CN102135903B - 基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种计算机应用技术领域的基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统及其方法，该系统包括：实时客户虚拟机友好性模块、事件驱动机制模块和多实时客户虚拟机负载平衡模块，实时客户虚拟机友好性模块在客户虚拟机进行调度时，将该实时客户虚拟机调整到调度队列头部，事件驱动机制模块允许实时客户虚拟机在接收到紧急事件请求时抢占当前处理器资源，多实时客户虚拟机负载平衡模块将在多个处理器之间动态平衡实时客户虚拟机的分布，以避免重复抢占带来的实时客户虚拟机性能衰退。本发明可以有效提高实时客户虚拟机实时性能达到15％。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种计算机应用技术领域的方法，具体是一种基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统及其方法。
背景技术
虚拟化计算系统展示了新型计算机理论与模式，其发展和应用将会给人类生活和生产的各个领域带来深远影响。根据2006年《国家中长期科学与技术发展规划纲要》，虚拟计算系统被定位于面向国家重大战略需求的基础研究层面，是未来科技发展的关键和瓶颈问题。
虚拟化技术目前在PC/服务器平台下已经取得了巨大的成功。虚拟化技术通过高效组织计算资源，隔离具体的硬件体系结构和软件系统之间的紧密依赖关系，在动态环境中按需构建计算系统虚拟映像，构造可以适应用户需求的协同普适化任务执行环境，从而实现透明的可伸缩计算系统架构，提高计算资源的使用效率，发挥计算资源的聚合效能，使用户可以获得高效、透明、普适、安全的服务。
在PC/服务器平台下的系统虚拟化的核心思想是使用虚拟化软件在一台物理机上虚拟出一台或多台虚拟机(Virtual Machine，VM)。虚拟机是指使用系统虚拟化技术，运行在一个隔离环境中、具有完整硬件功能的逻辑计算机系统，包括客户操作系统和其中的应用程序。在系统虚拟化中，多个操作系统可以互不影响的地在同一台物理机上同时运行，复用物理机资源。在系统虚拟化中虚拟运行环境都需要为在其上运行的虚拟机提供一套虚拟的硬件环境，包括虚拟的处理器、内存、设备与I/O及网络接口等。
随着嵌入式系统软硬件设计技术的高速发展，虚拟化技术在嵌入式系统中同样具有广阔的应用场景，包括系统并发、软件功能分离、冗余/负载均衡，安全隔离等等：
但嵌入式设备与PC/服务器相比，有一些不同特点，如硬件资源相对受限、实时响应性要求高等。其中：实时性是虚拟化技术需要面对的最重要的问题之一，在操作系统与硬件之间增加一个虚拟机监控层(Virtual Machine Monitor)层，再加上额外的GPOS负载，将影响RTOS程序的实时性能。而当前在服务器和桌面领域广泛应用的主流虚拟化方案，如Xen，在其设计之初并没有考虑嵌入式领域的特殊需求，因此在实时性能上表现并不理想。
经过对现有技术的检索发现，来自美国Georgia Institute of Technology大学的Min Lee在VEE 2010上发表名为Supporting Soft Real-Time Tasks in the Xen Hypervisor(在Xen虚拟机上支持软实时任务)的论文。该技术提出通过对Xen的Credit调度算法的改进，在Xen上实现了对软实时任务的支持。该技术通过降低软实时虚拟机的事件处理延迟，并在软实时虚拟机的Cache喜好性的基础上减少软实时虚拟机在不同物理CPU上的迁移开销，整体提高了软实时虚拟机的性能与实时性。在物理CPU的任务调度队列中，该调度算法会根据软实时虚拟机调度时限将该虚拟机插入到调度队列中合适的位置，并且在等待调度的过程中，当该软实时虚拟机接收到针对该虚拟机的事件，其优先级便会进一步提升并进入Boost状态。
