CN103197949B - 用于利用具有至少两个虚拟机的硬件平台的资源的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用具有至少两个虚拟机的硬件平台的资源的方法和装置，其中在硬件平台上运行虚拟化控制器以管理虚拟机，其中具有第一操作系统的虚拟机中的第一个单独地在至少一个第一处理器核心或第一处理器上运行，并且一定数目的其他虚拟机在至少一个其他处理器核心或处理器上运行。在此，其他虚拟机中的一个构成工作机，所述工作机具有用于访问资源的第一驱动器，第一操作系统具有用于访问资源的半虚拟化的第二驱动器，并且用于访问资源的半虚拟化的第二驱动器的请求发往第一驱动器，第一驱动器将请求转换成对资源的访问。

Description

用于利用具有至少两个虚拟机的硬件平台的资源的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于利用具有至少两个虚拟机的硬件平台的资源的方法，其中在所述硬件平台上运行用于管理所述虚拟机的虚拟化控制器，其中所述虚拟机中的具有第一操作系统的第一虚拟机单独地在至少一个第一处理器核心或者第一处理器上运行，并且其中一定数目的其他虚拟机在至少一个其他处理器核心或者处理器上运行。本发明还涉及一种硬件平台，具有：多个处理器核心或多个处理器；多个虚拟机；和用于管理所述虚拟机的虚拟化控制器。

背景技术

个人计算机和类似常用的硬件体系结构也增加地用于实现可编程逻辑控制器、即所谓的“软PLC”（PLC=可编程逻辑控制器）。对于所述可编程逻辑控制器通常使用所谓的实时操作系统，即下述操作系统，所述操作系统构成或者改变为使得所述操作系统满足对于反应时间、循环时间、操作安全性等的高要求。在此，通常应用虚拟化技术，这就是说，虚拟化控制器/虚拟化软件（虚拟机管理器、超级监督者）用于使实时操作系统在单独的虚拟运行环境中运行。如果也将借助相同的硬件平台完成其他的任务，则能够将也称作“通用操作系统”的非实时操作系统在其他虚拟机中并行运行。

如果在这种体系结构中两个操作系统对仅一次性存在的资源（例如网卡、ID控制器等）进行访问，那么对于他们的访问通过在同步化部件中的超级监督者来协调。在此，结构通常不能够变化的非实时操作系统直接地对资源的硬件进行访问，其中所述访问必须由超级监督者来拦截并且必须相应地进行协调，以便能够“准并行”于实时操作系统的任务而执行非实时操作系统的任务。

在实时操作系统的方面，原则上能够完全一样地进行访问，然而有利的是，不类似于非实时操作系统返回到驱动器上，而是应用半虚拟化驱动器，这表示，实时操作系统了解其在超级监督者控制下的运行，并且与所述超级监督者以最佳的方式和方法交互。

上面描述的操作方法理想地构成为，使得对于资源的等待时间（例如对硬件寄存器的轮询）并不使实时操作系统在其实时性能方面劣化。特别地，不应该在中断实时操作系统期间在超级监督者中经过等待时间。尽管如此，在与超级监督者交互时保留不可避免的延迟，更确切地说由于隐含的或者编程的跳出（“虚拟机退出（VmExit）”）到超级监督者中（例如通过监视所访问的资源的存储器地址、IO地址、PCI配置空间等或者通过在半虚拟化技术方案中的超调用）而保留不可避免的延迟。所述延迟整体地反映到实时性能中，尤其反映到中断等待时间中。

发明内容

因此，本发明的目的是，在访问共同利用的资源时降低或者避免在实时操作系统方面的性能损害。

该目的的根据本发明的解决方案的核心思想是，在没有设置实时操作系统的相同的处理器核心或者相同的处理器上运行的虚拟机中设有所谓的工作机，所述工作机执行对资源进行的访问。在此，根据本发明，在实时操作系统方面使用半虚拟化的驱动器，然而所述驱动器不跳出到虚拟化软件（虚拟机管理器，超级监督者）中来访问资源，而是代替于此将相应的要求发往设置在其他处理器核心或者处理器上的工作机。由此，总是当实时操作系统设置针对（共同使用的）资源的半虚拟化的任务时激活工作机。

