專利名稱：用于利用具有至少兩個虛擬機(jī)的硬件平臺的資源的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于利用具有至少兩個虛擬機(jī)的硬件平臺的資源的方法，其中在所述硬件平臺上運行用于管理所述虛擬機(jī)的虛擬化控制器，其中所述虛擬機(jī)中的具有第一操作系統(tǒng)的第一虛擬機(jī)單獨地在至少一個第一處理器核心或者第一處理器上運行，并且其中一定數(shù)目的其他虛擬機(jī)在至少一個其他處理器核心或者處理器上運行。本發(fā)明還涉及一種硬件平臺，具有:多個處理器核心或多個處理器；多個虛擬機(jī)；和用于管理所述虛擬機(jī)的虛擬化控制器。
背景技術(shù)：
個人計算機(jī)和類似常用的硬件體系結(jié)構(gòu)也增加地用于實現(xiàn)可編程邏輯控制器、SP所謂的“軟PLC”(PLC=可編程邏輯控制器)。對于所述可編程邏輯控制器通常使用所謂的實時操作系統(tǒng)，即下述操作系統(tǒng)，所述操作系統(tǒng)構(gòu)成或者改變?yōu)槭沟盟霾僮飨到y(tǒng)滿足對于反應(yīng)時間、循環(huán)時間、操作安全性等的高要求。在此，通常應(yīng)用虛擬化技術(shù)，這就是說，虛擬化控制器/虛擬化軟件(虛擬機(jī)管理器、超級監(jiān)督者)用于使實時操作系統(tǒng)在單獨的虛擬運行環(huán)境中運行。如果也將借助相同的硬件平臺完成其他的任務(wù)，則能夠?qū)⒁卜Q作“通用操作系統(tǒng)”的非實時操作系統(tǒng)在其他虛擬機(jī)中并行運行。如果在這種體系結(jié)構(gòu)中兩個操作系統(tǒng)對僅一次性存在的資源(例如網(wǎng)卡、ID控制器等)進(jìn)行訪問，那么對于他們的訪問通過在同步化部件中的超級監(jiān)督者來協(xié)調(diào)。在此，結(jié)構(gòu)通常不能夠變化的非實時操作系統(tǒng)直接地對資源的硬件進(jìn)行訪問，其中所述訪問必須由超級監(jiān)督者來攔截并且必須相應(yīng)地進(jìn)行協(xié)調(diào)，以便能夠“準(zhǔn)并行”于實時操作系統(tǒng)的任務(wù)而執(zhí)行非實時操作系統(tǒng)的任務(wù)。在實時操作系統(tǒng)的方面，原則上能夠完全一樣地進(jìn)行訪問，然而有利的是，不類似于非實時操作系統(tǒng)返回到驅(qū)動器上，而是應(yīng)用半虛擬化驅(qū)動器，這表示，實時操作系統(tǒng)了解其在超級監(jiān)督者控制下的運行，并且與所述超級監(jiān)督者以最佳的方式和方法交互。上面描述的操作方法理想地構(gòu)成為，使得對于資源的等待時間(例如對硬件寄存器的輪詢)并不使實時操作系統(tǒng)在其實時性能方面劣化。特別地，不應(yīng)該在中斷實時操作系統(tǒng)期間在超級監(jiān)督者中經(jīng)過等待時間。盡管如此，在與超級監(jiān)督者交互時保留不可避免的延遲，更確切地說由于隱含的或者編程的跳出(“虛擬機(jī)退出(VmExit)”)到超級監(jiān)督者中(例如通過監(jiān)視所訪問的資源的存儲器地址、IO地址、PCI配置空間等或者通過在半虛擬化技術(shù)方案中的超調(diào)用)而保留不可避免的延遲。所述延遲整體地反映到實時性能中，尤其反映到中斷等待時間中。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是，在訪問共同利用的資源時降低或者避免在實時操作系統(tǒng)方面的性能損害。
該目的的根據(jù)本發(fā)明的解決方案的核心思想是，在沒有設(shè)置實時操作系統(tǒng)的相同的處理器核心或者相同的處理器上運行的虛擬機(jī)中設(shè)有所謂的工作機(jī)，所述工作機(jī)執(zhí)行對資源進(jìn)行的訪問。在此，根據(jù)本發(fā)明，在實時操作系統(tǒng)方面使用半虛擬化的驅(qū)動器，然而所述驅(qū)動器不跳出到虛擬化軟件(虛擬機(jī)管理器，超級監(jiān)督者)中來訪問資源，而是代替于此將相應(yīng)的要求發(fā)往設(shè)置在其他處理器核心或者處理器上的工作機(jī)。