine)”，每台虚拟机都可运行一个操作系统。这样就能进行服务器整合(serverconsolidation)，即将多台物理服务器整合为一台物理服务器，从而大大提高服务器利用率、降低能源消耗和提高安全性与可靠性。在桌面计算领域，虚拟化技术使得用户能够同时运行多个不同的操作系统，满足了用户对不同计算平台的需求。 

中断是硬件设备与操作系统等系统软件之间通信的主要方式之一，虚拟机监控器需要处理两种类型的中断：一是物理中断(physical interrupt)，指由X86计算机的真实硬件设备所产生的中断，包括设备产生的设备中断和特殊的不可屏蔽中断NMI(NonmaskableInterrupt)；二是虚拟中断(virtual interrupt)，指由虚拟的硬件设备所产生的中断。在X86计算机中，所有的物理中断都由可编程中断控制器PIC(Programmable InterruptController)统一管理，系统软件在处理物理中断时，需要与PIC进行交互，以确保中断的正确接收和处理，具体的交互方式和内容参见X86体系结构手册(http://www.intel.com和http://www.amd.com)。中断处理方法也必须对PIC进行初始化和控制管理。 

当前虚拟机监控器有两大类体系结构：第一类体系结构的虚拟机监控器是应用程序或内核模块，实现于操作系统之中；第二类体系结构的虚拟机监控器是最底层的系统软件或固件，实现在操作系统之下。第一类虚拟机监控器无需处理物理中断，X86计算机的所有物理中断由其所在的操作系统进行处理，因此此类虚拟机监控器实现简单、硬件适配 性好。但是，作为内核模块实现在操作系统内核中的虚拟机监控器依赖于特定的操作系统，例如KVM只能运行于Linux内核，VirtualPC则只能运行于Windows内核，等等。某些操作系统如Linux的内核接口在版本升级时变化较大，增加了此类虚拟机监控器的升级维护开销。而作为操作系统的应用程序的虚拟机监控器虽然比较容易实现跨平台，例如VMware workstation、Qemu、VirtualBox等产品均能够在Linux和Windows等多平台上运行，但此类产品无法使用CPU等硬件提供的虚拟化支持功能，性能和功能都受到了较大的限制。 

第二类虚拟机监控器运行在操作系统之下，自身实现了物理中断处理功能。此类虚拟机监控器是最底层的系统软件，能够对计算机资源进行更为底层和更为细腻的控制，并能够对运行于其上的操作系统进行管理和控制。此外，该类虚拟机监控器还能够对计算机系统的物理资源进行粗粒度的划分和管理，这在服务器领域是非常有用的功能，特别是对大规模服务器。作为代价，此类虚拟机监控器需要对与物理中断处理相关的X86计算机硬件进行初始化和控制、以及物理中断处理等工作，实现复杂度要比第一类产品高得多，同时必然导致整个系统硬件适配性的降低。此类虚拟机监控器产品主要有Xen和VMware ESX Server等。