该目的的解决方案尤其提出一种根据本发明的方法和一种根据本发明的硬件平台。

在此，提出一种用于利用具有至少两个虚拟机的硬件平台的资源的方法，其中虚拟机中的具有第一操作系统的第一虚拟机单独地在至少一个第一处理器核心或者第一处理器上运行，并且其中一定数目的（至少一个）其他虚拟机在至少一个其他处理器核心（Core 0）或者处理器上运行。在此，其他虚拟机中的一个构成为工作机，其中所述工作机具有用于访问资源的第一驱动器，其中第一操作系统具有用于访问资源的半虚拟化的第二驱动器，并且其中将用于访问资源的半虚拟化的第二驱动器的请求发往第一驱动器，其中第一驱动器将请求转换成对资源的访问。半虚拟化的第二驱动器可以以该方式借助工作机将任务传送给处理器核心或处理器，而没有通过与虚拟化控制器（虚拟机管理器、超级监督者）的交互，例如通过“虚拟机退出”或者“超调用”来中断实时操作系统的处理。

此外，该目的的解决方案提出一种具有多个处理器核心或者多个处理器、多个虚拟机和用于管理所述虚拟机的虚拟化控制器的硬件平台。在此，第一虚拟机具有第一操作系统，其中所述第一虚拟机单独地至少在第一处理器核心或者第一处理器上运行。一定数目的（至少一个）其他虚拟机在至少一个其他处理器核心或者处理器上运行，其中其他虚拟机中一个构成为工作机，并且其中所述工作机具有用于访问所述资源的第一驱动器。第一操作系统还具有用于访问资源的半虚拟化的第二驱动器，其中半虚拟化的第二驱动器设计成使得其请求被发往第一驱动器，并且其中第一驱动器设计用于将请求转换成对资源的访问。通过如此设立的硬件平台能够实现根据本发明的方法的优点。

根据本发明的方法的有利的扩展方案在发明内容和具体实施方式中描述的实施例中给出。在此描述的特征和优点意义上也适用于根据本发明的硬件平台。在此描述的扩展方案不仅能够单独地实现，而且也能够彼此自由组合地实现。

有利的是，第一操作系统构成为实时操作系统，其中这种实时操作系统也在访问被其他虚拟机和在那里的操作系统应用的资源时没有在其实时特性方面受到损害。在此，能够在另一虚拟机中运行至少一个其他的操作系统、尤其是非实时操作系统（GPOS-“通用操作系统”），其中具有一个或多个其他的操作系统的其他虚拟机将在不同于实时操作系统的处理器核心或者处理器上执行。在另一有利的扩展方案中，也能够将非实时操作系统中的一个用作工作机，使得除了实时操作系统之外也能够由硬件平台执行非时间关键的任务，而没有必须运行不必要多的虚拟机。有利地，能够将所谓的通用操作系统用作其他的操作系统（非实时操作系统），即例如用于个人计算机的常用的操作系统，例如Microsoft Windows、Linux等。

特别地，在应用除了访问硬件资源之外不执行其他任务的单独的工作机的情况下，所述工作机有利地仅在半虚拟化的第二驱动器的请求期间激活所述工作机，使得在不必须执行或者协调资源的访问的阶段中，工作机也不要求相应的处理器或者核心的运算时间等。

在尤其有利的扩展方案中，在半虚拟化的第二驱动器的请求期间将处理器间中断从第一虚拟机传输给带有工作机的其他处理器核心或者处理器，由此工作机跳入到第一驱动器的处理例程中。由此能够实现，仅在半虚拟化的第二驱动器请求时激活工作机，相反地，能够忽视硬件平台的其他的中断。有利的是，启动信号（Start-Signal）或者初始化信号（Init-Signal）用作处理器间中断，所述信号根据本发明配置成，使得代替虚拟机的初始化或者重新启动而进行相应的第一驱动器的调用（“跳入”）。