但是该现有技术主要针对软实时任务，根据任务对延迟的容忍度来安排软实时任务在队列中的调度位置，实时任务的时间处理延迟有所增加。同时，该技术不支持实时任务抢占，当有紧急事件来临时，实时任务不能在第一时间得到响应。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统及其方法，通过为Xen虚拟机平台的调度算法增加实时客户虚拟机友好性、事件驱动机制和多实时客户虚拟机负载平衡等特性，以达到在该平台上有效支持多实时客户虚拟机的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统，包括：实时客户虚拟机友好性模块、事件驱动机制模块和多实时客户虚拟机负载平衡模块，其中：实时客户虚拟机友好性模块在客户虚拟机进行调度时，将该实时客户虚拟机调整到调度队列头部，事件驱动机制模块允许实时客户虚拟机在接收到紧急事件请求时抢占当前处理器资源，多实时客户虚拟机负载平衡模块将在多个处理器之间动态平衡实时客户虚拟机的分布，以避免重复抢占带来的实时客户虚拟机性能衰退。
所述的实时客户虚拟机友好性模块由识别单元和静态队列调整单元组成，其中：实时客户虚拟机识别单元提供该系统对实时客户虚拟机的识别，并进行相应数据结构的初始化及相应标志位的置位，静态队列调整单元在该系统进行周期性的调度队列排序中，将实时客户虚拟机排列在队列首部。
所述的事件驱动机制模块由优先级改变单元、动态队列调整单元和事件驱动单元组成，其中：优先级改变单元为实时客户虚拟机提供优先级改变功能，通过调度单位结构体的实时识别标志，为实时虚拟机赋予Boost状态优先级；动态队列调整单元在调度队列的调整中，将实时客户虚拟机调整为下一个调度的对象；事件驱动单元增加针对实时客户虚拟机的判断，当新进入Boost状态优先级的是实时客户虚拟机，则允许其抢占当前处理器资源，并发生调度软中断，从而实现事件驱动机制。
所述的多实时客户虚拟机负载平衡模块由实时客户虚拟机记录单元和负载平衡单元组成，其中：实时客户虚拟机记录单元为物理CPU初始化结构体增加对应记录标志位，来判断当前物理CPU是否已经存在实时客户虚拟机，该值随着物理CPU上运行的实时客户虚拟机的数量增加而增加。负载平衡单元判断当前物理CPU是否有实时客户虚拟机，当当前物理CPU还没有实时客户虚拟机，则进行其他物理CPU上多余实时客户虚拟机的攫取，并修改当前物理CPU结构体的记录标志位。
本发明涉及上述系统的实时性增强方法，包括以下步骤：
第一步，Xen虚拟机平台启动时，进行平台初始化并载入具有实时性增强特性的虚拟机调度器。
第二步，实时客户虚拟机友好性模块检测Xen虚拟机平台上运行的所有客户虚拟机，该模块的识别单元根据客户虚拟机的ID号，判断特定ID的客户虚拟机并为其赋上实时标志，并进行相关数据结构的初始化。
第三步，当每隔30ms的Xen虚拟机平台调度队列调整发生时，实时客户虚拟机友好性模块的静态队列调整单元会将实时客户虚拟机排列到当前处理器调度队列头部，以保证其在调度时被第一个处理，从而有效降低事件处理延迟，提高实时性。
第四步，在完成当前处理器的调度队列调整后，多实时客户虚拟机负载平衡模块的实时客户虚拟机记录单元、负载平衡单元便会在多个处理器之间动态调整实时客户虚拟机在处理器之间的分布，有效提高多个实时客户虚拟机的实时性。
第五步，事件驱动机制模块的优先级改变单元允许当某个实时客户虚拟机接收到事件请求时，该实时客户虚拟机会进入特定高优先级状态。
第六步，实时客户虚拟机进入高优先级状态后，事件驱动机制模块的动态队列调整单元修改调度队列排序，使该实时客户虚拟机成为下一个被调度运行的对象。
第七步，事件驱动机制模块的事件驱动单元发生调度软中断，完成对实时客户虚拟机的调度，转到第三步。
通过以上七个步骤，Xen虚拟机平台上的实时客户虚拟机的实时性就得到了有效的增强。
本发明相比现有技术具有以下优点：，建立了一个轻量级的非对称实时客户虚拟机友好性模块，从而在Xen平台运行过程中，虚拟机调度器可以感知实时客户虚拟机的存在，并非对称的为实时客户虚拟机提供支持，在每次调度队列重新排序的时候将实时客户虚拟机安排到调度队列的头部，以保证其每次都能够被第一个调度并执行。其次，提供了一个基于事件驱动的处理器抢占机制，通过该机制，有效降低实时客户虚拟机的事件响应延迟，极大地提高了实时性能。最后，通过多实时客户虚拟机动态负载平衡模块，避免因在同一个处理器资源上同时存在多个实时客户虚拟机带来的重复抢占而带来的实时性能抖动。
