CN115562806B - 基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法，获取每个虚拟处理器的优先级，并设置其关键级别，将关键级别较大的虚拟处理器作为关键虚拟处理器，并按照任务截止时间排序得到关键虚拟处理器序列；每次调度前，对完成任务运行的虚拟处理器进行消耗时间补充，然后根据当前时间预算判断虚拟处理器是否参与本次调度；在调度时判断当前时间是否为某个关键虚拟处理器的时间关键点，是则选择该关键虚拟处理器进行任务运行，否则选择优先级最高的虚拟处理器进行任务运行。本发明通过引入混合关键系统的思想，对关键级别较高或优先级较高的虚拟处理器进行优先调度，从而提高虚拟处理器的实时性，进而提高嵌入式虚拟机系统的运行效率。

Description

基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法

技术领域

本发明属于嵌入式虚拟机技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法。

背景技术

虚拟化技术是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源(CPU、内存、磁盘空间、网络适配器等)，予以抽象、转换后呈现出来并可供分区、组合为一个或多个电脑配置环境。现在虚拟化技术在学术和商业上都取得了一些成果，商业上有Xen-arm、OKL4等成熟的产品。而在学术界对于嵌入式虚拟化技术的研究分为两个方向：一种是使用微内核技术，以微内核为基础开发Hypervisor；另一种是将在服务器领域内使用的Hypervisor系统(如Xen、KVM)向嵌入式平台移植。

随着嵌入式在各个行业领域的深入应用，其系统功能和组件之间交互的复杂度也随之增加。目前微内核架构的操作系统被设计用以构成一个可自由裁减的系统并且易于保证其可信计算基础，系统所定义的操作系统和用户态应用程序之间的接口与硬件平台的接口很相近，这样既保证了操作系统的功能性，又避免了操作系统的代码过于冗长，十分适合用以构建一个良好的虚拟机环境。因此可以有效地利用微内核操作系统的特点，将基于主机操作系统架构的虚拟化和基于管理层的虚拟化融合到一起，结合特权指令部分和一个用户态虚拟机管理器来克服彼此的缺陷。基于微内核的虚拟机环境具有高可靠性，高灵活性以及实时性支持等特点，而随着虚拟化技术的不断发展，以及新体系架构的引入，嵌入式系统虚拟化的性能障碍也正被逐渐克服，使得虚拟机在嵌入式系统中具有广泛的应用前景。

虚拟化的实现方式大体分为一下两类：全虚拟化、半虚拟化。全虚拟化的核心就在全，指的是VMM(虚拟监控器，大多数情况等价于hypervisor)为虚拟机模拟了完整的底层硬件，包括处理器、物理内存、时钟、外设等。这种'全'的特性的强大之处在于：原本是为物理硬件设计的操作系统或其它系统软件，完全不做任何修改就可以在虚拟机中运行。然而虚拟机最后还是要与VMM打交道，对于全虚拟化来说，VMM必须完全并且完整地把自己模拟成硬件，为虚拟机提供全部硬件调用接口。但是全虚拟化带来的结果就是操作系统中的各个虚拟机都要通过VMM调用硬件资源，这样就对虚拟机调度提出了新的要求。当基于微内核实现嵌入式虚拟机的全虚拟化时，通常会采用多个内核，而且嵌入式设备与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。因此，实时性是基于微内核的嵌入式虚拟化技术需要面对的最重要的问题之一。但是虚拟化时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(GeneralPurpose Operating System)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,KVM，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，无法适应其应用，需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法，引入混合关键系统的思想，对虚拟处理器进行实时调度，提高嵌入式虚拟机的运行效率。

为了实现上述发明目的，本发明基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法包括以下步骤：

S1：获取嵌入式虚拟系统中每个虚拟处理器VCPU_n的优先级P_n，n＝1,2,…,N，N表示虚拟处理器数量，优先级的值越小，虚拟处理器的优先级越高；根据实际情况对嵌入式虚拟机系统中每个虚拟处理器VCPU_n分别设置关键级别L_n，其值越大，虚拟处理器的关键级别越高；设置系统关键级别LS，将关键级别L_n≥LS的虚拟处理器作为关键虚拟处理器；

