專利名稱：內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)存虛擬化是在虛擬地址到物理地址映射的基礎(chǔ)上增加一層映射關(guān)系，使虛擬地址映射到虛擬物理地址，再將虛擬物理地址映射到物理地址，同時(shí)使得每個(gè)虛擬機(jī)(Virtual Machine, VM)都認(rèn)為自己獨(dú)立運(yùn)行在從O開始的虛擬物理地址上。內(nèi)存虛擬化的實(shí)現(xiàn)形式有很多種方式，從內(nèi)存分配角度看，有動(dòng)態(tài)分配和靜態(tài)分配兩種形式。現(xiàn)有X86上商用或開源虛擬機(jī)管理器(VMM)均采用動(dòng)態(tài)分配的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化，虛擬機(jī)需要內(nèi)存時(shí)再向宿主機(jī)請(qǐng)求內(nèi)存。其中，虛擬機(jī)管理器是提供虛擬機(jī)環(huán)境底層基礎(chǔ)技術(shù)支撐，并對(duì)虛擬機(jī)環(huán)境進(jìn)行管理的底層系統(tǒng)軟件。從底層技術(shù)基礎(chǔ)上看，X86上商用或開源虛擬機(jī)管理器有兩種實(shí)現(xiàn)方式。一種是采用軟件方法修改虛擬機(jī)內(nèi)核頁(yè)表裝填代碼，管理虛擬地址到虛物理地址的代換，并配合虛擬機(jī)管理器為硬件提供影子頁(yè)表，硬件并不使用虛擬機(jī)內(nèi)核提供的頁(yè)表，而是使用影子頁(yè)表，將虛擬地址代換到機(jī)器地址。另外一種是基于X86硬件提供的NPT(AMD)或VT(Intel)內(nèi)存虛擬化接口，由虛擬機(jī)管理器管理該硬件接口相關(guān)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化，該方法對(duì)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核透明。現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)主要是開銷大:內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配性能開銷大:采用內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配的方式時(shí)，內(nèi)存分配由每一次虛擬機(jī)內(nèi)頁(yè)面缺失時(shí)觸發(fā)，需要硬件捕獲該異常，并保留虛擬機(jī)狀態(tài)，然后切換到宿主機(jī)，由宿主機(jī)分配好內(nèi)存，并設(shè)置好相應(yīng)的硬件接口后再返回虛擬機(jī)，此時(shí)虛擬機(jī)才具備可用的物理內(nèi)存。該流程較長(zhǎng)，且屬于串行操作，使得虛擬機(jī)內(nèi)內(nèi)存分配的性能較低。X86基于NPT或VT硬件的性能開銷大:硬件提供了這些接口后，可不使用影子頁(yè)表，也無(wú)需修改虛擬機(jī)內(nèi)核，使得內(nèi)存虛擬化對(duì)虛擬機(jī)完全透明，但該類接口的引入導(dǎo)致旁路轉(zhuǎn)換緩沖(Translation Lookaside Buffer, TLB)缺失(Miss)(在本說(shuō)明書中，旁路轉(zhuǎn)換緩沖缺失簡(jiǎn)稱“TLBMiss”)后裝填時(shí)的訪存次數(shù)大大增加，虛擬機(jī)的TLB性能開銷較大?；谟白禹?yè)表的方式空間開銷大:具體地說(shuō)，針對(duì)沒一個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)核管理的頁(yè)表，均需要構(gòu)建另外一份該頁(yè)表的影子頁(yè)表提供給硬件使用，該方法使得頁(yè)表所占用的空間加倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種能夠解決內(nèi)存虛擬機(jī)的性能和空間開銷問題的基于TLB Miss裝填的內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法，其特征在于包括:在進(jìn)行虛地址轉(zhuǎn)換時(shí)，首先查詢TLB表，如果虛地址在表中命中，則直接根據(jù)TLB中的頁(yè)表項(xiàng)PTE中的頁(yè)幀號(hào)PFN確定虛地址所對(duì)應(yīng)的物理地址；如果沒有命中，則轉(zhuǎn)入TLB的不命中處理流程。
