一種基于硬件的虛擬化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化多核處理器的方案

基于硬件的隊(duì)列管理能在系統(tǒng)的各個(gè)部件之間提供保護(hù)。最基本的故障隔離方式是阻止對(duì)分配給其它應(yīng)用的內(nèi)存與資源帶寬的訪問(wèn)。為了使虛擬化資源對(duì)應(yīng)用完全透明，隊(duì)列和流量管理器必須只對(duì)損壞的應(yīng)用采取行動(dòng)。換句話說(shuō)，必須要將應(yīng)用與其它應(yīng)用的活動(dòng)屏蔽開(kāi)來(lái)，并且要適應(yīng)其它應(yīng)用的故障，以維持穩(wěn)定性。就其特性而言，專用隊(duì)列可隔離故障，防止其它處理器和應(yīng)用受到影響。這類隊(duì)列還有利于有效的錯(cuò)誤恢復(fù)；專用隊(duì)列可以完全地清除錯(cuò)誤，而不會(huì)使其它應(yīng)用的數(shù)據(jù)受到損失。

一個(gè)隊(duì)列與流量管理控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非法資源訪問(wèn)的多級(jí)響應(yīng)。最簡(jiǎn)單的響應(yīng)是阻止訪問(wèn)，并給應(yīng)用生成一個(gè)警報(bào)，通常是通過(guò)一個(gè)中斷。這個(gè)警報(bào)告訴應(yīng)用，它試圖做了一些不應(yīng)做的事。第二種方法是由開(kāi)發(fā)人員記錄下使用的違背情況，幫助在現(xiàn)場(chǎng)查錯(cuò)。隊(duì)列與流量控制器亦必須能夠通過(guò)觸發(fā)一個(gè)復(fù)位，并重新初始化一個(gè)可能損壞的應(yīng)用，逐步升級(jí)其響應(yīng)。理想情況下，開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng)建一個(gè)控制此響應(yīng)的策略。例如，開(kāi)發(fā)人員可以設(shè)定一個(gè)閾值，如果某個(gè)應(yīng)用做了三次非法訪問(wèn)，就認(rèn)為它是一個(gè)已損壞的應(yīng)用，必須重新啟動(dòng)。

6 部分虛擬化

當(dāng)一系列事務(wù)必須依次發(fā)生時(shí)，這種要求就成為了一個(gè)阻塞實(shí)例，因?yàn)槠渌?qǐng)求方必須等待此事務(wù)的完成，然后才能獲得資源的控制權(quán)。考慮一個(gè)典型的SATA（串行先進(jìn)技術(shù)連接）事務(wù)，此時(shí)首先要配置SATA端口，然后執(zhí)行一個(gè)指令序列。與數(shù)據(jù)包都是單個(gè)事件的以太網(wǎng)端口不同，SATA端口必須鎖定給某個(gè)應(yīng)用，直到事務(wù)完成時(shí)為止；否則，兩個(gè)應(yīng)用會(huì)相互覆蓋，致使誰(shuí)也無(wú)法完成自己的任務(wù)。

圖4.（a）硬件實(shí)施的虛擬化在有完全寬帶管理的SOC中也能實(shí)現(xiàn)資源分配

（b）這種方案能夠在整個(gè)系統(tǒng)上高效地共享資源

盡管各個(gè)應(yīng)用無(wú)法完全共享支持這種事務(wù)特性的資源，但對(duì)配額可以做部分虛擬化。首先，等待使用資源的應(yīng)用必須確認(rèn)端口空閑可用，然后在使用期間鎖定端口。對(duì)鎖定的支持要求在操作系統(tǒng)中有一個(gè)薄的軟件層，這樣就能相互通信，看哪個(gè)應(yīng)用擁有對(duì)鎖的控制權(quán)。不過(guò)，硬件的使用可以管理鎖，并加快鎖的獲得速度。必須用硬件實(shí)現(xiàn)鎖的獲取，從而為資源提供一種失效恢復(fù)機(jī)制；或者，也可以用一個(gè)加鎖處理器去鎖定資源。

根據(jù)應(yīng)用情況，系統(tǒng)必須支持可以完全虛擬化的共享資源，以及需要鎖定的共享資源。例如，一片SoC可以提供一個(gè)不共享的SATA端口，但只有一個(gè)處理器可以使用它，而資源的共享必須在軟件中實(shí)現(xiàn)。另外通過(guò)對(duì)可鎖定資源的支持，SoC中的核心仍能夠以一種對(duì)所有應(yīng)用透明的方式，共享資源，具有失效恢復(fù)的可靠性。

多核架構(gòu)的一個(gè)重要方面是易于集成。將多個(gè)處理器做到一只芯片上的能力，需要應(yīng)用軟件的直接遷移；否則，開(kāi)發(fā)人員還不如去設(shè)計(jì)一個(gè)新的系統(tǒng)。