经过试验后可以得出，本技术与现有技术相比，可以有效提高实时客户虚拟机实时性能达到15％。
附图说明
图1为本发明架构示意图。
图2为事件驱动机制示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例涉及一种基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统，包括：实时客户虚拟机友好性模块、事件驱动机制模块和多实时客户虚拟机负载平衡模块，其中：实时客户虚拟机友好性模块在客户虚拟机进行调度时，将该实时客户虚拟机调整到调度队列头部，事件驱动机制模块允许实时客户虚拟机在接收到紧急事件请求时抢占当前处理器资源，多实时客户虚拟机负载平衡模块将在多个处理器之间动态平衡实时客户虚拟机的分布，以避免重复抢占带来的实时客户虚拟机性能衰退。
所述的实时客户虚拟机友好性模块由识别单元和静态队列调整单元组成，其中：实时客户虚拟机识别单元提供该系统对实时客户虚拟机的识别，并进行相应数据结构的初始化及相应标志位的置位，静态队列调整单元在该系统进行周期性的调度队列排序中，将实时客户虚拟机排列在队列首部。
所述的事件驱动机制模块由优先级改变单元、动态队列调整单元和事件驱动单元组成，其中：优先级改变单元为实时客户虚拟机提供优先级改变功能，通过调度单位结构体的实时识别标志，为实时虚拟机赋予Boost状态优先级；动态队列调整单元在调度队列的调整中，将实时客户虚拟机调整为下一个调度的对象；事件驱动单元增加针对实时客户虚拟机的判断，当新进入Boost状态优先级的是实时客户虚拟机，则允许其抢占当前处理器资源，并发生调度软中断，从而实现事件驱动机制。
所述的多实时客户虚拟机负载平衡模块由实时客户虚拟机记录单元和负载平衡单元组成，其中：实时客户虚拟机记录单元为物理CPU初始化结构体增加对应记录标志位，来判断当前物理CPU是否已经存在实时客户虚拟机，该值随着物理CPU上运行的实时客户虚拟机的数量增加而增加。负载平衡单元判断当前物理CPU是否有实时客户虚拟机，当当前物理CPU还没有实时客户虚拟机，则进行其他物理CPU上多余实时客户虚拟机的攫取，并修改当前物理CPU结构体的记录标志位。
如图2所示，本实施例所述系统通过以下方式实现实时性增强：
1.在Xen虚拟机平台的默认调度算法中，增加实时友好性模块，为该调度算法的调度单位的结构体增加实时识别标识Isrealtime。同时，在每隔30ms进行的调度队列排序中，将实时客户虚拟机排列在队列首部。
2.增加事件驱动机制模块，通过调度单位结构体的实时识别标志，为实时虚拟机赋予Boost状态优先级。继而，在调度队列的调整中，将实时客户虚拟机做为下一个调度的对象。最后，在通知当前物理CPU进行调度的函数中，增加最关键的优先级比较；当当前高优先级的客户虚拟机是实时的，则允许其抢占当前处理器资源，并发生调度软中断，从而实现事件驱动机制。
3.实现多实时客户虚拟机动态负载平衡模块，在Xen默认调度算法的负载平衡算法上，为其物理处理器结构体增加标志位，来判断当前物理处理器是否已经存在实时客户虚拟机，并且该值随着该物理处理器上运行的实时客户虚拟机数量增加而增加。然后当默认调度算法进行非实时客户虚拟机负载平衡时，会判断当前物理处理器的实时标志位以是否进行实时客户虚拟机负载平衡，在进行正常的处理器负载平衡。
接下来说明下基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统及其方法具体工作方式：
1.在Xen虚拟机平台初始化过程中，修改Xen启动配置文件并加载具有实时性增强的调度器。
2.平台初始化后，建立当干实时客户虚拟机和非实时客户虚拟机。每个虚拟机有一个唯一的ID号。
3.实时性增强调度器中的实时客户虚拟机友好性模块检测Xen虚拟机平台上运行的所有客户虚拟机，然后根据客户虚拟机的ID号，判断特定ID的客户虚拟机并为其赋上实时标志，并进行相关数据结构的初始化。
