[发明专利]X86体系结构内存管理单元虚拟化方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机体系结构及操作系统领域内存管理方法，尤其是X86体系结构的内存管理单元(Memory Management Unit，MMU)虚拟化方法。

背景技术

当前，计算机的处理能力不断快速提升，而根据相关统计，运行于其上的服务软件在系统空闲时段往往只用到了不到10％的处理能力，在忙时也往往用不到50％。与此同时，计算机的能耗不断加大，电能的消耗已经逐渐成为IT业的主要开销之一。另外，出于安全和可靠等方面的考虑，大量的服务提供商必须使用多台服务器以满足数据备份、冗余容错和服务的安全隔离等方面的需求，这不仅大大增加了设备购置的资金投入、成倍提高了电能消耗，而且由于大量服务器的利用率较低，造成了性价比严重低下。

为了解决这个问题，人们提出了虚拟化(virtualization)的概念，即通过虚拟机监控器(Virtual Machine Monitor，VMM)，对真实计算机的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)、内存管理单元MMU和外设进行虚拟化，在一台真实的计算机上虚拟出多台“虚拟机(Virtual Machine，VM)”，每台虚拟机都可分别运行一个操作系统。这样，就能进行服务器整合(server consolidation)，即将多台服务器整合为一台物理服务器，从而大大提高服务器利用率、降低能源消耗和提高安全性与可靠性。在桌面计算领域，虚拟化技术使得用户能够同时运行多个不同的操作系统，满足了用户对不同计算平台的需求。

X86计算机所装配的物理内存从0开始编址，每个内存单元的地址称为物理地址(physical address)，CPU基于物理地址访问内存的不同单元。为了在X86计算机上同时运行多个虚拟机，虚拟机监控器中必须包含一个名为“MMU虚拟化模块”的组成模块，由该模块进行内存管理单元MMU的虚拟化。当前国际上的MMU虚拟化方法都包括以下步骤：

第一步，为虚拟机分配物理内存，即根据用户的配置，将X86计算机的物理内存划分为多块，每一块内存对应一个虚拟机。目前有两种方法实现物理内存分配：第一种方法是借助操作系统提供的内存分配接口分配，例如KVM项目(http://www.linux-kvm.org/)，这种分配方法直接调用操作系统提供的服务，实现简单，但不能保证所分配物理内存的物理地址的连续性；第二种方法是在X86计算机引导时预留出相应的物理内存，例如Xen项目(http://www.xen.org/)，这种方法能够保证预留物理内存的物理地址的连续性，但实现复杂。

第二步，为虚拟机创建E820表。在X86计算机中，并非所有的物理内存都是可用的。例如，物理地址区间0xA0000至0xC0000被保留给显卡的显示缓冲区，从而这部分物理内存是不可用的。为了描述X86计算机的物理内存是否可用，X86计算机定义了所谓的E820表，E820表中记录了每一段物理地址区间对应的物理内存是否可用。当今所有的操作系统都通过查询E820表获得可用内存信息，以保证只使用可用物理内存。

假设在第一步中为某个虚拟机分配的物理内存的物理地址区间是[M，M+N)，则当前国际上MMU虚拟化方法所构建的E820表中将物理地址区间[0，N)标识为可用内存(不考虑其它保留的物理地址区间)。例如，如果为某虚拟机分配256MB物理内存，则不管这些物理内存处于哪个物理地址区间，该虚拟机的E820表中从0开始至256MB的物理地址区间被标识为可用。

第三步，当虚拟机加载新页表时，为其构建影子页表(shadow page table)和反向映射(backmap)。X86体系结构MMU虚拟化的核心是分页(paging)机制，即将机器的物理内存划分为若干个固定大小的内存页(memory page)，再引入虚拟地址(virtual address)的概念，并构造页表(page table)，在页表中记录每个虚拟地址页所对应的内存页的物理地址(physical address)。应用程序使用虚拟地址来访问内存，CPU通过查找页表，将对应的虚拟地址转换为真实的物理地址后完成内存访问。例如，X86体系结构规定的最小页大小是4KB，假设页表中记录的虚拟地址页0x12345000对应的物理地址页是0x00055000，那么虚拟地址0x12345678经该页表转换后的物理地址是0x00055678。