[发明专利]基于微内核机制的嵌入式虚拟化系统实现方法

说明书

本发明公开了一种基于微内核机制的嵌入式虚拟化系统实现方法，对嵌入式设备的虚拟化资源进行分区，每个资源分区包括若干CPU，每个资源分区组作为一个独立的执行环境去执行一个客户机操作系统内核，在进行客户机引导时，将各个客户机操作系统内核映像加载至对应的客户机资源分区，并通过基于微内核的权限访问控制对虚拟系统资源进行分区访问控制，令虚拟机管理程序和所要引导的客户机根据所配置权限对客户机资源分区内的资源进行协作控制，然后在客户机运行过程中基于rpmsg实现客户机跨核通信。本发明采用非对称处理器架构和微内核权限访问控制机制，保障各操作系统的隔离性与安全性，并在多个客户机之间以rpmsg框架实现了跨核通信。

技术领域

本发明属于ARM架构虚拟化技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于微内核机制的嵌入式虚拟化系统实现方法。

背景技术

在嵌入式软硬件高速发展的当下，嵌入式系统产品深入我们生活中的方方面面，在手机、车载电子、工业控制等等领域都应用了嵌入式系统及设备。一方面，伴随着嵌入式硬件架构的不断升级，嵌入式系统在今天要求具备有高性能、实时性、采取微内核架构等等特性。另一方面，随着需求不断的深入，复杂的使用场景出现的越来越频繁，往往运行于通用操作系统和运行于实时操作系统的应用间还存在着协同工作。这类的情况的产生，让虚拟化技术从上世纪六十年代诞生至今一直都是行业的重要研究方向之一。

嵌入式虚拟化技术对硬件资源利用率问题更加关注，也对系统性能的要求也要比普通PC更高，特别是实时性、可靠性、安全性这些方面。这些特性表明了在嵌入式设备上不能运行过于复杂的虚拟机软件，例如在windows上广泛运用的VMware就并不适用于嵌入式系统。虚拟化技术在云计算、服务器虚拟化等领域广泛应用且越来越成熟的同时，传统的虚拟化技术却并不适用于嵌入式。

在软件架构层面，考虑到使用性能，半虚拟化的解决方案最先有所突破，在功能丰富的主体操作系统上运行需要更改系统内核，通过这种方式得以实现嵌入式虚拟化。但是半虚拟化的方案中客户操作系统集成了虚拟化方面的代码，导致难以适用于多变的嵌入式环境，业内也在对其软件架构进行不断的优化。在嵌入式软件架构不断革新的同时，嵌入式硬件体系架构的升级也对嵌入式虚拟化技术的发展提供了助力。得益于ARM等CPU厂商对虚拟化的支持越来越丰富，并且伴随着需求的驱动，全虚拟化有了逐步取代半虚拟化的趋势。

在上述背景下，如何在底层嵌入式硬件上创建独立、隔离的分区，运行多个操作系统内核，这一课题有着巨大的研究价值。在研究该课题的同时，保证内核的精简和高效，提升安全性和可移植性，也成为了嵌入式系统研究者的迫切问题之一。

现有的嵌入式虚拟化解决方案中，比较主流的架构有两类，一种方法如KVM架构，其深耕于Linux生态环境中，本质上就是托管在Linux系统内核中的一个功能组件。这类虚拟化极大程度的利用Linux的各种服务，包括任务调度、内存资源分配等核心功能。与Linux内核共同向上提供虚拟机需要的运行环境。另一种方法的典型架构如Xen，虽然其本身无需宿主机支持的，但其在客户机中必须存在特权域，而其他客户机所需的大部分操作系统功能需求由特权域Dom0的内核(大多为Linux)来提供，它能够访问所有硬件资源并以此为其他客户机提供完善的功能服务。这两种方法共同的局限和缺陷相似，都过多地依赖Linux丰富的组件生态环境，一旦脱离Linux则无法支持虚拟化系统中客户机的正常运行。在普通客户机内核在引导上也都需要Linux组件的支持，都具有很大的局限性。并且在嵌入式领域，支撑软件的大小也会造成一定的限制，在某些应用领域中Linux内核并不能够满足其精简、高效、安全性和可移植性的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微内核机制的嵌入式虚拟化系统实现方法，采用非对称处理器架构和微内核权限访问控制机制，保障各操作系统的隔离性与安全性，解决处理器资源的隔离访问，并在多个客户机之间以rpmsg框架实现了跨核通信。

为实现上述发明目的，本发明基于微内核机制的嵌入式虚拟化系统实现方法包括以下步骤：