4.当每隔30ms的Xen虚拟机平台调度队列调整发生时，实时客户虚拟机友好性模块会将实时客户虚拟机排列到当前处理器调度队列头部。
5.在完成当前处理器的调度队列调整后，多实时客户虚拟机负载平衡模块便会在多个处理器之间动态调整实时客户虚拟机在处理器之间的分布。
6.在平台运行过程中，事件驱动机制模块允许当某个实时客户虚拟机接收到事件请求时，该实时客户虚拟机会进入特定高优先级状态，事件驱动机制模块修改调度队列排序，如图2所示，使该实时客户虚拟机成为下一个被调度运行的对象。
Claims (5)
1.一种基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统，其特征在于，包括：实时客户虚拟机友好性模块、事件驱动机制模块和多实时客户虚拟机负载平衡模块，其中：实时客户虚拟机友好性模块在客户虚拟机进行调度时，将实时客户虚拟机调整到调度队列头部，事件驱动机制模块允许实时客户虚拟机在接收到紧急事件请求时抢占当前处理器资源，多实时客户虚拟机负载平衡模块将在多个处理器之间动态平衡实时客户虚拟机的分布，以避免重复抢占带来的实时客户虚拟机性能衰退。
2.根据权利要求1所述的基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统，其特征是，所述的实时客户虚拟机友好性模块由识别单元和静态队列调整单元组成，其中：实时客户虚拟机友好性模块的识别单元提供该系统对实时客户虚拟机的识别，并进行相应数据结构的初始化及相应标志位的置位，静态队列调整单元在该系统进行周期性的调度队列排序中，将实时客户虚拟机排列在调度队列首部。
3.根据权利要求1所述的基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统，其特征是，所述的事件驱动机制模块由优先级改变单元、动态队列调整单元和事件驱动单元组成，其中：优先级改变单元为实时客户虚拟机提供优先级改变功能，通过调度实时识别标志，为实时虚拟机赋予Boost状态优先级；动态队列调整单元在调度队列的调整中，将实时客户虚拟机调整为下一个调度的对象；事件驱动单元增加针对实时客户虚拟机的判断，当新进入Boost状态优先级的是实时客户虚拟机，则允许其抢占当前处理器资源，并发生调度软中断，从而实现事件驱动机制。
4.根据权利要求1所述的基于硬件虚拟化的Xen实时性增强系统，其特征是，所述的多实时客户虚拟机负载平衡模块由实时客户虚拟机记录单元和负载平衡单元组成，其中：实时客户虚拟机记录单元为物理CPU初始化结构体增加对应记录标志位，来判断当前物理CPU是否已经存在实时客户虚拟机，该记录标志位的值随着物理CPU上运行的实时客户虚拟机的数量增加而增加，负载平衡单元判断当前物理CPU是否有实时客户虚拟机，当当前物理CPU还没有实时客户虚拟机，则进行其他物理CPU上多余实时客户虚拟机的攫取，并修改当前物理CPU结构体的记录标志位。
5.一种根据上述任一权利要求所述系统的实时性增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，Xen虚拟机平台启动时，进行平台初始化并载入具有实时性增强特性的虚拟机调度器；
第二步，实时客户虚拟机友好性模块检测Xen虚拟机平台上运行的所有客户虚拟机，该模块的识别单元根据客户虚拟机的ID号，判断特定ID的客户虚拟机并为其赋上实时标志，并进行相关数据结构的初始化；
第三步，当每隔30ms的Xen虚拟机平台调度队列调整发生时，实时客户虚拟机友好性模块的静态队列调整单元会将实时客户虚拟机排列到当前处理器调度队列头部，以保证其在调度时被第一个处理；
第四步，在完成当前处理器的调度队列调整后，多实时客户虚拟机负载平衡模块的实时客户虚拟机记录单元、负载平衡单元便会在多个处理器之间动态调整实时客户虚拟机在处理器之间的分布，有效提高多个实时客户虚拟机的实时性；
第五步，事件驱动机制模块的优先级改变单元允许当某个实时客户虚拟机接收到事件请求时，该实时客户虚拟机会进入特定高优先级状态；
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