[发明专利]一种嵌入式操作系统虚拟机及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种嵌入式操作系统虚拟机及其核心技术的实现方法，支持在单个硬件微处理器上建立两个不同的嵌入式操作系统及其通信机制，应用在逻辑上隔离的两个不同特性的软件系统，属于计算机技术领域。

背景技术

目前在PC产品上已经有多种虚拟机产品，在这些产品之上软件的运行类似于在一台物理计算机上运行，包含自己的虚拟CPU（即基于软件实现的CPU）、虚拟RAM 硬盘和虚拟网络接口卡 (NIC)等。这些虚拟机产品用不同的技术手段实现，其满足的需求也不完全相同。

本发明主要针对支持蜂窝网通信的各种各样的移动终端设备。在此类设备的设计中，通常包括两种主要类型的微处理器芯片，一个是以应用微处理器（AP）为中心的硬件系统，运行用户操作系统和相应的应用，另一个是以通信微处理器（CP）为中心的硬件系统，运行相应的通信协议栈（基带系统）。由此，此类移动终端设备的设计也通常包括两种类型，一种是采用应用微处理器和通信微处理器分离的硬件设计，应用系统与通信系统之间的通信通过两个微处理器之间的特殊硬件通道进行。另一种是把应用微处理器和通信微处理器合二为一，即在一个微处理器上实现应用系统与通信系统，此时应用系统与通信系统从逻辑上是不独立的。

应用系统与通信系统是两个具有不同特点的系统，应用系统完成应用性功能及相应的用户交互，着重用户体验；通信系统完成相应的通信协议功能，要求硬实时特性。所以，微处理器分离的方案可以较好地满足应用系统与通信系统本身的要求，但会带来功耗、硬件复杂度及性价比较差等方面的缺点，微处理器和通信微处理器合二为一的方案则会带来应用软件设计相对复杂，可扩展性差等方面的缺点。

针对两类系统设计的缺点，本发明通过在单一微处理器设计虚拟机（以下简称HopenVM）的方法，在虚拟机在支持应用系统与通信系统所需要的各自的操作系统，最后分别运行应用系统与通信系统，使得整个架构同时满足两个系统的要求，又克服了各自的缺点。

发明内容

操作系统虚拟机是一种软件产品，在特定的软件平台上，通过软件手段把具有完整硬件系统功能的物理硬件机器，转化成多个逻辑上隔离的完整计算机系统。虚拟机提供了一种隔离的软件容器，在它之上可以运行自己的操作系统和应用程序，就好像一台物理计算机一样。

本发明的虚拟机产品应用于支持嵌入式操作系统，为了满足如下的需求：

（1）满足不同实时性需求的系统。如应用系统和专用系统可以有强实时和软实时之分，可以根据需要使用不同的调度算法。

（2）逻辑上两个系统相互独立，以提高整个系统的可靠性，提高整个系统的抗崩溃的能力，有利于建立更可靠的内核安全机制。

（3）便于系统的移植，不同的系统独立开发和调试。

本发明需要支持硬实时的系统，并且尽可能减少性能上的开销，所以需要满足：逻辑上分隔，硬实时系统绝对优先（包括中断响应、任务的运行），不引入任何不必要的功能和机制，不降低性能，不影响并发性能，不做指令的仿真，也不考虑驱动程序的问题。

Hopen VM提供必要的虚拟设备，包括：虚拟中断器、虚拟定时器、虚拟终端和虚拟管道。

1、虚拟化寄存器的方法

类似于硬件实现时寄存器地址的映射可以采用IO地址映射和MEMORY地址映射思想，我们用内存地址单元直接仿真寄存器单元，以实现虚拟化的寄存器集合。相应地，提供对这些虚拟化的寄存器存取的函数：读函数和写函数。

2、虚拟化虚拟中断控制器的方法

基于以上虚拟化寄存器的方法，提供一组虚拟的虚拟中断控制器。基于虚拟中断控制器，HopenVM为每个虚拟机提供若干个虚拟中断和若干个伪中断。在虚拟机操作系统中，只能操作虚拟中断控制器。真实的硬件通过映射的方式和虚拟中断建立对应关系，真实中断不能共享，只能被某一个虚拟机所运行的操作系统使用，通过“虚拟中断映射表”事先将系统真实中断预分配，或者通过HopenVM中断注册的方法改变该中断在映射表的属性。

中断控制器硬件完全由HopenVM控制，虚拟机中的操作系统不能直接操作中断控制器硬件，只能操作虚拟中断控制器。

HopenVM为每一个虚拟机都提供一个有若干个虚拟中断和若干个伪中断的虚拟中断控制器。有的虚拟中断有对应的硬件中断，有的则没有对应的硬件中断。

操作系统可以通过调用虚拟中断控制器操作程序允许和禁止指定的虚拟中断。如果该虚拟中断对应了硬件中断，则Hopen VM会根据要求操作对应的硬件中断控制器。