優(yōu)選地，在TLB的不命中處理流程中，從虛擬地址VA獲得物理地址PA，再通過(guò)虛擬機(jī)控制寄存器中存儲(chǔ)的虛擬機(jī)地址偏移Offset計(jì)算出物理地址PA對(duì)應(yīng)的機(jī)器地址MA，再將機(jī)器地址MA裝填至TLB中，其中，虛擬機(jī)地址偏移Offset為虛擬機(jī)控制寄存器中存放的虛擬機(jī)地址偏移量Offset。優(yōu)選地，TLB的不命中處理流程包括:a)頁(yè)表基地址寄存器中填的頁(yè)表基地址是虛擬物理地址，先從虛擬機(jī)控制寄存器得到虛擬機(jī)地址偏移量Offset，加上頁(yè)表基地址寄存器中的虛擬物理地址，得到頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MALI，其中，虛擬機(jī)地址偏移Offset為虛擬機(jī)控制寄存器中存放的虛擬機(jī)地址偏移量Offset ；b)從頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MALI所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中，取出第一級(jí)Levell的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，得到作為下一級(jí)頁(yè)表的第二級(jí)Level2的頁(yè)表的基地址的物理地址PAL1，再根據(jù)公式MAL2=PA Ll+0ffset計(jì)算出作為下一級(jí)頁(yè)表的第二級(jí)Level2的頁(yè)表的基地址的機(jī)器地址MAL2，其中，PAGE_SIZE為頁(yè)面大?。籧)從上一步得到的機(jī)器地址MAL2所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出第二級(jí)Level2的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，以得到作為下一級(jí)頁(yè)表的第三級(jí)Level3的頁(yè)表的基地址的物理地址PAL2，再根據(jù)公式MAL3=PAL2+0ffset計(jì)算出作為下一級(jí)頁(yè)表的第三級(jí)Leve13的基地址的機(jī)器地址MAL3 ；d)從上一步得到的機(jī)器地址MAL3所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出第三級(jí)Level3的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，乘以PAGE_SIZE，得到下一級(jí)頁(yè)表的基地址的物理地址PAL3，再根據(jù)公式MAL4=PAL3+0ffset計(jì)算出下一級(jí)頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MAL4 ；e)從上一步得到的機(jī)器地址MAL4所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出TLB的頁(yè)表項(xiàng)PTE的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，以得到物理地址PAL4，再根據(jù)公式MA=PAL4+0ffset計(jì)算出機(jī)器地址MA，最終得到虛擬地址VA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系，并根據(jù)該機(jī)器地址MA裝填硬件TLB。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的TLB裝填實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化的工作方法，在針對(duì)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)內(nèi)核認(rèn)為的物理地址實(shí)際為虛擬的物理地址，所以虛擬機(jī)內(nèi)核在其頁(yè)表中放置的PFN實(shí)際上也是虛擬的物理地址。這樣，在TLB不命中的處理流程中獲取的各級(jí)頁(yè)表的PFN需要按照虛擬物理地址到真實(shí)物理地址的代換關(guān)系進(jìn)行處理，得到真實(shí)的物理地址后從中得到頁(yè)表項(xiàng)條目，并確定最終的代換關(guān)系填入硬件。該代換關(guān)系為MA=PA+0fTset，且該Offset存放在處理器內(nèi)部寄存器VPCR中，處理該代換關(guān)系不需增加額外訪存，性能開銷極低。本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于采用固定連續(xù)分配虛擬機(jī)內(nèi)存空間，可以避免維護(hù)復(fù)雜的物理地址PA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)物理地址PA到機(jī)器地址MA的一次性代換，相比影子頁(yè)表，該方式?jīng)]有額外的頁(yè)表維護(hù)開銷和內(nèi)存開銷，并且虛擬機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核在管理頁(yè)面時(shí)無(wú)需通知虛擬機(jī)管理器或宿主機(jī)內(nèi)核，內(nèi)存虛擬化對(duì)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)完全透明。