由此，總是當(dāng)實時操作系統(tǒng)設(shè)置針對(共同使用的)資源的半虛擬化的任務(wù)時激活工作機(jī)。該目的的解決方案尤其提出一種根據(jù)本發(fā)明的方法和一種根據(jù)本發(fā)明的硬件平臺。在此，提出一種用于利用具有至少兩個虛擬機(jī)的硬件平臺的資源的方法，其中虛擬機(jī)中的具有第一操作系統(tǒng)的第一虛擬機(jī)單獨地在至少一個第一處理器核心或者第一處理器上運行，并且其中一定數(shù)目的(至少一個)其他虛擬機(jī)在至少一個其他處理器核心(Core O)或者處理器上運行。在此，其他虛擬機(jī)中的一個構(gòu)成為工作機(jī)，其中所述工作機(jī)具有用于訪問資源的第一驅(qū)動器，其中第一操作系統(tǒng)具有用于訪問資源的半虛擬化的第二驅(qū)動器，并且其中將用于訪問資源的半虛擬化的第二驅(qū)動器的請求發(fā)往第一驅(qū)動器，其中第一驅(qū)動器將請求轉(zhuǎn)換成對資源的訪問。半虛擬化的第二驅(qū)動器可以以該方式借助工作機(jī)將任務(wù)傳送給處理器核心或處理器，而沒有通過與虛擬化控制器(虛擬機(jī)管理器、超級監(jiān)督者)的交互，例如通過“虛擬機(jī)退出”或者“超調(diào)用”來中斷實時操作系統(tǒng)的處理。此外，該目的的解決方案提出一種具有多個處理器核心或者多個處理器、多個虛擬機(jī)和用于管理所述虛擬機(jī)的虛擬化控制器的硬件平臺。在此，第一虛擬機(jī)具有第一操作系統(tǒng)，其中所述第一虛擬機(jī)單獨地至少在第一處理器核心或者第一處理器上運行。一定數(shù)目的(至少一個)其他虛擬機(jī)在至少一個其他處理器核心或者處理器上運行，其中其他虛擬機(jī)中一個構(gòu)成為工作機(jī)，并且其中所述工作機(jī)具有用于訪問所述資源的第一驅(qū)動器。第一操作系統(tǒng)還具有用于訪問資源的半虛擬化的第二驅(qū)動器，其中半虛擬化的第二驅(qū)動器設(shè)計成使得其請求被發(fā)往第一驅(qū)動器，并且其中第一驅(qū)動器設(shè)計用于將請求轉(zhuǎn)換成對資源的訪問。通過如此設(shè)立的硬件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的方法的有利的擴(kuò)展方案在發(fā)明內(nèi)容和具體實施方式
中描述的實施例中給出。在此描述的特征和優(yōu)點意義上也適用于根據(jù)本發(fā)明的硬件平臺。在此描述的擴(kuò)展方案不僅能夠單獨地實現(xiàn)，而且也能夠彼此自由組合地實現(xiàn)。有利的是，第一操作系統(tǒng)構(gòu)成為實時操作系統(tǒng)，其中這種實時操作系統(tǒng)也在訪問被其他虛擬機(jī)和在那里的操作系統(tǒng)應(yīng)用的資源時沒有在其實時特性方面受到損害。在此，能夠在另一虛擬機(jī)中運行至少一個其他的操作系統(tǒng)、尤其是非實時操作系統(tǒng)(GP0S- “通用操作系統(tǒng)”)，其中具有一個或多個其他的操作系統(tǒng)的其他虛擬機(jī)將在不同于實時操作系統(tǒng)的處理器核心或者處理器上執(zhí)行。在另一有利的擴(kuò)展方案中，也能夠?qū)⒎菍崟r操作系統(tǒng)中的一個用作工作機(jī)，使得除了實時操作系統(tǒng)之外也能夠由硬件平臺執(zhí)行非時間關(guān)鍵的任務(wù)，而沒有必須運行不必要多的虛擬機(jī)。有利地，能夠?qū)⑺^的通用操作系統(tǒng)用作其他的操作系統(tǒng)(非實時操作系統(tǒng))，即例如用于個人計算機(jī)的常用的操作系統(tǒng)，例如MicrosoftWindows、Linux 等。特別地，在應(yīng)用除了訪問硬件資源之外不執(zhí)行其他任務(wù)的單獨的工作機(jī)的情況下，所述工作機(jī)有利地僅在半虛擬化的第二驅(qū)動器的請求期間激活所述工作機(jī)，使得在不必須執(zhí)行或者協(xié)調(diào)資源的訪問的階段中，工作機(jī)也不要求相應(yīng)的處理器或者核心的運算時間等。在尤其有利的擴(kuò)展方案中，在半虛擬化的第二驅(qū)動器的請求期間將處理器間中斷從第一虛擬機(jī)傳輸給帶有工作機(jī)的其他處理器核心或者處理器，由此工作機(jī)跳入到第一驅(qū)動器的處理例程中。