在確定遷移到虛擬化架構(gòu)是否方便時(shí)，必須考慮一系列因素。例如，架構(gòu)必須支持多操作系統(tǒng)，因?yàn)楦鶕?jù)需要支持的應(yīng)用情況，多處理器經(jīng)常會(huì)在多個(gè)核心上使用多個(gè)操作系統(tǒng)。僅支持一個(gè)操作系統(tǒng)的多核架構(gòu)會(huì)使開(kāi)發(fā)人員被迫采用該操作系統(tǒng)，然后將所有代碼移植到它上面。而支持多個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)，一片多核SoC就簡(jiǎn)化了代碼遷移工作。

另外，還需要考慮到QoS問(wèn)題，因?yàn)楦鱾€(gè)應(yīng)用有不同的帶寬需求。延時(shí)敏感型應(yīng)用（如視頻流）需要實(shí)時(shí)訪問(wèn)共享資源，而數(shù)據(jù)型的應(yīng)用（如內(nèi)容下載）可以容忍延遲，充分利用未使用的帶寬。為不同帶寬需求提供服務(wù)的能力使開(kāi)發(fā)人員能夠在相同的處理簇下整合異質(zhì)的應(yīng)用。

還要考慮架構(gòu)是否包含了透明的資源共享，因?yàn)橥该餍阅茏岄_(kāi)發(fā)人員同時(shí)遷移支持虛擬化的應(yīng)用以及不支持虛擬化的應(yīng)用。另外一個(gè)方面是去除軟件虛擬化層。雖然在做SoC之間的移植時(shí)，某些代碼的重寫(xiě)是必要的，但對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)向采用硬件資源共享的SoC時(shí)，大多數(shù)的變動(dòng)并不是修改軟件，而是消除軟件虛擬化層。去掉這一層可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與查錯(cuò)工作，增加了系統(tǒng)的效率。對(duì)于制造商已取得虛擬化代碼許可的情況，去掉此層還可以降低系統(tǒng)成本。

還有一個(gè)要考慮的因素，即架構(gòu)是否整合了系統(tǒng)資源。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)采用多只芯片和操作系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)都有自己的存儲(chǔ)資源。通過(guò)資源的硬件管理，所有任務(wù)都可以共享對(duì)資源的訪問(wèn)。例如，一塊硬盤(pán)或一個(gè)以太網(wǎng)端口可以服務(wù)于整個(gè)系統(tǒng)（甚至跨各個(gè)SoC），而不是像傳統(tǒng)架構(gòu)那樣需要多塊硬盤(pán)。這種方案可節(jié)省設(shè)備成本，降低系統(tǒng)部件的總數(shù)。

SoC之間的通信也很重要。各個(gè)應(yīng)用可以通過(guò)一個(gè)大帶寬系統(tǒng)總線（如PCIe）共享資源，從而實(shí)現(xiàn)了SoC之間的共享。傳統(tǒng)架構(gòu)會(huì)給每個(gè)處理器分配一個(gè)固定帶寬，這種方法限制了各核之間的有效QoS管理，難以超額申請(qǐng)（圖4a）。采用基于硬件的虛擬化時(shí)，即使在SoC之間，資源的分配也是靈活的（圖4b）。通過(guò)速率監(jiān)管、流量整形，以及隊(duì)列仲裁，反映并平衡著每個(gè)處理器與應(yīng)用的需求，從而能夠?qū)崿F(xiàn)全帶寬管理。同樣，這種方案還能夠獲得資源（如一塊硬盤(pán)或一個(gè)安全引擎）在整個(gè)系統(tǒng)上的有效共享，而不僅是一只處理器。

另外還應(yīng)考慮的是處理器之間的通信，因?yàn)槎嗵幚砥飨到y(tǒng)經(jīng)常要在各處理器之間傳輸相當(dāng)多的數(shù)據(jù)。隊(duì)列管理機(jī)制為SoC上各處理器之間以及多個(gè)SoC之間的通信提供了一種簡(jiǎn)單而有效的加速方法。

7 結(jié)語(yǔ)

今天的下一代SoC是復(fù)雜的多處理器環(huán)境，它必須共享片上資源，而不會(huì)帶來(lái)額外開(kāi)銷，降低系統(tǒng)的效率。隊(duì)列管理有助于芯片資源的虛擬化，通過(guò)一種可靠的機(jī)制，分配帶寬、隔離故障，以及促進(jìn)可靠的錯(cuò)誤恢復(fù)，簡(jiǎn)化了資源共享工作。流量管理通過(guò)一種滿足不同應(yīng)用對(duì)延時(shí)和流量需求的方式，控制流量進(jìn)出隊(duì)列的速率，從而確保了系統(tǒng)公平地共享資源。通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的虛擬化，開(kāi)發(fā)人員可以卸載隊(duì)列與流量管理工作，從而增強(qiáng)應(yīng)用的效率、獲得最大的資源吞吐量、減少延時(shí)，增加系統(tǒng)的可靠性。