結(jié)合附圖，并通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中:圖1示意性地示出了內(nèi)存靜態(tài)分配示意圖。圖2示意性地示出了虛擬地址、物理地址和機(jī)器地址之間的關(guān)系。圖3是一個(gè)沒有內(nèi)存虛擬化時(shí)，直接由虛擬地址VA代換出機(jī)器地址MA的代換示意圖。圖4示出了影子頁(yè)表示意圖。圖5示出了 X86硬件支持的頁(yè)表代換流程圖。圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的內(nèi)存靜態(tài)映射示意圖。圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化TLB裝填流程圖。需要說(shuō)明的是，附圖用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號(hào)。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。與現(xiàn)有技術(shù)中采用動(dòng)態(tài)分配的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化，虛擬機(jī)需要內(nèi)存時(shí)再向宿主機(jī)請(qǐng)求內(nèi)存的方案不同；本發(fā)明實(shí)施例采用靜態(tài)內(nèi)存分配，在虛擬機(jī)創(chuàng)建之時(shí)預(yù)先分配固定大小的內(nèi)存。相應(yīng)地，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于TLB Miss裝填的內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法中，以內(nèi)存靜態(tài)分配的方式，配合修改TLB Miss裝填流程實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)內(nèi)核透明的內(nèi)存虛擬化方式，具有低性能開銷和低內(nèi)存開銷的特點(diǎn)。 下面將具體描述本發(fā)明的原理。圖1示意性地示出了內(nèi)存靜態(tài)分配示意圖如圖1所示，以4GB的內(nèi)存容量為例，內(nèi)存中包括已分配區(qū)間Al和空閑區(qū)間A2(即，未分配區(qū)間)。定義地址描述符來(lái)表示已分配區(qū)間Al，描述符至少包含以下兩個(gè)字段(或與之等價(jià)的字段):addr:地址區(qū)間的起始地址size:地址區(qū)間的長(zhǎng)度維護(hù)地址描述符列表memlist，表示當(dāng)前所有已分配的地址區(qū)間。<內(nèi)存分配流程>在上述基礎(chǔ)上，內(nèi)存分配流程可按下述流程進(jìn)行:假設(shè)申請(qǐng)的內(nèi)存大小為len，首先將申請(qǐng)的內(nèi)存的起始地址start設(shè)置為0，隨后執(zhí)行下述步驟:1.構(gòu)造一個(gè)初始的地址區(qū)間R: [start, start+len);2.遍歷memlist中的表項(xiàng)X:i)如果區(qū)間R與X所表示的地址區(qū)間存在交集，修改start為X所代表區(qū)間的上界，由此構(gòu)造新的地址區(qū)間R: [start, start+len),繼續(xù)遍歷；
)如果區(qū)間R超出有效的物理內(nèi)存范圍，結(jié)束遍歷，跳轉(zhuǎn)3;iii)否則，就表明地址區(qū)間R在有效的物理內(nèi)存范圍內(nèi)，且處于未分配狀態(tài)，結(jié)束遍歷，跳轉(zhuǎn)4 ；3.分配失敗，算法結(jié)束；4.構(gòu)造新的地址描述符，其addr字段為start, size字段為len,將該描述符加到memlist表中。分配成功。內(nèi)存申請(qǐng)成功后，將標(biāo)記該虛擬機(jī)使用該段內(nèi)存，并且將內(nèi)存區(qū)域物理地址偏移量填入CPU內(nèi)部虛擬機(jī)控制寄存器。〈釋放內(nèi)存流程〉假設(shè)所要釋放的內(nèi)存區(qū)間的地址描述符為A。遍歷memlist中的表項(xiàng)，若存在一個(gè)表項(xiàng)M與A匹配，則從memlist中刪除M，釋放成功；否則即失敗。內(nèi)存釋放成功后，將銷毀該虛擬機(jī)相關(guān)信息，并清除CPU內(nèi)部虛擬機(jī)控制寄存器中存放的內(nèi)存區(qū)域物理地址偏移量信息。<通過(guò)TLB裝填實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化的工作原理>虛擬機(jī)管理器的內(nèi)存模塊負(fù)責(zé)完成物理地址到機(jī)器地址的映射，我們將這個(gè)映射記為f，同時(shí)，虛擬機(jī)內(nèi)核的內(nèi)存管理模塊要完成虛擬地址到物理地址的映射，我們將這個(gè)映射記為g，則虛擬地址、物理地址和機(jī)器地址之間的關(guān)系如圖2所示。內(nèi)存虛擬化的方法同CPU處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)?，F(xiàn)代處理器均支持虛地址，內(nèi)存分頁(yè)管理，從一個(gè)虛地址映射到物理地址都要由操作系統(tǒng)維護(hù)的頁(yè)表來(lái)建立映射關(guān)系。