基于Xen的嵌入式虛擬化技術研究

胡雯

摘 要：本文首先介紹了嵌入式虛擬化技術的特點及3個不同的技術類型，著重研究了基于Xen管理程序的嵌入式半虛擬化技術，并進行了基于ARM嵌入式平臺的虛擬化操作系統的移植和數據傳遞的測試實驗，為進一步的研究和推廣嵌入式虛擬化技術提供有價值的參考。

關鍵詞：嵌入式；虛擬化；Xen

中圖分類號：TB317 文獻標識碼：A

1 序言

虛擬化是一種資源管理技術，其目的是整合計算機的所有軟硬件資源，在不受原有計算機資源的環境配置等限制，將計算機的所有軟硬件資源重新整合劃分，為用戶提供更優的架構方式及功能實現。可以理解為，這種集成是將單個物理資源表示為多個可用虛擬資源，也可以使多個物理資源表示為單個虛擬資源可用，甚至多個物理資源可以集成和區分出來的可用虛擬資源。

2 嵌入式虛擬化技術分析

Virtualization虛擬化技術在早期主要應用在服務器和大型機上，隨著PC的快速增長，虛擬化已經逐漸應用到x86架構，并得到普及。

虛擬化將IT環境變得更強大，更有彈性和更有活力，虛擬化做到了將多個操作系統集成到單個高性能服務器上，利用硬件平臺的資源來支持更多應用程序，或簡化IT基礎架構，降低難度在資源管理上，并避免不必要的IT基礎架構擴展。虛擬機的真正硬件獨立性還使虛擬機運行時遷移，允許真正的不間斷操作，最大化業務連續性，而不必為購買超高可用性平臺支付高昂的價格。

虛擬化技術分為3個類型：模擬虛擬化技術、全虛擬化技術、半虛擬化技術。

2.1 模擬虛擬化技術

這種虛擬化技術只用于某些特定的領域，例如，在一個處理器平臺上模擬另一個指令集不同的處理器平臺，或在這個平臺中的其他處理器平臺運行軟件，比如在X86平臺上模擬ARM嵌入式領域平臺，可以使嵌入式平臺的軟件開發變得容易。與嵌入式平臺相比，目前X86平臺的硬件資源相對豐富，因此即使仿真會使計算機本身性能嚴重下降，但嵌入式平臺的仿真也具有可用性，該技術適合嵌入式環境低成本，方便快捷的嵌入式軟件開發。已開發出的相應模擬器軟件有Bochs，QEMU等。

2.2 全虛擬化（Full Virtualization）技術

該技術可理解為基于動態指令的全虛擬化，是一種純軟件虛擬化技術。其特點是當虛擬機管理程序正在執行時，虛擬機操作系統的指令掃描到了二進制代碼，會挑選敏感指令并將其轉換為其它等效指令，運行等效指令而不是敏感指令。這種方法由于使用軟件同步檢測和運行的方式實現程序的執行，性能不高，但運行速度要優于模擬虛擬化技術。

2.3 半虛擬化（Para Virtualization）技術

半虛擬化技術也叫基于硬件的半虛擬化技術，主要應用在開源操作系統，如Linux操作系統。其技術特征在于，操作系統要執行的調用及其他特定指令的特權操作或指令修改等，交由下層的虛擬機管理器VMM進行管理，并根據VMM返回信息再進行指令修改等后續操作，并通過系統調用機制主動向虛擬機管理器報告，讓虛擬機管理器代替執行。半虛擬化技術因為高性能的VMware ESX，Xen虛擬化平臺和KVM虛擬化平臺，無需修改操作系統等簡單性優勢，已被許多虛擬化產品采用。基于此，在嵌入式虛擬化系統中也開始支持和使用半虛擬化技術，加快嵌入式虛擬化的普及。

目前主流的嵌入式處理器芯片都存在有敏感非特權指令，而且不支持硬件輔助完全虛擬化，并且若使用基于軟件的全虛擬化又對性能影啊很大，不適合用于嵌入式平臺。因此，大家轉向尋找更好的解決方案，XEN管理程序的出現，為嵌入式虛擬化技術帶來了希望。