在另一有利的扩展方案中，工作机借助于集成的同步化装置协调第一和其他操作系统对同一资源的访问。由此，虚拟化控制器相应地能够包含短的执行时间。然而，在一个替选的扩展方案中，代替于此，当借助于集成在虚拟化控制器中的同步化装置来协调第一和第二操作系统对同一资源的访问时，能够相当低耗费地构成工作机。

附图说明

下面，根据参考附图阐明根据本发明的方法的实施例。所述实施例同时用于阐明根据本发明的硬件平台。

其中：

图1示意性地示出根据现有技术中的方法和装置的具有两个虚拟机的硬件平台，

图2示出在根据本发明的第一扩展方案中的具有三个虚拟机的硬件平台，和

图3示出在根据本发明的第二扩展方案中的具有三个虚拟机的硬件平台。

具体实施方式

在图1中示出硬件平台HW，所述硬件平台包括资源R，并且其中所述资源R将由操作系统RTOS、GPOS应用。

在硬件平台HW上安装虚拟化控制器VMM，其中在第一虚拟机中运行实时操作系统RTOS，并且在第二其他虚拟机中运行通用操作系统GPOS。两个虚拟机，从而两个操作系统GPOS、RTOS在分开的处理器核心Core 0、Core 1上运行。操作系统GPOS、RTOS中的每个分别包括用于访问资源R的驱动器TR0、TR1，其中访问Z0、Z1由虚拟化控制器VMM拦截并且借助于同步化部件S协调，使得经由访问SZ（同步化的访问）而最后访问资源R，并且反之亦然。在从现有技术中已知的所述变型形式中，仅当所述虚拟化控制器是起作用的并且提供用于根据协议处理相应的请求时，实时操作系统RTOS的驱动器TR1的访问Z1才与虚拟化控制器VMM通信。适合于纠正的根据本发明的方法步骤下面根据后续的附图来阐明。

在图2中示出具有资源R的从图1中已知的硬件平台HW（例如网卡或者IDE控制器），然而其中在处理器核心Core 0上运行两个虚拟机（虚拟运行环境），其中除了已经从图1中已知的通用操作系统GPOS之外，在另一虚拟机中运行工作机RVM（“资源虚拟机”）。工作机RVM具有用于访问资源R的驱动器TR0，而操作系统GPOS、RTOS同样具有用于访问相同资源R的驱动器TR2、TR1。然而相反于现有技术中的解决方案，实时操作系统RTOS的驱动器TR1构成为半虚拟化的驱动器，其中所述驱动器TR1的访问Z1和与此相关的请求（例如通知）被发往工作机RVM的驱动器TR0。有利地，为此，实时操作系统RTOS或者驱动器TR1触发在处理器核心Core 0处的处理器间中断，例如初始化信号或者启动信号，其中在“消息框”中或者借助其他通信方法存储关于所述处理器间中断将引起到工作机RVM中的上下文交换且在此引起“跳入”到驱动器TR0的软件例程中的信息。因此，处理器间中断首先导致，处理器核心Core 0转化为处理虚拟化控制器VMM，之后虚拟化控制器VMM在评估“消息框”之后触发工作机RVM的调用（上下文交换），之后由此也进行驱动器TR0的调用。通过处理器间中断的高优先级而几乎无延迟地激活虚拟化控制器，从而由此激活驱动器TR0，使得访问Z1的请求能够几乎直接地从驱动器TR1传输给驱动器TR0。现在，驱动器TR0将请求由“半虚拟化协议”转换成（按照标准的）访问Z0并且将该访问Z0明确地转发给虚拟机VMM，或者该访问Z0通过虚拟化控制器VMM被拦截。虚拟化控制器VMM的同步化装置S协调访问Z0与通用操作系统GPOS的可能的其他访问Z2，并且由此产生用于访问资源R的同步化的访问SZ。例如得自于访问SZ的资源R的通知和数据以相反的方式来处理。

