CN104050016B - 内存虚拟化方法、装置及处理器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种内存虚拟化方法、装置及处理器，其中，所述方法包括：创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。采用本发明实施例提供的内存虚拟化方法、装置及处理器，提高了内存虚拟化的效率。

Description

内存虚拟化方法、装置及处理器
技术领域
本发明实施例涉及系统虚拟化技术，尤其涉及一种内存虚拟化方法、装置及处理器。
背景技术
随着云计算的应用，系统虚拟化得到了越来越快的发展，越来越多的架构尝试着增加虚拟化的支持，除了X86等硬件管理转换旁视缓冲器(Translation LookasideBuffer,简称TLB)架构之外，单字长定点指令平均执行速度(Million Instructions PerSecond，简称MIPS)架构、可扩充处理器架构(SPARC)架构等也提出了各自的虚拟化解决方案。
不同架构的TLB管理主要分为两种策略，一种是硬件管理TLB，一种是软件管理TLB。硬件管理TLB指的是硬件中的TLB是程序员不可见的。当发生处理器(CPU)访存查询TLB未命中时，CPU自动查询存储于内存中的页表，不需要使用额外的异常，不需要执行额外的软件指令。软件管理TLB指的是硬件中的TLB是程序员可见的，可以用一些指令操作TLB。当发生CPU访存查询TLB未命中时，CPU产生异常，由异常处理程序查询存储于内存中的页表，需要执行一系列的软件指令。
现有的针对软件管理TLB架构的CPU的内存虚拟化解决方案主要分为两种，一种是软件模拟方法；一种是增加硬件支持方法。其中，软件模拟方法主要是利用软件模拟所有的针对TLB相关的操作，常见的方法是利用一个软件模拟的TLB(可以称作影子TLB或者客户TLB)模拟虚拟机中的TLB，虚拟机中所有对TLB的操作都用在影子TLB或客户TLB上的操作模拟。但是，由于现有的软件模拟方法，每次TLB操作都需要模拟，造成模拟开销很大，内存虚拟化效率低。
现有的硬件支持方法主要是通过在物理CPU中增加额外的TLB或者地址翻译部件供虚拟机使用，以使得虚拟机的所有TLB操作不用被模拟，而是直接在硬件上执行,从而提高虚拟化效率。但是，现有技术对处理器内部改动较大，代价较大，实现复杂度较高，并且，增加额外的TLB或者地址翻译部件导致了大量额外的TLB重填或相关异常，降低了内存虚拟化的效率。
发明内容
本发明实施例提供一种内存虚拟化方法、装置及处理器，以减少对处理器的硬件改动，提高内存虚拟化的效率。
第一方面，本发明实施例提供一种内存虚拟化方法，其中，所述方法包括：
创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；
将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，包括：
将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，包括：
判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
第二方面，本发明实施例提供一种内存虚拟化装置，其中，所述内存虚拟化装置包括：
创建模块，用于创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
第一陷入模块，用于将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；
第二陷入模块，用于将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
第三陷入模块，用于将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述第一陷入模块，具体用于将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述第二陷入模块，具体用于判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
第三方面，本发明实施例提供一种处理器，其中，所述处理器包括：
异常处理模块，用于将转换旁视缓冲器TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；其中，所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
指令处理模块，用于将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
所述异常处理模块，还用于将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
在第三方面的第一种可能的实现方式中，所述异常处理模块，具体用于将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
在第三方面的第二种可能的实现方式中，所述指令处理模块，具体用于判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
采用本发明实施例提供的内存虚拟化方法、装置及处理器，通过将所有的TLB重填异常在VMM下处理，其他异常由虚拟机处理；虚拟机的TLB读/写操作陷入到VMM中处理；VMM通过影子缓冲缓存所有曾经填入TLB的表项，通过影子缓冲填充TLB，实现内存全虚拟化；相比于现有的软件模拟方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法由于将所有的TLB操作指令的执行陷入到VMM中处理，因此，消除了绝大部分TLB操作产生的异常，提高了内存虚拟化的效率；相比于现有的硬件支持方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法，由于不需要在处理器中增加额外的TLB和地址翻译部件等，因此硬件修改较少，而且将所有TLB重填异常的处理陷入到VMM中，消除了绝大部分TLB重填异常，提高了内存虚拟化的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的内存虚拟化方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的内存虚拟化装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的处理器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的内存虚拟化方法的流程图。如图1所示，所述方法包括：
101、创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
102、将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；
103、将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
104、将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
具体地，步骤102-104的执行并不限定时间先后顺序。
虚拟机监视器VMM创建一个基于页表的影子缓冲，VMM通过该影子缓冲缓存所有写入TLB的表项，并通过该影子缓冲填充TLB。
处理器的异常处理模块，将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，由VMM处理；及，将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，由虚拟机对非TLB重填异常进行处理处理；所述非TLB重填异常是指除了TLB重填异常的其他TLB异常，例如TLB无效异常、TLB修改异常等。可选的，处理器的异常处理模块将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
处理器的指令处理模块，将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，由VMM执行；所述TLB操作指令包括TLB查询、写入指令等。可选的，处理器的指令处理模块判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
本发明实施例提供的内存虚拟化方法，通过将所有的TLB重填异常在VMM下处理，其他异常由虚拟机处理；虚拟机的TLB读/写操作陷入到VMM中处理；VMM通过影子缓冲缓存所有曾经填入TLB的表项，通过影子缓冲填充TLB，实现内存全虚拟化；相比于现有的软件模拟方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法由于将所有的TLB操作指令的执行陷入到VMM中处理，因此，消除了绝大部分TLB操作产生的异常，提高了内存虚拟化的效率；相比于现有的硬件支持方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法，由于不需要在处理器中增加额外的TLB和地址翻译部件等，因此硬件修改较少，而且将所有TLB重填异常的处理陷入到VMM中，消除了绝大部分TLB重填异常，提高了内存虚拟化的效率。