3 XEN虛擬化技術

3.1 技術簡介

XEN 是英國劍橋大學計算機實驗室開發的一個虛擬化開源項目，由于其具有占用資源少、和操作系統完全貼合等優點，很快就被技術人員發現，應用于虛擬化領域和嵌入式虛擬化領域。其特點是基于X86體系結構，并且與開源操作系統能完美結合，支持全虛擬化和半虛擬化。以高性能、占用資源少著稱，因此被作為嵌入式虛擬化技術的首選應用方案。

3.2 實驗方案

基于Xen的嵌入式半虛擬化實現方案如圖1所示，首先在ARM Cortex-A8處理器平臺上移植Xen-ARM虛擬化平臺，然后將虛擬化后的嵌入式操作系統Linux（編號Domain O）與另一個嵌入式操作系統（編號Domain1）分別作為客戶操作系統運行在VMM上，客戶機OS或應用程序與VMM直接通過Hypercall（系統調用）實現信息通信，DomainO與Domainl直接通過共享內存來實現數據傳遞。

3.3 實驗過程

（1） 嵌入式系統移植，實驗操作如下：

[root@localhost ～]# yum-config-manager --add-repo=http：//mirrors.aliyun.com/centos/6.7/xen4/x86_64/

[root@localhost ～]# yum install xen –y

[root@localhost ～]# vim /etc/grub.conf

titleCentOS （3.18.12-11.el6.x86_64）

root （hd0，0）

kernel /xen.gz dom0_mem=1024M cpufreq=xen dom0_max_vcpus=2 dom0_vcpus_pin

module /vmlinuz-3.18.12-11.el6.x86_64 ro root=/dev/mapper/vg0-root

……

module /initramfs-3.18.12-11.el6.x86_64.img [root@localhost ～]# mkdir -pv /data/xen -pv

[root@localhost ～]# cd /data/xen/

[root@localhostxen]# qemu-img create -f raw -o size=2G busybox.img

[root@localhostxen]# mkfs.ext4 busybox.img

[root@localhost ～]# yumgroupinstall "Development Tools" "Server Platform Development"

[root@localhost ～]# yum install glibc-static

[root@localhost ～]# tar xf busybox-1.22.1.tar.bz2

[root@localhost busybox-1.22.1]# make&& make install

[root@localhost busybox-1.22.1]# mount -o loop /data/xen/busybox.img /mnt/

[root@localhostmnt]# mkdirdevproc sys home

[root@localhostxen]# xl create busybox

Parsing config from busybox

DEBUG libxl__blktap_devpath 76 aio：/data/xen/busybox.img

DEBUG libxl__blktap_devpath 81 /dev/xen/blktap-2/tapdev0

[root@localhostxen]# xl list

Name ID MemVCPUs State Time（s）

Domain-0 0 1024 2 r----- 29.0

busybox-01 4 256 1 -b---- 0.6

（2）數據通信測試

由Domain0負責發送數據，Domain1通過共享內存獲取數據，并設計一個測試程序在Domain1端運行，觀察運行時的數據和運行速度，測試獲取數據的正確性，以及程序引擎的代碼運行速率，以此來檢驗該虛擬化環境的運行性能。并將該測試搬到PC機上搭建的一個類似的虛擬化環境中進行。測試結果如表1所示，傳遞數據的數據正確率為100%，讀取數據的代碼運行速度基本接近于PC機虛擬化環境。由此證明，該嵌入式虛擬化環境的可用性及運行性能都較高，可以作為研究嵌入式虛擬化技術的有價值的參考數據。

4 小結

由于虛擬化技術還在繼續發展中，本文選擇Xen虛擬化管理工具，完成了嵌入式虛擬化平臺的移植，及數據傳遞等程序測試，并與同等虛擬化環境的PC機程序，做了對比試驗，實驗結果表明該虛擬化技術在保證數據正確的基礎上，基本能夠實現OS對硬件的訪問及管理。由于硬件環境的限制，本文只選擇了2個虛擬化系統實例，并且選用了ARM微處理器平臺進行實驗。今后將在多虛擬化系統的環境下，對不同嵌入式平臺做進一步的研究和測試。

參考文獻：

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（本文審稿 李正發）