S2：将关键虚拟处理器按照当前的任务截止时间从大到小进行排列，得到关键虚拟处理器序列A，记序列A中关键虚拟处理器的数量为K，第k个关键虚拟处理器为

n_k表示序列A中第k个关键虚拟处理器的原始序号；

S3：判断每个虚拟处理器VCPU_n在上一轮调度中是否有任务执行完成，如果没有，则不作任何操作，否则对其任务的消耗时间进行补充，具体方法如下：

如果虚拟处理器VCPU_n是关键虚拟处理器，则在每次任务运行完毕后立即对其时间预算进行补充，将时间预算重置为预设设定的默认值；如果虚拟处理器VCPU_n不是关键虚拟处理器，则在每次任务运行完毕后，判断是否时间预算调整周期到来，如果没有，则当前时间预算保持不变，如果时间预算调整周期到来，则将时间预算重置为预设设定的默认值；

S4：对于每个虚拟处理器VCPU_n，判断其当前时间预算是否满足其任务运行需要，如果是，则将该虚拟处理器VCPU_n加入调度序列，否则将该虚拟处理器VCPU_n加入挂起队列，需要等待后续时间预算足够方才将其加入调度序列；

S5：遍历关键虚拟处理器序列A中的每个关键虚拟处理器

根据其截止时间和时间预算计算得到其时间关键点/>

具体方法如下：

1)记关键虚拟处理器序列A中第1个关键虚拟处理器的截止时间为T_first，令时间参数τ＝T_first；

2)令关键虚拟处理器序号k＝1；

3)判断是否关键虚拟处理器

的截止时间/>

如果是则令其时间关键点/>

然后令时间参数/>

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4)判断是否k＜K，如果是，进入步骤5)，否则时间关键点计算结束；

5)令

表示关键虚拟处理器/>

的时间预算；

6)令k＝k+1，返回步骤3)；

S6：判断当前时间是否为某个关键虚拟处理器的时间关键点，如果是，进入步骤S7，否则直接进入步骤S8；

S7：选择时间关键点为当前时间的关键虚拟处理器进行任务运行，本次调度结束，返回步骤S2；

S8：从所有虚拟处理器中选择优先级最高的虚拟处理器进行任务运行，本次调度结束，返回步骤S2。

本发明基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法，获取每个虚拟处理器的优先级，并设置其关键级别，将关键级别大于预设的系统关键级别的虚拟处理器作为关键虚拟处理器，并按照任务截止时间排序得到关键虚拟处理器序列；每次调度前，对完成任务运行的虚拟处理器进行消耗时间补充，然后根据当前时间预算判断虚拟处理器是否参与本次调度；在调度时，计算每个关键虚拟处理器的时间关键点，如果当前时间为某个关键虚拟处理器的时间关键点，则选择该关键虚拟处理器进行任务运行，否则选择优先级最高的虚拟处理器进行任务运行，本次调度结束。本发明通过引入混合关键系统的思想，对关键级别较高或优先级较高的虚拟处理器进行优先调度，从而提高虚拟处理器的实时性，进而提高嵌入式虚拟机系统的运行效率。

附图说明

图1是本发明基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法的具体实施方式流程图

图2是本实施例中优先级筛选的位图示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法的具体步骤包括：

S101：获取虚拟处理器信息：

获取嵌入式虚拟系统中每个虚拟处理器VCPU_n的优先级P_n，n＝1,2,…,N，N表示虚拟处理器数量，优先级的值越小，虚拟处理器的优先级越高。一般来说，虚拟处理器的实时性要求越高，其优先级越高。根据实际情况对嵌入式虚拟机系统中每个虚拟处理器VCPU_n分别设置关键级别L_n，其值越大，虚拟处理器的关键级别越高。设置系统关键级别LS，将关键级别L_n≥LS的虚拟处理器作为关键虚拟处理器。

S102：构建关键队列：

本发明中，调度器需要优先满足关键虚拟处理器的任务运行截止时间，因此将关键虚拟处理器按照截止时间从大到小进行排列，得到关键虚拟处理器序列A，记序列A中关键虚拟处理器的数量为K，第k个关键虚拟处理器为

n_k表示序列A中第k个关键虚拟处理器的原始序号。

S103：消耗时间补充：

判断每个虚拟处理器VCPU_n在上一轮调度中是否有任务执行完成，如果没有，则不作任何操作，否则对其任务的消耗时间进行补充。针对不同各类的虚拟处理器，其采用的预算补充算法也不同，具体方法如下：