由此能夠?qū)崿F(xiàn)，僅在半虛擬化的第二驅(qū)動器請求時激活工作機(jī)，相反地，能夠忽視硬件平臺的其他的中斷。有利的是，啟動信號(Start-Signal)或者初始化信號(Init-Signal)用作處理器間中斷，所述信號根據(jù)本發(fā)明配置成，使得代替虛擬機(jī)的初始化或者重新啟動而進(jìn)行相應(yīng)的第一驅(qū)動器的調(diào)用(“跳入”)。在另一有利的擴(kuò)展方案中，工作機(jī)借助于集成的同步化裝置協(xié)調(diào)第一和其他操作系統(tǒng)對同一資源的訪問。由此，虛擬化控制器相應(yīng)地能夠包含短的執(zhí)行時間。然而，在一個替選的擴(kuò)展方案中，代替于此，當(dāng)借助于集成在虛擬化控制器中的同步化裝置來協(xié)調(diào)第一和第二操作系統(tǒng)對同一資源的訪問時，能夠相當(dāng)?shù)秃馁M地構(gòu)成工作機(jī)。


下面，根據(jù)參考附圖闡明根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例。所述實施例同時用于闡明根據(jù)本發(fā)明的硬件平臺。其中:圖1示意性地示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的方法和裝置的具有兩個虛擬機(jī)的硬件平臺，圖2示出在根據(jù)本發(fā)明的第一擴(kuò)展方案中的具有三個虛擬機(jī)的硬件平臺，和圖3示出在根據(jù)本發(fā)明的第二擴(kuò)展方案中的具有三個虛擬機(jī)的硬件平臺。
具體實施例方式在圖1中示出硬件平臺服，所述硬件平臺包括資源R，并且其中所述資源R將由操作系統(tǒng)RTOS、GPOS應(yīng)用。在硬件平臺HW上安裝虛擬化控制器VMM，其中在第一虛擬機(jī)中運行實時操作系統(tǒng)RT0S,并且在第二其他虛擬機(jī)中運行通用操作系統(tǒng)GP0S。兩個虛擬機(jī)，從而兩個操作系統(tǒng)GPOS、RTOS在分開的處理器核心Core OXore I上運行。操作系統(tǒng)GP0S、RT0S中的每個分別包括用于訪問資源R的驅(qū)動器TRO、TR1，其中訪問Z0、Zl由虛擬化控制器VMM攔截并且借助于同步化部件S協(xié)調(diào)，使得經(jīng)由訪問SZ (同步化的訪問)而最后訪問資源R，并且反之亦然。在從現(xiàn)有技術(shù)中已知的所述變型形式中，僅當(dāng)所述虛擬化控制器是起作用的并且提供用于根據(jù)協(xié)議處理相應(yīng)的請求時，實時操作系統(tǒng)RTOS的驅(qū)動器TRl的訪問Zl才與虛擬化控制器VMM通信。適合于糾正的根據(jù)本發(fā)明的方法步驟下面根據(jù)后續(xù)的附圖來闡明。在圖2中示出具有資源R的從圖1中已知的硬件平臺HW(例如網(wǎng)卡或者IDE控制器)，然而其中在處理器核心Core O上運行兩個虛擬機(jī)(虛擬運行環(huán)境)，其中除了已經(jīng)從圖1中已知的通用操作系統(tǒng)GPOS之外，在另一虛擬機(jī)中運行工作機(jī)RVM (“資源虛擬機(jī)”)。工作機(jī)RVM具有用于訪問資源R的驅(qū)動器TR0，而操作系統(tǒng)GP0S、RT0S同樣具有用于訪問相同資源R的驅(qū)動器TR2、TR1。然而相反于現(xiàn)有技術(shù)中的解決方案，實時操作系統(tǒng)RTOS的驅(qū)動器TRl構(gòu)成為半虛擬化的驅(qū)動器，其中所述驅(qū)動器TRl的訪問Zl和與此相關(guān)的請求(例如通知)被發(fā)往工作機(jī)RVM的驅(qū)動器TRO。有利地，為此，實時操作系統(tǒng)RTOS或者驅(qū)動器TRl觸發(fā)在處理器核心Core O處的處理器間中斷，例如初始化信號或者啟動信號，其中在“消息框”中或者借助其他通信方法存儲關(guān)于所述處理器間中斷將引起到工作機(jī)RVM中的上下文交換且在此引起“跳入”到驅(qū)動器TRO的軟件例程中的信息。因此，處理器間中斷首先導(dǎo)致，處理器核心Core O轉(zhuǎn)化為處理虛擬化控制器VMM，之后虛擬化控制器VMM在評估“消息框”之后觸發(fā)工作機(jī)RVM的調(diào)用(上下文交換)，之后由此也進(jìn)行驅(qū)動器TRO的調(diào)用。