處理器為了加快虛地址到物理地址`的翻譯速度，在芯片內(nèi)提供了一個(gè)旁路轉(zhuǎn)換緩沖(TLB，Translation lookaside buffer),在其中存儲(chǔ)最近使用的頁(yè)表項(xiàng)PTE。處理器在特定的模式下訪存時(shí)均以虛地址查詢TLB后計(jì)算出物理地址再進(jìn)行操作。在進(jìn)行虛地址轉(zhuǎn)換時(shí)，首先查詢TLB表，如果虛地址在表中命中，則直接根據(jù)TLB中的頁(yè)表項(xiàng)PTE中的頁(yè)幀號(hào)PFN確定虛地址所對(duì)應(yīng)的物理地址；如果沒有命中，則轉(zhuǎn)入TLB的不命中處理流程。圖3是一個(gè)沒有內(nèi)存虛擬化時(shí)，直接由虛擬地址代換出機(jī)器地址的代換示意圖。如圖3所示，以四級(jí)頁(yè)表為例，如圖3所示，輸入的虛擬地址VAO經(jīng)過(guò)四次頁(yè)表的查找，可以得到最終的機(jī)器地址ΜΑ0。在內(nèi)存虛擬化后，由于多增加了一個(gè)地址代換關(guān)系，虛擬機(jī)所認(rèn)為的物理地址不是最終的機(jī)器地址，虛擬機(jī)內(nèi)核準(zhǔn)備的頁(yè)表也就不是符合硬件需求的最終頁(yè)表，必須要對(duì)頁(yè)表進(jìn)行處理，或修改頁(yè)表代換流程以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化。由虛擬機(jī)管理器或宿主機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)虛擬機(jī)頁(yè)表進(jìn)行處理的方式稱為影子頁(yè)表技術(shù)。圖4示出了影子頁(yè)表示意圖。硬件在進(jìn)行頁(yè)表代換時(shí)采用處理過(guò)的影子頁(yè)表，可以將虛擬機(jī)提供的虛擬地址VAl代換為真正的機(jī)器地址MAl。這個(gè)方式要求虛擬機(jī)在創(chuàng)建頁(yè)表的同時(shí)，首先需要陷入到宿主機(jī)操作系統(tǒng)準(zhǔn)備好影子頁(yè)表，才能夠訪問相應(yīng)的頁(yè)面。另外，虛擬機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核每一次對(duì)頁(yè)表的修改，都必須要反應(yīng)到影子頁(yè)表中才能夠生效。該方式實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存虛擬化對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核并不透明，一般僅在Linux類可修改內(nèi)核的操作系統(tǒng)上使用。影子頁(yè)表的引入，對(duì)硬件進(jìn)行頁(yè)表代換時(shí)并不會(huì)增加開銷，但是維護(hù)影子頁(yè)表會(huì)引入額外的空間開銷和性能開銷。內(nèi)存空間越大，所需影子頁(yè)表空間也就越大。另外一種實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化的方式是修改頁(yè)表代換流程。圖5示出了 X86硬件支持的頁(yè)表代換流程圖。該方式通常由硬件提供，如圖5所示。由于虛擬機(jī)提供的是物理地址，只有宿主機(jī)或虛擬機(jī)管理器才有物理地址到機(jī)器地址的代換表，所以頁(yè)表代換流程里，得到每一級(jí)頁(yè)表的物理地址時(shí)，均需要到物理地址到機(jī)器地址的代換頁(yè)表里得到真正的機(jī)器地址，才能得到下一級(jí)頁(yè)表項(xiàng)。如此進(jìn)行代換，最終得到真正的機(jī)器地址。X86體系結(jié)構(gòu)中，AMD的Nested Page和Intel的VT技術(shù)，均采用這種方式的頁(yè)表代換流程以實(shí)現(xiàn)虛擬化。Nested Page和EPT技術(shù)均可以做到按照頁(yè)面粒度來(lái)管理虛擬機(jī)所使用的內(nèi)存，但是在TLB不命中的流程中要增加多次查詢物理地址PA到機(jī)器地址MA的索引表的動(dòng)作，意味著要增加多次訪存。這是由于該兩種技術(shù)均維護(hù)一個(gè)復(fù)雜的映射關(guān)系f，該映射關(guān)系也需要安裝四級(jí)頁(yè)表代換才能夠得到，這會(huì)帶來(lái)很大的性能開銷。<本發(fā)明實(shí)施例的具體示例>圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的內(nèi)存靜態(tài)映射示意圖。圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化TLB裝填流程圖。 按照“內(nèi)存分配流程”部分提出的虛擬機(jī)內(nèi)存靜態(tài)分配方法，多個(gè)虛擬機(jī)自身的虛擬物理內(nèi)存頁(yè)面在真正的物理內(nèi)存中是連續(xù)排布的。采用靜態(tài)內(nèi)存劃分得到的物理地址PA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系表，可用類似圖6的映射方式表示。