多核架构下硬件辅助I/O虚拟化研究与实现

论文摘要

近些年来,虚拟化技术由于其突出的优点受到工业界和学术界的共同关注和重视,但是虚拟化技术会带来额外性能开销,特别是对于偏重于I/O访问的任务。如何切实提高I/O虚拟化的效率,尤其是对于基于Many-Core处理器平台虚拟化系统而言,是一个亟待解决的问题。硬件辅助I/O虚拟化技术,支持客户操作系统在几乎没有虚拟机监控器干涉下,安全可靠的直接进行I/O设备访问,因而能够避免大量的虚拟化开销。目前,硬件辅助I/O虚拟化技术被认为是解决I/O虚拟化的最基本措施。本文结合实际的工程任务需要,在处理器的PCIE总线接口层设计实现了一种面向多核架构的硬件辅助虚拟化系统。针对基于多核架构虚拟化系统IO访问频繁,可靠性要求高的特点,该设计从DMA访问、I/O中断处理和PIO访问3个方面着手进行专门设计。对于DMA访问,通过增加IO空间映射,优化了IO TLB缓存组织结构以及采用预取技术来实现设备DMA访问过程安全可靠以及高效性;对于I/O中断处理,则采取芯片内直接集成中断映射表加速中断重映射过程,采用基于事件队列异步中断处理机制处理主要的I/O中断——MSI中断,加速了该中断的处理并且减少该中断处理对CPU工作的影响;对于PIO访问,则采用Tag分配与记分牌相结合的管理机制,确保了所有的PIO访问可靠性以及PIO数据的正确返回。本文还针对多核处理器上运行的虚拟化系统需要频繁地进行共享设备访问,而现有的硬件辅助I/O虚拟化不支持共享设备直接访问的缺点,在PCIE总线接口层内实现了一种硬件辅助的自虚拟化结构,允许多客户操作系统,在几乎没有虚拟机监控器的干涉下,直接访问共享设备,有效的提高了虚拟化系统对共享设备访问的效率。与已有的硬件辅助的自虚拟化技术相比,该结构具有硬件实现代价低,可灵活配置性等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外相关研究
• 1.2.1 全虚拟化技术
• 1.2.2 泛虚拟化技术
• 1.2.3 硬件辅助虚拟化技术
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 I/O 虚拟化基本技术及其体系结构研究
• 2.1 I/O 虚拟化任务
• 2.1.1 I/O 虚拟化的基本任务
• 2.1.2 多核架构对I/O 虚拟化新要求
• 2.2 I/O 虚拟化系统体系结构
• 2.2.1 虚拟设备类型
• 2.2.2 I/O 虚拟化基本工作模型
• 2.3 Xen 的 I/O 虚拟化体系结构研究
• 2.3.1 Xen 的I/O 虚拟化系统的总体结构
• 2.3.2 Xen 的I/O 访问过程
• 2.3.3 Xen 的I/O 虚拟化系统性能分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 X 处理器硬件辅助I/O 虚拟化设计与实现
• 3.1 硬件辅助I/O 虚拟化技术优势
• 3.2 现有的硬件辅助I/O 虚拟化技术研究
• 3.2.1 I/O 设备指派
• 3.2.2 DMA 重映射
• 3.2.3 中断重映射
• 3.3 X 处理器硬件辅助I/O 虚拟化设计方案
• 3.3.1 X 处理器硬件辅助I/O 虚拟化设计目标
• 3.3.2 X 处理器I/O 系统基本结构
• 3.3.3 X 处理器硬件辅助I/O 虚拟化详细设计
• 3.4 X 处理器硬件辅助I/O 虚拟化实现
• 3.4.1 PMU 模块设计实现
• 3.4.2 IOMMU 设计实现
• 3.4.3 IMU 设计实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 X 处理器针对共享设备访问的优化
• 4.1 设计优化的基本思想
• 4.2 现有的共享设备虚拟化实现策略研究
• 4.2.1 虚拟化系统中共享设备访问特征
• 4.2.2 基于软件的共享设备虚拟化方式
• 4.2.3 基于硬件设备接口的自虚拟化方式
• 4.3 X 处理器的设备共享虚拟化优化设计
• 4.3.1 X 处理器的设备共享虚拟化设计目标与任务
• 4.3.2 SV-PIU 的硬件设计与实现
• 4.3.3 SV-PIU 软件支持机制
• 4.4 本章小结
• 第五章 功能验证与逻辑综合
• 5.1 功能验证
• 5.1.1 功能验证概述
• 5.1.2 模块级功能验证
• 5.1.3 部件级功能验证
• 5.1.4 系统级功能验证
• 5.2 逻辑综合
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果