在图3中示出类似图2的装置，然而其中不同于根据图2的装置，没有在虚拟化控制器VMM中进行访问Z0、Z2的同步化。代替于此，通过虚拟化控制器VMM的转发装置WL将通用操作系统GPOS的访问Z0转发给工作机RVM的驱动器STR，其中转发的访问W在工作机RVM之内与实时操作系统RTOS的访问Z1同步。这导致：同步化的访问SZ不必由虚拟化控制器VMM拦截，而是也当虚拟化控制器VMM不活动时，能够由工作机RVM直接地传输给资源R。在另一扩展方案中，当驱动器TR0以其他的方式例如直接地将访问Z0传输给工作机RVM和驱动器STR时，也能够取消转发装置WL。这符合用于通用操作系统GPOS的半虚拟化的技术方案。

原则上，所描述的方法和装置的大量的变型形式是可能的。因此能够对于不同资源R不仅给出一个，而是还给出多个工作机RVM（“资源虚拟机”）的实例。在此，多个实例能够彼此无关地“并行”工作，并且甚至分布到不同的处理器核心或者处理器上以运行。同样，实时操作系统RTOS的同一实例能够在多个处理器核心上运行；然而这要求下述关联：由实时操作系统RTOS的处理器核心中的哪个将访问Z1提供给了服务机RVM。相反地，还能够在不同的处理器核心上引入多个实时操作系统RTOS；这要求下述关联：由哪个实时操作系统RTOS和哪个处理器核心Core 0、Core 1、……对服务机RVM给出任务（访问Z1）。能够考虑多个处理器核心、处理器、实时操作系统RTOS和其他操作系统GPOS的其他合成体。

Claims (10)

1.用于利用具有至少两个虚拟机的硬件平台的资源的方法，

其中在所述硬件平台上运行用于管理所述虚拟机的虚拟化控制器，

其中所述虚拟机中的具有第一操作系统的第一虚拟机单独地在至少一个第一处理器核心或者第一处理器上运行，并且

其中一定数目的其他虚拟机在至少一个其他处理器核心或者处理器上运行，

其特征在于，

所述其他虚拟机中的一个构成为工作机，其中所述工作机具有用于对所述资源进行访问的第一驱动器，

所述第一操作系统具有用于对所述资源进行访问的半虚拟化的第二驱动器，并且

用于对所述资源进行访问的所述半虚拟化的第二驱动器的请求被发往所述第一驱动器，其中所述第一驱动器将所述请求转换成对所述资源的访问。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

将实时操作系统用作所述第一操作系统。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述其他虚拟机中的一个上运行有至少一个其他操作系统。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

将通用操作系统用作所述其他操作系统。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述半虚拟化的第二驱动器的所述请求期间激活所述工作机。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述半虚拟化的第二驱动器的所述请求期间将处理器间中断从所述第一虚拟机传输给带有所述工作机的所述其他处理器核心或者处理器，其中所述工作机跳入所述第一驱动器的处理例程。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

将启动信号或者初始化信号用作所述处理器间中断。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，

所述工作机借助于同步化装置协调所述第一操作系统和所述其他操作系统对同一资源的访问。

9.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，

所述虚拟化控制器借助于同步化装置协调所述第一操作系统和所述其他操作系统对同一资源的访问。

10.用于利用资源的硬件平台，具有：多个处理器核心或多个处理器；多个虚拟机；和用于管理所述虚拟机的虚拟化控制器，

其特征在于，

第一虚拟机具有第一操作系统，其中所述第一虚拟机单独地至少在第一处理器核心或第一处理器上运行，

其中一定数目的其他虚拟机在至少一个其他处理器核心或者处理器上运行；

所述其他虚拟机中的一个构成为工作机；

所述工作机具有用于对所述资源进行访问的第一驱动器；

所述第一操作系统具有用于对所述资源进行访问的半虚拟化的第二驱动器；和

所述半虚拟化的第二驱动器设计成使得其用于对所述资源进行访问的请求被发往所述第一驱动器，其中所述第一驱动器设计成用于将所述请求转换成对所述资源的访问。