如果虚拟处理器VCPU_n是关键虚拟处理器，则在每次任务运行完毕后立即对其时间预算进行补充，将时间预算重置为预设设定的默认值。如果虚拟处理器VCPU_n不是关键虚拟处理器，则在每次任务运行完毕后，判断是否时间预算调整周期到来，如果没有，则当前时间预算保持不变，如果时间预算调整周期到来，则将时间预算重置为预设设定的默认值。

S104：时间预算可用判断：

对于每个虚拟处理器VCPU_n，判断其当前时间预算是否满足其任务运行需要，如果是，则将该虚拟处理器VCPU_n加入调度序列，否则将该虚拟处理器VCPU_n加入挂起队列，需要等待后续时间预算足够方才将其加入调度序列。

S105：时间关键点检测：

对于关键虚拟处理器序列A中的每个关键虚拟处理器

根据其截止时间和预算计算得到其时间关键点/>

具体方法如下：

1)记关键虚拟处理器序列A中第1个关键虚拟处理器的截止时间为T_first，令时间参数τ＝T_first。

2)令关键虚拟处理器序号k＝1。

3)判断是否关键虚拟处理器

的截止时间/>

如果是则令其时间关键点/>

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4)判断是否k＜K，如果是，进入步骤5)，否则时间关键点计算结束。

5)令

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的时间预算。

6)令k＝k+1，返回步骤3)。

S106：判断当前时间是否为某个关键虚拟处理器的时间关键点，如果是，进入步骤S107，否则直接进入步骤S108。

S107：选择关键虚拟处理器运行：

选择时间关键点为当前时间的关键虚拟处理器进行任务运行，本次调度结束，返回步骤S102。

S108：选择优先级最高的虚拟处理器运行：

从所有虚拟处理器中选择优先级最高的虚拟处理器进行任务运行，本次调度结束，返回步骤S102。

为了提高筛选效率，本实施例中在选择优先级最高的虚拟处理器时采用位图算法，具体方法如下：

在调度队列确定后，则生成M位优先级数组和M个优先级分段数组，其中M表示预设的优先级分段数，记第m个优先级分段的优先级范围为[p_m-1+1,p_m]，m＝0,1,…,M-1，p₀＝p_min，p_M＝p_max，p_min、p_max分别表示优先级最小值和优先级最大值；优先级数组中第m位表示是否存在优先级处于[p_m-1+1,p_m]的虚拟处理器就绪，如果存在，则为1，否则0。第m个优先级分段数组的位数为p_m-p_m-1，其中第d位表示是否存在优先级为p_m-1+1+d的虚拟处理器就绪，d＝0,1,…,p_m-p_m-1-1，如果存在，则为1，否则为0。在选择优先级最高的虚拟处理器时，首先在优先级数组中查询得到数据序号最小的1值，根据数据序号得到对应的优先级分段数组，然后从该优先级分段数组中查询得到数据序号最小的1值，根据数据序号计算优先级值，优先级值对应的虚拟处理器即为优先级最高的虚拟处理器。

图2是本实施例中优先级筛选的位图示例图。如图2所示，本实施例中构建了优先级数组lvl1bit和优先级分段数组lvl2bit。优先级数组lvl1bit的第63位代表是否有优先级处于[0,63]的虚拟处理器就绪，第62位代表是否有优先级位于[64,127]的虚拟处理器就绪，…，依此类推。如果当前lvl1bit的第63位为1，就会去lvl2bit数组中的对应的那个成员中，根据它的值继续定位到底是[0,63]优先级中哪个优先级有就绪VCPU。如下图所示。而在目前的微内核里面，由于仅仅只设置了64个不同的优先级，所以在lvl1bit数组中，只有代表0～63优先级的那个位有效，在微内核中设置为最高位代表0～63优先级。所以只要有虚拟处理器(优先级被限制在了63以内)就绪，那个位就为1，其他位永远为0。同时，在lvl2bit数组中，只有lvl2bit[0]成员是有效的，最高位为1则代表存在优先级为0的VCPU就绪，最低位为1则代表存在优先级为63的VCPU就绪。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于微内核的嵌入式虚拟机调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取嵌入式虚拟系统中每个虚拟处理器VCPU_n的优先级P_n，n＝1,2,…,N，N表示虚拟处理器数量，优先级的值越小，虚拟处理器的优先级越高；根据实际情况对嵌入式虚拟机系统中每个虚拟处理器VCPU_n分别设置关键级别L_n，其值越大，虚拟处理器的关键级别越高；设置系统关键级别LS，将关键级别L_n≥LS的虚拟处理器作为关键虚拟处理器；

