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3.3.2 CPU虚拟化

《云计算与分布式系统:从并行处理到物联网》第3章虚拟机和集群与数据中心虚拟化,本章涵盖虚拟化层次、VM体系结构、虚拟网络、虚拟集群的构建和云计算中虚拟化数据中心的设计与自动化等方面的问题。特别地,本章将重点描述使用虚拟机和虚拟集群设计动态结构化的集群、网格和云系统。本节为大家介绍CPU虚拟化。

作者:武永卫等译来源:机械工业出版社|2013-01-20 16:42

3.3.2 CPU虚拟化

虚拟机是当前实际存在的计算机系统的副本,其中虚拟机的大部分指令执行在主机处理器的本地状态。因此,为获得更高的性能,虚拟机的非特权指令直接在物理主机中运行。为保持正确性和稳定性,其他关键指令需要被正确处理。关键指令可以分为三类:特权指令、控制敏感指令和行为敏感指令。特权指令需要在特权模式中执行,当在特权模式之外执行特权指令时会发生陷入。控制敏感指令尝试改变使用资源的配置。行为敏感指令根据资源的配置情况会有不同的行为,包括在虚拟内存中进行的负载和存储操作。

如果当VMM运行在管理模式时,CPU支持在用户模式运行虚拟机的特权指令和非特权指令,则该CPU体系结构是可虚拟化的。当虚拟机执行特权指令及控制敏感指令和行为敏感指令时,会陷入到VMM中。在这种情况下,VMM为来自不同虚拟机的硬件访问扮演统一调解者的角色,以保证全系统的正确性和稳定性。然而,并不是所有的CPU体系结构都是可虚拟化的。由于RISC的所有控制敏感指令和行为敏感指令都是特权指令,因此,RISC的CPU体系结构是天然可虚拟化的。但是,x86的CPU体系结构却并不是为了支持虚拟化而设计。这是因为10条敏感指令(如SGDT 和 SMSW)并不是特权指令。当在虚拟机中执行这些指令时,并不会陷入到VMM。

在一个本地的类UNIX系统中,系统调用会触发80h中断并将控制传递给操作系统内核,然后调用内核中的中断控制器来处理系统调用。在一个半虚拟化系统(如Xen)中,客户操作系统的系统调用会首先触发正常的80h中断,几乎与此同时,hypervisor中的82h中断也会被触发,控制也会被传递给hypervisor。当hypervisor完成其处理客户操作系统调用的任务时,会将控制传回给客户操作系统内核。当然,客户操作系统内核可能也会在其执行过程进行超级调用。尽管CPU的半虚拟化允许在虚拟机中运行未被修改的应用程序,但也会引起一些性能损失。

硬件辅助的CPU虚拟化

因全虚拟化和半虚拟化较为复杂,硬件辅助的CPU虚拟化则尝试简化虚拟化技术。Intel和AMD在x86处理器中额外添加了一种模式,称为特权模式(也称为环1)。因此,操作系统还能运行在环0,hypervisor则运行在环1,所有特权指令和敏感指令都会自动陷入到hypervisor中。该机制避免了实现全虚拟化时二进制翻译的困难。它也允许操作系统不经修改即可运行在虚拟机中。

例3.5Intel硬件辅助的CPU虚拟化

尽管x86处理器并非主要用于虚拟化,但为将之虚拟化已经付出了很多努力。与RISC处理器相比,x86应用更为广泛,基于x86的大部分遗留系统并不能轻易放弃。关于x86处理器的虚拟化将在下面进行详述。Intel的VT-x技术是硬件辅助虚拟化的一个例子,如图3-11所示。Intel将x86处理器的特权模式称为VMX根模式。147为了控制虚拟机的启动和停止,以及为虚拟机分配内存页来维护CPU状态,还额外添加了一组指令。目前,Xen、VMware和微软的Virtual PC都实现了使用VT-x技术的hypervisor。

通常来讲,硬件辅助虚拟化应具有更高的效率。然而,由于从hypervisor到客户操作系统需在处理器模式之间进行切换,会引起较高的开销,有时并不会优于二进制转换。因此,虚拟化系统(如VMware)现在使用混合的方法,其中,一部分任务交给硬件,其余则仍由软件处理。除此之外,可以通过结合半虚拟化和硬件辅助虚拟化来进一步改善性能。

 
图3-11 Intel硬件辅助的CPU虚拟化
注:修改自文献[68],美国南加州大学的 Lizhong Chen提供。
【责任编辑:book TEL:(010)68476606】

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