基于虚拟化技术的嵌入式系统研究

Currently, embedded virtualization system has achieved some important progress, but some key issues still sharply impact its further development, such as how to utilize multi-core technique, cope with system resources competition, decline high real-time responsiveness and improve performance of I/O communication mechanism. This project focuses on researching and designing a novel embedded virtualization infrastructure under multi-core execution environment. And the new architecture is able to support several kinds of OSes that can be executed concurrently on this embedded infrastructure, including real-time OS (e.g. Vxworks, uCOS), general-purpose OS (e.g. Linux, Windows), etc. Based on this infrastructure, this project will research multi-core virtualiztion structure, system resource assignment for each virtual machine, real-time scheduling policy and I/O virtualiztion mechanism, etc. Then we research multi-core virtualization structure,provide an open interface for this infrastructure to manage virtual machine and execute several virtual machines on one or multi-core processor. Next, we research system resource assignment to bulid system resource management and assignment mechanism, which is utilized to manage CPU, storage device and I/O device resources. To ensure real-time responsiveness, we research real-time scheduling policy to provide a new priority and preemptive-available real-time scheduling policy. Finally, to cope with frequent network I/O interrupts, a novel network I/O virtualization mechanism is proposed through adding polling and interrupt latency mechanism in virtual layer.And this new I/O mechanism not only ensures system communication latency, but also declines CPU utilization rate.

目前基于虚拟化技术的嵌入式系统已经取得了一些重要进展，但仍然存在一些关键问题没有解决，如多核技术的利用、系统资源的竞争、系统实时响应的高延迟以及低效的I/O机制等问题成为其发展的瓶颈。本项目拟建立一个基于虚拟化技术的嵌入式平台，可以运行多个通用操作系统（如VxWorks、嵌入式Linux等）。以此平台为中心系统地研究多核虚拟化架构、系统资源的划分配置、实时调度策略以及I/O虚拟化机制等四项关键技术。研究多核虚拟化架构，为该平台提供多个虚拟机运行在一个或多核处理器核心上的物理资源以及管理虚拟机的开放接口；研究系统资源的划分配置，建立系统资源管理和配置机制，实现CPU、存储设备、I/O设备等资源的合理配置；研究实时调度策略，提出一种基于优先级、可抢占式的调度策略，保证系统的实时性能；研究网络虚拟化中频繁的I/O中断，实现一种高性能的网络I/O虚拟化机制，降低CPU利用率并且不过度影响传输延迟。

近年来，硬件技术得到了迅猛发展，与之对应的软件技术发展却相对落后。传统的嵌入式软件已经无法满足当前硬件的飞速发展，嵌入式虚拟化也成为了研究热点。本课题针对嵌入式虚拟化面临的关键问题从以下4个方面展开研究：.1.嵌入式多核虚拟化架构：首先提出了基于KVM 的嵌入式虚拟化系统的软件调优方法，使得依托于高性能硬件上的软件性能有了大幅的提高；其次，实现了基于SR-IOV的事件驱动轮询系统，降低了系统响应时间；最后，提出了基于NUMA高性能网络缓存资源亲和度的虚拟处理器的调度方法，通过硬件辅助虚拟化，直接进行缓存的读写，实现了接近本机的性能。.2.嵌入式虚拟化资源的配置与划分：针对企业需要远程登录或访问设备造成的资源浪费问题，本课题提出了一种基于云服务的远程桌面计算机唤醒方法，有效的远程唤醒企业设备从而节省企业能源。同时，随着云计算的发展，本课题对云计算数据中心网络资源配置划分问题进行了较为深入的调研。.3.嵌入式虚拟机实时调度：首先，设计了混合通用和实时系统虚拟化缓存分离机制，分配不同比例的高速缓存的实时任务，以保证响应时间；其次，提出一种基于当前虚拟CPU调度状态和中断处理负载分析的动态中断均衡映射方法，保证调度信息在向下传递的过程中的简洁性和准确性；接着，提出基于虚拟机的运行状态动态调整对虚拟机采用的协同调度方法，使得能够根据虚拟机的负载采用最合适的调度方法，进而有效提升虚拟机的性能；然后，提出基于虚拟机当前工作性质以及任务负载的虚拟机调度算法，适应负载的动态变化，提升了系统的性能；最后，提出一种针对 CPU/GPU 异构平台的，基于二进制程序的流模式提取方法，提升虚拟机任务的执行效率。.4.高性能I/O虚拟化模型：首先提出了一种XEN的精确CPU非统一调度时间片的虚拟机调度器来对CPU的分配偏差与vm的调度延迟进行优化；其次，提出了针对网络服务的双机热备份容灾系统，来保证在虚拟化环境下的可靠性；然后，采用了高效的中断结合的网络I/O虚拟化和虚拟接收端的扩展，并设计算法有效地利用多核处理器。最后，实现了基于移动云平台的加密搜索和高效安全的支持多关键字的搜索模型，提高搜索的安全保障以及搜索效率。.本课题研究从以上四个方面研究嵌入式虚拟化系统性能问题，并提出了多个解决方案。通过实验证明，本课题中的策略能够有效地提升性能，能够为嵌入式虚拟化的实际应用提供更好的技术支撑。