图2为本发明实施例提供的内存虚拟化装置的结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供的内存虚拟化装置200，包括：
创建模块201，用于创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
第一陷入模块202，用于将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；
第二陷入模块203，用于将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
第三陷入模块204，用于将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
本发明实施例提供的内存虚拟化装置200可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理类似，在此不再赘述。
采用本发明实施例提供的内存虚拟化装置200，通过创建模块201创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；第一陷入模块202将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；第二陷入模块203将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；第三陷入模块204将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理，消除了绝大部分TLB操作产生的异常及绝大部分TLB重填异常，提高了内存虚拟化的效率。
在上述实施例的基础上，所述第一陷入模块202，具体用于将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
可选的，所述第二陷入模块203，具体用于判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
本发明实施例提供的内存虚拟化装置，通过将所有的TLB重填异常在VMM下处理，其他异常由虚拟机处理；虚拟机的TLB读/写操作陷入到VMM中处理；VMM通过影子缓冲缓存所有曾经填入TLB的表项，通过影子缓冲填充TLB，实现内存全虚拟化；相比于现有的软件模拟方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法由于将所有的TLB操作指令的执行陷入到VMM中处理，因此，消除了绝大部分TLB操作产生的异常，提高了内存虚拟化的效率；相比于现有的硬件支持方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法，由于不需要在处理器中增加额外的TLB和地址翻译部件等，因此硬件修改较少，而且将所有TLB重填异常的处理陷入到VMM中，消除了绝大部分TLB重填异常，提高了内存虚拟化的效率。
图3为本发明实施例提供的处理器的结构示意图。如图3所示，本发明实施例提供的处理器300，包括：
异常处理模块301，用于将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；其中，所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
指令处理模块302，用于将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
所述异常处理模块301，还用于将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
本发明实施例提供的处理器300可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理类似，在此不再赘述。
相比于现有的硬件支持方法，上述处理器300不需要在处理器中增加额外的TLB和地址翻译部件等，只需要通过对现有的异常处理模块和指令处理模块进行较少修改，将所有TLB重填异常的处理陷入到VMM中，以消除绝大部分TLB重填异常，提高了内存虚拟化的效率。
在上述实施例的基础上，所述异常处理模块301,具体用于将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
可选的，所述指令处理模块302具体用于判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
本发明实施例提供的处理器，通过将所有的TLB重填异常在VMM下处理，其他异常由虚拟机处理；虚拟机的TLB读/写操作陷入到VMM中处理；VMM通过影子缓冲缓存所有曾经填入TLB的表项，通过影子缓冲填充TLB，实现内存全虚拟化；相比于现有的软件模拟方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法由于将所有的TLB操作指令的执行陷入到VMM中处理，因此，消除了绝大部分TLB操作产生的异常，提高了内存虚拟化的效率；相比于现有的硬件支持方法，本发明实施例提供的内存虚拟化方法，由于不需要在处理器中增加额外的TLB和地址翻译部件等，因此硬件修改较少，而且将所有TLB重填异常的处理陷入到VMM中，消除了绝大部分TLB重填异常，提高了内存虚拟化的效率。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种内存虚拟化方法，其特征在于，包括：
创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；
将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，包括：
将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，包括：
判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
4.一种内存虚拟化装置，其特征在于，包括：
创建模块，用于创建基于页表的影子缓冲；所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
第一陷入模块，用于将TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询所述影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；
第二陷入模块，用于将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
第三陷入模块，用于将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
5.根据权利要求4所述的内存虚拟化装置，其特征在于，
所述第一陷入模块，具体用于将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
6.根据权利要求4所述的内存虚拟化装置，其特征在于，
所述第二陷入模块，具体用于判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
7.一种处理器，其特征在于，包括：
异常处理模块，用于将转换旁视缓冲器TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态，以使虚拟机监视器VMM通过查询影子缓冲，对TLB重填异常进行处理；其中，所述影子缓冲用于缓冲写入转换旁视缓冲器TLB的表项；
指令处理模块，用于将TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态，以使所述VMM在所述影子缓冲上执行TLB操作指令；
所述异常处理模块，还用于将非TLB重填异常的处理陷入到客户模式核心态，以使虚拟机对非TLB重填异常进行处理。
8.根据权利要求7所述的处理器，其特征在于，
所述异常处理模块，具体用于将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB重填异常的处理陷入到根模式核心态。
9.根据权利要求7所述的处理器，其特征在于，
所述指令处理模块，具体用于判断所述TLB操作指令的类型；若判定所述TLB操作指令的类型为读或写，则将所述处理器的状态寄存器的模式从客户模式核心态切换到根模式核心态，以将所述TLB操作指令的执行陷入到根模式核心态。
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