物理地址PA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系f為 映射，簡(jiǎn)單的用如下公式來(lái)表不:MA=PA+0ffset為了得到虛擬地址VA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系，TLB不命中的處理流程中需要增加一些運(yùn)算，從虛擬地址VA獲得物理地址PA，再通過(guò)VPCR中存儲(chǔ)的Offset計(jì)算出物理地址PA對(duì)應(yīng)的機(jī)器地址MA，再將機(jī)器地址MA裝填至TLB中。如此，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化的TLB不命中的裝填將是如下的流程:a)頁(yè)表基地址寄存器中填的頁(yè)表基地址是虛擬物理地址，先從虛擬機(jī)控制寄存器得到虛擬機(jī)地址偏移量Offset，加上頁(yè)表基地址寄存器中的虛擬物理地址，得到頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MALI，其中，虛擬機(jī)地址偏移Offset為虛擬機(jī)控制寄存器中存放的虛擬機(jī)地址偏移量Offset ；b)從頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MALI所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中，取出第一級(jí)Level I的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，得到作為下一級(jí)頁(yè)表的第二級(jí)Level2的頁(yè)表的基地址的物理地址PAL1，再根據(jù)公式MAL2=PA Ll+Offset計(jì)算出作為下一級(jí)頁(yè)表的第二級(jí)Level2的頁(yè)表的基地址的機(jī)器地址MAL2，其中，PAGE_SIZE為頁(yè)面大??；c)從上一步得到的機(jī)器地址MAL2所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出第二級(jí)Level2的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，以得到作為下一級(jí)頁(yè)表的第三級(jí)Level3的頁(yè)表的基地址的物理地址PAL2，再根據(jù)公式MAL3=PAL2+0ffset計(jì)算出作為下一級(jí)頁(yè)表的第三級(jí)Leve13的基地址的機(jī)器地址MAL3 ；d)從上一步得到的機(jī)器地址MAL3所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出第三級(jí)Level3的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，乘以PAGE_SIZE，得到下一級(jí)頁(yè)表的基地址的物理地址PAL3，再根據(jù)公式MAL4=PAL3+0ffset計(jì)算出下一級(jí)頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MAL4 ；e)從上一步得到的機(jī)器地址MAL4所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出TLB的頁(yè)表項(xiàng)PTE的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，以得到物理地址PAL4，再根據(jù)公式MA=PAL4+0ffset計(jì)算出機(jī)器地址MA，最終得到虛擬地址VA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系，并根據(jù)該機(jī)器地址MA裝填硬件TLB。由此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)內(nèi)存靜態(tài)分配和釋放方案，在分配算法申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，首先構(gòu)造一個(gè)可能的區(qū)間，如果該區(qū)間超出有效的物理內(nèi)存范圍，或者與已有的內(nèi)存區(qū)間存在交集，那么本次申請(qǐng)失敗，返回錯(cuò)誤信息；否則就表示該區(qū)間地址合法，且處于未分配狀態(tài)，申請(qǐng)成功，構(gòu)造一個(gè)新的描述符，加入內(nèi)存已分配列表的末尾，同時(shí)標(biāo)記該段內(nèi)存為某虛擬機(jī)所屬，并將該段內(nèi)存的偏移地址設(shè)置到處理器內(nèi)部某控制寄存器中。