[发明专利]一种基于多核动态划分的非对称虚拟机I/O调度方法

权利要求书

1.一种基于多核动态划分的非对称虚拟机I/O调度方法，其特征在于，该方法在现有虚拟 机监视器中加入了四个模块：I/O调度初始化模块、I/O状态监控与信息处理模块、调度决 策模块和多核动态划分模块，具体步骤如下：

步骤1：初始化；系统启动时I/O调度初始化模块加载，记录设备前后端驱动模块连接 建立时的I/O环与事件通道信息，随后分配I/O运行时参数信息收集所需的内存缓冲区，设 定多核划分进入和退出决策条件，并规划处理器集划分使用形式，之后系统开始运行并进入 正常调度状态；所述的步骤1包括如下具体步骤：

步骤1.1，设备前后端连接建立时I/O环与事件通道信息记录：

客户Domain启动时，VMM负责在设备前端驱动模块与设备后端驱动模块之间建立起 虚拟设备通道，该虚拟设备通道包含I/O环和事件通道两个部分，其中I/O环用于存储来自 设备前端驱动模块的I/O请求，以及来自设备后端驱动模块的I/O应答；而事件通道则被用 来通知虚拟设备通道另一端的模块当前有I/O事件需要进行处理；虚拟机系统中，I/O环以 共享内存的方式同时映射到驱动Domain和客户Domain的地址空间中，该映射过程由 VMM负责完成；I/O调度初始化模块会记录虚拟设备通道建立时，连接驱动Domain和客 户Domain之间的事件通道标号，从而跟踪各类I/O请求和应答事件的发生，并记录相关的 时间和事件类型信息；其中，客户Domain代表客户域、驱动Domain代表驱动域、VMM 代表虚拟机监视器；

步骤1.2，I/O运行时参数信息收集缓冲区分配：

该缓冲区分配于VMM的地址空间内，由I/O状态监控与信息处理模块使用，记录设备 相关的运行时参数，包括I/O事件类型，时间戳信息，事件计数信息，默认大小为64K；

步骤1.3，多核划分进入和退出决策条件设定：

该决策条件由调度决策模块使用，用来判定当前是否需要执行多核动态划分或恢复操作， 决策条件以I/O事件频率作为判定参数，包含多核划分进入阈值T₁及多核划分退出阈值T₂， T₁、T₂的设置取决于实际负载运行时，I/O请求事件的发生频率，该数值应在系统使用前进 行测定，T₁的设置应略低于典型I/O应用的请求事件频率，T₂设定为T₁/2，I/O状态监控 与信息处理模块提供系统运行时的I/O事件频率测试结果；

步骤1.4，处理器集划分使用形式规划：

处于多核划分调度状态时，系统所有的处理器核被划分为三个子集，包括Driver Core、 Fasttick Core和General Core，其中Driver Core与Fasttick Core的数量能够进行设置， 最低为1个，剩余的处理器核属于General Core，Driver Core和Fasttick Core的数量配 置取决于实际I/O任务的负载情况，其中，Driver Core代表驱动域专用核、Fasttick Core 代表高频时钟核、General Core代表通用处理器核；

步骤2：参数收集与处理；系统运行时，I/O状态监控与信息处理模块中的I/O状态监 控子模块动态采集设备相关的状态参数，包括I/O事件类型，时间戳信息，事件计数信息， 并将原始数据放入缓冲区，随后I/O状态监控与信息处理模块中的I/O信息处理子模块对缓 冲区内的数据进行分类和处理，记录当前系统各类I/O事件的比率，平均耗时及系统总体I/O 事件的频率；

步骤3：运行时参数设置与调度决策判定；调度决策模块周期性的读取I/O信息处理子 模块的处理结果，设置运行时的调度参数，并分析系统当前的I/O状态，根据预设条件做出 判定，当满足多核动态划分进入条件时，向多核动态划分模块发出指令，执行步骤4，当满 足多核动态划分退出条件时，向多核动态划分模块发出指令，执行步骤5，当两者都不满足 时，保持系统当前运行状态不变；所述的步骤3包括如下具体步骤：

步骤3.1，运行时参数设置：

调度决策模块每隔250ms从I/O状态监控与信息处理模块处获取一次该时间段内I/O 应答事件的发生频率，并依此计算出I/O应答事件发生的平均时间间隔，随后将其记录在全 局量t_fasttick中，当系统处于多核划分调度状态时，该值被用来设定Fasttick Core的tick 时钟周期T_fasttick，为保证各个VCPU调度时其credit能够正确计算，T_fasttick的精度单位及最 小取值为0.1ms；其中，VCPU代表虚拟CPU、credit代表信用值；

步骤3.2，调度决策判定：

调度决策模块每隔250ms读取一次I/O请求事件发生频率，若连续4个周期，其频率 都超过多核划分进入阈值T₁，且系统当前处于正常调度状态，则执行动态划分操作；若连续 2个周期低于多核划分退出阈值T₂，且系统当前处于多核划分调度状态，则执行恢复操作， 解除动态划分并恢复系统至正常调度状态；若多核动态划分退出进入条件均不符合，则保持 当前系统运行状态；

步骤4：多核动态划分；多核动态划分模块接收调度决策模块的指令，执行多核划分操 作，使系统由正常调度状态进入多核划分调度状态；所述的步骤4包括如下具体步骤：

步骤4.1，驱动Domain与Driver Core绑定：

虚拟机系统以VCPU为单位对驱动Domain和客户Domain的各个Domain进行调度， 每个Domain在创建时拥有固定数量的VCPU，当某个Domain被调度时，其VCPU被加 载到实际的物理CPU之上执行；当系统软中断SOFTIRQ_SCHEDULE触发并被响应时， 虚拟机系统主调度函数schedule被调用，并从当前处理器的调度队列中选择下一个应当被 调度的VCPU，随后执行调度切换；多核动态划分模块首先检查全局标志BoundFlag是否 置位，以判断当前是否处于驱动Domain绑定的调度状态，如果全局标志BoundFlag被置 位，则检查处理器核的编号是否符合指定配置为Driver Core的数值，如果符合，则让其始 终调度驱动Domain的VCPU；当全局标志BoundFlag未被置位时，则采用正常的调度策 略；全局标志BoundFlag的置位与清除由调度决策模块完成，每当当前系统I/O状态符合 多核动态划分进入或退出条件时，调度决策模块便对全局标志BoundFlag进行相应的修改 操作，标志修改和实际调度切换中间会存在一定的延迟，但该延迟最长不会超过3个tick时 钟周期；

步骤4.2，Fasttick Core分离与非对称调度时钟设定：

在虚拟机系统中，主调度函数schedule和实际调度器间的联系通过结构化的跳转表实 现，对于系统默认的credit调度算法来说即为定义于sched_credit.c函数中的全局结构体 sched_credit_def，该结构体中提供了VCPU初始化、删除、睡眠、唤醒操作的处理函数， 以及实际credit算法相关的调度处理函数csched_schedule；此外，调度器在初始化时， 会设置tick时钟，每当时钟中断到来时就会进行credit值计算，并在必要时修改VCPU的 调度优先级和状态，以及发起调度操作；本步骤执行时，多核动态划分模块首先修改Fasttick core的tick时钟周期，使其由默认的10ms修改为调度决策模块测定的值T_fasttick，随后在 其之上采用了I/O事件响应优先的抢占式调度策略；

步骤5：调度状态恢复；多核动态划分模块接收调度决策模块的指令，执行调度状态恢 复操作，使系统由多核划分调度状态恢复到正常调度状态。