通過處理器間中斷的高優(yōu)先級而幾乎無延遲地激活虛擬化控制器，從而由此激活驅(qū)動器TR0，使得訪問Zl的請求能夠幾乎直接地從驅(qū)動器TRl傳輸給驅(qū)動器TR0?，F(xiàn)在，驅(qū)動器TRO將請求由“半虛擬化協(xié)議”轉(zhuǎn)換成(按照標(biāo)準(zhǔn)的)訪問ZO并且將該訪問ZO明確地轉(zhuǎn)發(fā)給虛擬機(jī)VMM,或者該訪問ZO通過虛擬化控制器VMM被攔截。虛擬化控制器VMM的同步化裝置S協(xié)調(diào)訪問ZO與通用操作系統(tǒng)GPOS的可能的其他訪問Z2，并且由此產(chǎn)生用于訪問資源R的同步化的訪問SZ。例如得自于訪問SZ的資源R的通知和數(shù)據(jù)以相反的方式來處理。在圖3中示出類似圖2的裝置，然而其中不同于根據(jù)圖2的裝置，沒有在虛擬化控制器VMM中進(jìn)行訪問Z0、Z2的同步化。代替于此，通過虛擬化控制器VMM的轉(zhuǎn)發(fā)裝置WL將通用操作系統(tǒng)GPOS的訪問ZO轉(zhuǎn)發(fā)給工作機(jī)RVM的驅(qū)動器STR，其中轉(zhuǎn)發(fā)的訪問W在工作機(jī)RVM之內(nèi)與實時操作系統(tǒng)RTOS的訪問Zl同步。這導(dǎo)致:同步化的訪問SZ不必由虛擬化控制器VMM攔截，而是也當(dāng)虛擬化控制器VMM不活動時，能夠由工作機(jī)RVM直接地傳輸給資源R。在另一擴(kuò)展方案中，當(dāng)驅(qū)動器TRO以其他的方式例如直接地將訪問ZO傳輸給工作機(jī)RVM和驅(qū)動器STR時，也能夠取消轉(zhuǎn)發(fā)裝置WL。這符合用于通用操作系統(tǒng)GPOS的半虛擬化的技術(shù)方案。原則上，所描述的方法和裝置的大量的變型形式是可能的。因此能夠?qū)τ诓煌Y源R不僅給出一個，而是還給出多個工作機(jī)RVM (“資源虛擬機(jī)”)的實例。在此，多個實例能夠彼此無關(guān)地“并行”工作，并且甚至分布到不同的處理器核心或者處理器上以運行。同樣，實時操作系統(tǒng)RTOS的同一實例能夠在多個處理器核心上運行；然而這要求下述關(guān)聯(lián):由實時操作系統(tǒng)RTOS的處理器核心中的哪個將訪問Zl提供給了服務(wù)機(jī)RVM。相反地，還能夠在不同的處理器核心 上引入多個實時操作系統(tǒng)RTOS ;這要求下述關(guān)聯(lián):由哪個實時操作系統(tǒng)RTOS和哪個處理器核心Core O、Core 1、……對服務(wù)機(jī)RVM給出任務(wù)(訪問Zl)。能夠考慮多個處理器核心、處理器、實時操作系統(tǒng)RTOS和其他操作系統(tǒng)GPOS的其他合成體。
權(quán)利要求
1.用于利用具有至少兩個虛擬機(jī)的硬件平臺(HW)的資源(R)的方法， 其中在所述硬件平臺(HW)上運行用于管理所述虛擬機(jī)的虛擬化控制器(VMM)， 其中所述虛擬機(jī)中的具有第一操作系統(tǒng)(RTOS)的第一虛擬機(jī)單獨地在至少一個第一處理器核心(Core I)或者第一處理器上運行，并且 其中一定數(shù)目的其他虛擬機(jī)在至少一個其他處理器核心(Core O )或者處理器上運行， 其特征在于， 所述其他虛擬機(jī)中的一個構(gòu)成為工作機(jī)(RVM)，其中所述工作機(jī)(RVM)具有用于對所述資源(R)進(jìn)行訪問的第一驅(qū)動器(TR0)， 所述第一操作系統(tǒng)(RTOS)具有用于對所述資源(R)進(jìn)行訪問的半虛擬化的第二驅(qū)動器(TR1)，并且 用于對所述資源(R)進(jìn)行訪問的所述半虛擬化的第二驅(qū)動器(TRl)的請求被發(fā)往所述第一驅(qū)動器(TR0)，其中所述第一驅(qū)動器(TRO)將所述請求轉(zhuǎn)換成對所述資源(R)的訪問。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 將實時操作系統(tǒng)用作所述第一操作系統(tǒng)(RT0S)。