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的TLB裝填實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化的工作方法，在針對(duì)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)內(nèi)核認(rèn)為的物理地址實(shí)際為虛擬的物理地址，所以虛擬機(jī)內(nèi)核在其頁(yè)表中放置的PFN實(shí)際上也是虛擬的物理地址。這樣，在TLB不命中的處理流程中獲取的各級(jí)頁(yè)表的PFN需要按照虛擬物理地址到真實(shí)物理地址的代換關(guān)系進(jìn)行處理，得到真實(shí)的物理地址后從中得到頁(yè)表項(xiàng)條目，并確定最終的代換關(guān)系填入硬件。該代換關(guān)系為MA=PA+0fTset，且該Offset存放在處理器內(nèi)部寄存器VPCR中，處理該代換關(guān)系不需增加額外訪存，性能開銷極低。本發(fā)明上述實(shí)施例的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于采用固定連續(xù)分配虛擬機(jī)內(nèi)存空間，可以避免維護(hù)復(fù)雜的物理地址PA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)物理地址PA到機(jī)器地址MA的一次性代換，相比影子頁(yè)表，該方式?jīng)]有額外的頁(yè)表維護(hù)開銷和內(nèi)存開銷，并且虛擬機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核在管理頁(yè)面時(shí)無(wú)需通知虛擬機(jī)管理器或宿主機(jī)內(nèi)核，內(nèi)存虛擬化對(duì)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)完全透明。本發(fā)明將偏移量放置在CPU內(nèi)部寄存器中，在TLB Miss處理流程中，可以在TLBMiss不增加任何訪存開銷的情況下實(shí)現(xiàn)VA到PA再到MA的三級(jí)映射關(guān)系轉(zhuǎn)換，同Intel VT或AMD NPT技術(shù)相比，內(nèi)存虛擬化性能開銷低。術(shù)語(yǔ)說(shuō)明:TLB (Translation Lookaside Buffer):屬于 CPU 內(nèi)部一種緩存，存放虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系，用于存儲(chǔ)單元加速虛擬地址到物理地址的代換速度。TLB Miss =CPU將虛擬地址在代換到物理地址時(shí)，未在TLB中查找到代換關(guān)系，稱為 TLB Miss。虛擬機(jī)(Virtual Machine, VM):通過(guò)軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在Iv完全隔尚環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。內(nèi)存虛擬化:在虛擬地址到物理地址映射的基礎(chǔ)上增加一層映射關(guān)系，使虛擬地址映射到虛擬物理地址，再將虛擬物理地址映射到物理地址，同時(shí)使得每個(gè)虛擬機(jī)都認(rèn)為自己獨(dú)立運(yùn)行在從O開始的虛擬物理地址上。虛擬地址(virtual address, VA):用戶程序以及操作系統(tǒng)核心使用的地址,其中操作系統(tǒng)核心僅少量使用虛地址。物理地址(physical address, PA):虛擬機(jī)操作系統(tǒng)核心看到的物理地址，經(jīng)過(guò)VMM抽象，每個(gè)虛擬機(jī)的虛物理地址都是從O開始，并是連續(xù)的。機(jī)器地址(machine address, MA):實(shí)際硬件平臺(tái)上的物理空間地址，即地址總線上應(yīng)該出現(xiàn)的地址信號(hào)。頁(yè)巾貞號(hào)(Page Frame Number, PFN):操作系統(tǒng)按照頁(yè)面來(lái)管理內(nèi)存,將所有內(nèi)存從低到高劃分成一個(gè)個(gè)固定大小的頁(yè)面，并按照從低到高的順序進(jìn)行編號(hào)，該編號(hào)稱為頁(yè)幀號(hào)。虛擬機(jī)控制寄存器(VirtualMachine Private Control Register, VPCR):該寄存器為CPU內(nèi)部用于存放虛擬機(jī)相關(guān)信息的寄存器。頁(yè)表基地址寄存器(Page Table Base Register，PTBR):該寄存器為CPU內(nèi)部用于存放頁(yè)表基地址信息的寄存器。此外，需要說(shuō)明的是，除非特別指出，否則說(shuō)明書中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說(shuō)明書中的各個(gè)組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個(gè)組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等?？