基于Xen的嵌入式虚拟化技术研究

胡雯

摘 要：本文首先介绍了嵌入式虚拟化技术的特点及3个不同的技术类型，着重研究了基于Xen管理程序的嵌入式半虚拟化技术，并进行了基于ARM嵌入式平台的虚拟化操作系统的移植和数据传递的测试实验，为进一步的研究和推广嵌入式虚拟化技术提供有价值的参考。

关键词：嵌入式；虚拟化；Xen

中图分类号：TB317 文献标识码：A

1 序言

虚拟化是一种资源管理技术，其目的是整合计算机的所有软硬件资源，在不受原有计算机资源的环境配置等限制，将计算机的所有软硬件资源重新整合划分，为用户提供更优的架构方式及功能实现。可以理解为，这种集成是将单个物理资源表示为多个可用虚拟资源，也可以使多个物理资源表示为单个虚拟资源可用，甚至多个物理资源可以集成和区分出来的可用虚拟资源。

2 嵌入式虚拟化技术分析

Virtualization虚拟化技术在早期主要应用在服务器和大型机上，随着PC的快速增长，虚拟化已经逐渐应用到x86架构，并得到普及。

虚拟化将IT环境变得更强大，更有弹性和更有活力，虚拟化做到了将多个操作系统集成到单个高性能服务器上，利用硬件平台的资源来支持更多应用程序，或简化IT基础架构，降低难度在资源管理上，并避免不必要的IT基础架构扩展。虚拟机的真正硬件独立性还使虚拟机运行时迁移，允许真正的不间断操作，最大化业务连续性，而不必为购买超高可用性平台支付高昂的价格。

虚拟化技术分为3个类型：模拟虚拟化技术、全虚拟化技术、半虚拟化技术。

2.1 模拟虚拟化技术

这种虚拟化技术只用于某些特定的领域，例如，在一个处理器平台上模拟另一个指令集不同的处理器平台，或在这个平台中的其他处理器平台运行软件，比如在X86平台上模拟ARM嵌入式领域平台，可以使嵌入式平台的软件开发变得容易。与嵌入式平台相比，目前X86平台的硬件资源相对丰富，因此即使仿真会使计算机本身性能严重下降，但嵌入式平台的仿真也具有可用性，该技术适合嵌入式环境低成本，方便快捷的嵌入式软件开发。已开发出的相应模拟器软件有Bochs，QEMU等。

2.2 全虚拟化（Full Virtualization）技术

该技术可理解为基于动态指令的全虚拟化，是一种纯软件虚拟化技术。其特点是当虚拟机管理程序正在执行时，虚拟机操作系统的指令扫描到了二进制代码，会挑选敏感指令并将其转换为其它等效指令，运行等效指令而不是敏感指令。这种方法由于使用软件同步检测和运行的方式实现程序的执行，性能不高，但运行速度要优于模拟虚拟化技术。

2.3 半虚拟化（Para Virtualization）技术

半虚拟化技术也叫基于硬件的半虚拟化技术，主要应用在开源操作系统，如Linux操作系统。其技术特征在于，操作系统要执行的调用及其他特定指令的特权操作或指令修改等，交由下层的虚拟机管理器VMM进行管理，并根据VMM返回信息再进行指令修改等后续操作，并通过系统调用机制主动向虚拟机管理器报告，让虚拟机管理器代替执行。半虚拟化技术因为高性能的VMware ESX，Xen虚拟化平台和KVM虚拟化平台，无需修改操作系统等简单性优势，已被许多虚拟化产品采用。基于此，在嵌入式虚拟化系统中也开始支持和使用半虚拟化技术，加快嵌入式虚拟化的普及。

目前主流的嵌入式处理器芯片都存在有敏感非特权指令，而且不支持硬件辅助完全虚拟化，并且若使用基于软件的全虚拟化又对性能影啊很大，不适合用于嵌入式平台。因此，大家转向寻找更好的解决方案，XEN管理程序的出现，为嵌入式虚拟化技术带来了希望。

3 XEN虚拟化技术

3.1 技术简介

XEN 是英国剑桥大学计算机实验室开发的一个虚拟化开源项目，由于其具有占用资源少、和操作系统完全贴合等优点，很快就被技术人员发现，应用于虚拟化领域和嵌入式虚拟化领域。其特点是基于X86体系结构，并且与开源操作系统能完美结合，支持全虚拟化和半虚拟化。以高性能、占用资源少著称，因此被作为嵌入式虚拟化技术的首选应用方案。

3.2 实验方案

基于Xen的嵌入式半虚拟化实现方案如图1所示，首先在ARM Cortex-A8处理器平台上移植Xen-ARM虚拟化平台，然后将虚拟化后的嵌入式操作系统Linux（编号Domain O）与另一个嵌入式操作系统（编号Domain1）分別作为客户操作系统运行在VMM上，客户机OS或应用程序与VMM直接通过Hypercall（系统调用）实现信息通信，DomainO与Domainl直接通过共享内存来实现数据传递。

3.3 实验过程

（1） 嵌入式系统移植，实验操作如下：

[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）数据通信测试

由Domain0负责发送数据，Domain1通过共享内存获取数据，并设计一个测试程序在Domain1端运行，观察运行时的数据和运行速度，测试获取数据的正确性，以及程序引擎的代码运行速率，以此来检验该虚拟化环境的运行性能。并将该测试搬到PC机上搭建的一个类似的虚拟化环境中进行。测试结果如表1所示，传递数据的数据正确率为100%，读取数据的代码运行速度基本接近于PC机虚拟化环境。由此证明，该嵌入式虚拟化环境的可用性及运行性能都较高，可以作为研究嵌入式虚拟化技术的有价值的参考数据。

4 小结

由于虚拟化技术还在继续发展中，本文选择Xen虚拟化管理工具，完成了嵌入式虚拟化平台的移植，及数据传递等程序测试，并与同等虚拟化环境的PC机程序，做了对比试验，实验结果表明该虚拟化技术在保证数据正确的基础上，基本能够实现OS对硬件的访问及管理。由于硬件环境的限制，本文只选择了2个虚拟化系统实例，并且选用了ARM微处理器平台进行实验。今后将在多虚拟化系统的环境下，对不同嵌入式平台做进一步的研究和测试。

参考文献：

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[2] 郑国晖，肖霏，于弼君.云计算技术发展与应用研究[J].硅谷，2011（10）.

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（本文审稿 李正发）