S2：将关键虚拟处理器按照当前的任务截止时间从大到小进行排列，得到关键虚拟处理器序列A，记序列A中关键虚拟处理器的数量为K，第k个关键虚拟处理器为

n_k表示序列A中第k个关键虚拟处理器的原始序号；

S3：判断每个虚拟处理器VCPU_n在上一轮调度中是否有任务执行完成，如果没有，则不作任何操作，否则对其任务的消耗时间进行补充，具体方法如下：

如果虚拟处理器VCPU_n是关键虚拟处理器，则在每次任务运行完毕后立即对其时间预算进行补充，将时间预算重置为预设设定的默认值；如果虚拟处理器VCPU_n不是关键虚拟处理器，则在每次任务运行完毕后，判断是否时间预算调整周期到来，如果没有，则当前时间预算保持不变，如果时间预算调整周期到来，则将时间预算重置为预设设定的默认值；

S4：对于每个虚拟处理器VCPU_n，判断其当前时间预算是否满足其任务运行需要，如果是，则将该虚拟处理器VCPU_n加入调度序列，否则将该虚拟处理器VCPU_n加入挂起队列，需要等待后续时间预算足够方才将其加入调度序列；

S5：遍历关键虚拟处理器序列A中的每个关键虚拟处理器

根据其截止时间和时间预算计算得到其时间关键点/>

具体方法如下：

1)记关键虚拟处理器序列A中第1个关键虚拟处理器的截止时间为T_first，令时间参数τ＝T_first；

2)令关键虚拟处理器序号k＝1；

3)判断是否关键虚拟处理器

的截止时间/>

如果是则令其时间关键点

然后令时间参数/>

否则时间关键点/>

4)判断是否k＜K，如果是，进入步骤5)，否则时间关键点计算结束；

5)令

表示关键虚拟处理器/>

的时间预算；

6)令k＝k+1，返回步骤3)；

S6：判断当前时间是否为某个关键虚拟处理器的时间关键点，如果是，进入步骤S7，否则直接进入步骤S8；

S7：选择时间关键点为当前时间的关键虚拟处理器进行任务运行，本次调度结束，返回步骤S2；

S8：从所有虚拟处理器中选择优先级最高的虚拟处理器进行任务运行，本次调度结束，返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的嵌入式虚拟机调度方法，其特征在于，所述步骤S7中在选择优先级最高的虚拟处理器时采用位图算法，具体方法如下：

在调度队列确定后，则生成M位优先级数组和M个优先级分段数组，其中M表示预设的优先级分段数，记第m个优先级分段的优先级范围为[p_m-1+1,p_m]，m＝0,1,…,M-1，p₀＝p_min，p_M＝p_max，p_min、p_max分别表示优先级最小值和优先级最大值；优先级数组中第m位表示是否存在优先级处于[p_m-1+1,p_m]的虚拟处理器就绪，如果存在，则为1，否则0；第m个优先级分段数组的位数为p_m-p_m-1，其中第d位表示是否存在优先级为p_m-1+1+d的虚拟处理器就绪，d＝0,1,…,p_m-p_m-1-1，如果存在，则为1，否则为0；在选择优先级最高的虚拟处理器时，首先在优先级数组中查询得到数据序号最小的1值，根据数据序号得到对应的优先级分段数组，然后从该优先级分段数据中查询得到数据序号最小的1值，根据数据序号计算优先级值，优先级值对应的虚拟处理器即为优先级最高的虚拟处理器。

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