梢岳斫獾氖牵m然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法，其特征在于包括:在進(jìn)行虛地址轉(zhuǎn)換時(shí)，首先查詢TLB表，如果虛地址在表中命中，則直接根據(jù)TLB中的頁(yè)表項(xiàng)PTE中的頁(yè)幀號(hào)PFN確定虛地址所對(duì)應(yīng)的機(jī)器地址；如果沒有命中，則轉(zhuǎn)入TLB的不命中處理流程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法，其特征在于，在TLB的不命中處理流程中，從虛擬地址VA獲得物理地址PA，再通過(guò)虛擬機(jī)控制寄存器中存儲(chǔ)的虛擬機(jī)地址偏移Offset計(jì)算出物理地址PA對(duì)應(yīng)的機(jī)器地址MA，再將機(jī)器地址MA裝填至TLB中，其中，虛擬機(jī)地址偏移Offset為虛擬機(jī)控制寄存器中存放的虛擬機(jī)地址偏移量Offset。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法，其特征在于，TLB的不命中處理流程包括: a)頁(yè)表基地址寄存器中填的頁(yè)表基地址是虛擬物理地址，先從虛擬機(jī)控制寄存器得到虛擬機(jī)地址偏移量Offset，加上頁(yè)表基地址寄存器中的虛擬物理地址，得到頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MALI，其中，虛擬機(jī)地址偏移Offset為虛擬機(jī)控制寄存器中存放的虛擬機(jī)地址偏移量 Offset ； b)從頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MALI所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中，取出第一級(jí)Levell的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，得到作為下一級(jí)頁(yè)表的第二級(jí)Level2的頁(yè)表的基地址的物理地址PALl，再根據(jù)公式MAL2=PA Ll+Offset計(jì)算出作為下一級(jí)頁(yè)表的第二級(jí)Level2的頁(yè)表的基地址的機(jī)器地址MAL2，其中，PAGE_SIZE為頁(yè)面大?。? c)從上一步得到的機(jī)器地址MAL2所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出第二級(jí)Level2的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，以得到作為下一級(jí)頁(yè)表的第三級(jí)Level3的頁(yè)表的基地址的物理地址PAL2，再根據(jù)公式MAL3=PAL2+0ffset計(jì)算出作為下一級(jí)頁(yè)表的第三級(jí)Level3的基地址的機(jī)器地址MAL3 ； d)從上一步得到的機(jī)器地址MAL3所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出第三級(jí)Level3的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，乘以PAGE_SIZE，得到下一級(jí)頁(yè)表的基地址的物理地址PAL3，再根據(jù)公式MAL4=PAL3+0ffset計(jì)算出下一級(jí)頁(yè)表基地址的機(jī)器地址MAL4 ； e)從上一步得到的機(jī)器地址MAL4所對(duì)應(yīng)的頁(yè)面中取出TLB的頁(yè)表項(xiàng)PTE的頁(yè)表，從中取出頁(yè)幀號(hào)，將頁(yè)幀號(hào)乘以PAGE_SIZE，以得到物理地址PAL4，再根據(jù)公式MA=PAL4+0ffset計(jì)算出機(jī)器地址MA，最終得到虛擬地址VA到機(jī)器地址MA的映射關(guān)系，并根據(jù)該機(jī)器地址MA裝填硬件TLB。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種內(nèi)存靜態(tài)劃分虛擬化方法，包括在進(jìn)行虛地址轉(zhuǎn)換時(shí)，首先查詢TLB表，如果虛地址在表中命中，則直接根據(jù)TLB中的頁(yè)表項(xiàng)中的頁(yè)幀號(hào)確定虛地址所對(duì)應(yīng)的機(jī)器地址；如果沒有命中，則轉(zhuǎn)入TLB的不命中處理流程。在TLB的不命中處理流程中，從虛擬地址獲得物理地址，再通過(guò)虛擬機(jī)控制寄存器中存儲(chǔ)的虛擬機(jī)地址偏移計(jì)算出物理地址對(duì)應(yīng)的機(jī)器地址，再將機(jī)器地址裝填至TLB中。其中，所述虛擬機(jī)地址偏移為虛擬機(jī)控制寄存器中存放的虛擬機(jī)地址偏移量。
文檔編號(hào)G06F12/10GK103116556SQ201310076740
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者王星焱, 殷紅武, 沈金祥, 何升, 許國(guó)春 申請(qǐng)人:無(wú)錫江南計(jì)算技術(shù)研究所