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于， 在所述其他虛擬機(jī)中的一個上運行有至少一個其他操作系統(tǒng)(GP0S)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于， 將通用操作系統(tǒng)用作所述其他操作系統(tǒng)(GP0S)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于， 在所述半虛擬化的第二驅(qū)動器(TRl)的所述請求期間激活所述工作機(jī)(RVM)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于， 在所述半虛擬化的第二驅(qū)動器(TRl)的所述請求期間將處理器間中斷從所述第一虛擬機(jī)傳輸給帶有所述工作機(jī)(RVM)的所述其他處理器核心(Core O)或者處理器，其中所述工作機(jī)(RVM)跳入所述第一驅(qū)動器(TRO)的處理例程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于， 將啟動信號或者初始化信號用作所述處理器間中斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7之一所述的方法，其特征在于， 所述工作機(jī)(RVM)借助于同步化裝置(S)協(xié)調(diào)所述第一操作系統(tǒng)和所述其他操作系統(tǒng)(GPOS)對同一資源的訪問。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至7之一所述的方法，其特征在于， 所述虛擬化控制器(VMM)借助于同步化裝置(S)協(xié)調(diào)所述第一操作系統(tǒng)和所述其他操作系統(tǒng)(GPOS)對同一資源(R)的訪問。
10.硬件平臺(服)，具有:多個處理器核心(CoreO、Core I)或多個處理器；多個虛擬機(jī)；和用于管理所述虛擬機(jī)的虛擬化控制器(VMM)， 其特征在于， 第一虛擬機(jī)具有第一操作系統(tǒng)(RT0S)，其中所述第一虛擬機(jī)單獨地至少在第一處理器核心(Core I)或第一 處理器上運行， 其中一定數(shù)目的其他虛擬機(jī)在至少一個其他處理器核心(Core 0)或者處理器上運行；所述其他虛擬機(jī)中的一個構(gòu)成為工作機(jī)(RVM)； 所述工作機(jī)(RVM)具有用于對所述資源(R)進(jìn)行訪問的第一驅(qū)動器(TRO)； 所述第一操作系統(tǒng)(RTOS)具有用于對所述資源進(jìn)行訪問的半虛擬化的第二驅(qū)動器(TRl);和 所述半虛擬化的第二驅(qū)動器(TRl)設(shè)計成使得其用于對所述資源(R)進(jìn)行訪問的請求被發(fā)往所述第一驅(qū)動器(TR0)，其中所述第一驅(qū)動器(TRO)設(shè)計用于將所述請求轉(zhuǎn)換成對所述資源(R)的 訪問(ZO)。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用具有至少兩個虛擬機(jī)的硬件平臺的資源的方法和裝置，其中在硬件平臺上運行虛擬化控制器以管理虛擬機(jī)，其中具有第一操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)中的第一個單獨地在至少一個第一處理器核心或第一處理器上運行，并且一定數(shù)目的其他虛擬機(jī)在至少一個其他處理器核心或處理器上運行。在此，其他虛擬機(jī)中的一個構(gòu)成工作機(jī)，所述工作機(jī)具有用于訪問資源的第一驅(qū)動器，第一操作系統(tǒng)具有用于訪問資源的半虛擬化的第二驅(qū)動器，并且用于訪問資源的半虛擬化的第二驅(qū)動器的請求發(fā)往第一驅(qū)動器，第一驅(qū)動器將請求轉(zhuǎn)換成對資源的訪問。
文檔編號G06F9/48GK103197949SQ20121036205
公開日2013年7月10日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者奧托·尼塞爾, 哈利勒·恰拉爾·于恩韋爾 申請人:西門子公司