賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 上的 Xen 管理程序教程

通過這篇有趣的教程，熟悉運(yùn)行在賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 上的 Xen 管理程序。

賽靈思和 DornerWorks 的系統(tǒng)軟件團(tuán)隊(duì)在賽靈思的 Zynq? Ultrascale+? MPSoC 上啟動 Xen Project 管理程序時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)可通過運(yùn)行當(dāng)年叱詫一時(shí)的流行電子游戲 Doom 來演示和測試系統(tǒng)。

神馬？！你不知道 DOOM？？

如何針對 Zynq UltraScale+ MPSoC 通過 QEMU 在 Xen 上運(yùn)行 Doom 呢，在詳細(xì)介紹具體步驟之前，我們先來了解什么是管理程序，以及它們?nèi)绾闻c Zynq UltraScale+ MPSoC 上的處理器協(xié)同工作。

管理程序及其工作原理

管理程序是一種可虛擬化處理器的計(jì)算機(jī)程序。運(yùn)行在虛擬化處理器上的應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)似乎完全擁有系統(tǒng)，但事實(shí)上管理程序負(fù)責(zé)管理虛擬處理器對物理機(jī)資源（例如存儲器和處理內(nèi)核）的訪問。管理程序之所以流行，是因?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分區(qū)以及系統(tǒng)上運(yùn)行的獨(dú)立軟件元素之間的隔離。

為了支持虛擬化，物理處理器必須提供一個(gè)供管理程序運(yùn)行的特殊“模式”。因此，介紹處理器模式有助于理解管理程序如何完成處理器魔法。

所有處理器都有一些指令，這些指令可操作寄存器中存儲的值，并可讀寫存儲器。處理器的模式是指令和寄存器的集合，以及利用指令訪問寄存器和存儲器時(shí)要遵守的規(guī)則。為了便于解釋，我們以通用處理器為例來介紹，并使用與結(jié)構(gòu)無關(guān)的術(shù)語。在這個(gè)實(shí)例中，處理器具有特定的寄存器、指令和模式。寄存器包括 RegisterA、RegisterB、RegisterC、UserProgramCounter、Register-Super 和 SuperProgramCounter。指令包括以下內(nèi)容。

ADD Register3 Register1 Register2 將 Register1 與 Register2 相加，并把結(jié)果存入 Register3，即 Register3 = Register1 + Register2。

MOVTO Register2 Register1 將 Register1 中地址所指向的存儲器內(nèi)容移動到 Register2。

MOVFROM Register2 Register1 將 Register1 的內(nèi)容移動到 Register2 中地址所指向的存儲器。

ENTERSUPER 進(jìn)入處理器的 SUPER 模式。

EXITSUPER 退出 SUPER 模式并進(jìn)入 USER 模式。

在 USER 模式下，處理器的指令的功能受到限制。本例中，指令可對除 RegisterSuper 和 SuperProgramCounter 以外的所有寄存器進(jìn)行讀和寫操作，處理器可執(zhí)行除 EXITSUPER 以外的所有指令。

此外，在 USER 模式下，所有指令只能讀和寫一部分存儲器，例如從地址 0x0000_0100 到 0x0FFF_FFFF。在 USER 模式下，如果程序嘗試執(zhí)行不應(yīng)該執(zhí)行的指令，或者訪問無權(quán)訪問的寄存器或存儲器位置，那么處理器將暫停出錯(cuò)指令 （offending instruction）。

SUPER 模式下，處理器的指令可以讀/寫上述所有寄存器，包括 RegisterSuper 和 SuperProgramCounter。以上所列的所有指令，包括 EXITSUPER，都可以執(zhí)行，另外，附加的指令 ENTERHYPER 也可執(zhí)行。此外，在 SUPER 模式下，指令可以訪問系統(tǒng)中的全部存儲器（從 0x0000_0000 到 0x7FFF_ FFFF）。

采用帶模式的處理器，使我們可以利用設(shè)計(jì)分區(qū)來更簡單地解決軟件工程設(shè)計(jì)問題。以上實(shí)例中，只有一種方法進(jìn)入 SUPER 模式：執(zhí)行 ENTERSUPER 指令。同樣，只有一種方法退出 SUPER 模式：執(zhí)行 EXITSUPER。此外，在 USER 模式下程序只能訪問機(jī)器的部分存儲器。有了這種方案，我們可編寫一個(gè)程序讓處理器同時(shí)運(yùn)行多個(gè) USER 模式程序。這個(gè)“操作系統(tǒng)”（OS） 程序運(yùn)行在 SUPER 模式，并管理在 USER 模式中運(yùn)行的程序。

當(dāng) OS 運(yùn)行時(shí)，會查看需要運(yùn)行的所有 USER 模式程序，選擇一個(gè)運(yùn)行，然后使用 EXITSUPER 這樣的指令通知處理器切換到 USER 模式以運(yùn)行程序。所選的程序會一直運(yùn)行，直到有事件導(dǎo)致處理器切回 SUPER 模式。這類事件可以是來自 USER 模式程序的 ENTERSUPER 指令，或外部事件，例如定時(shí)器，它可以不提醒正在 USER 模式下運(yùn)行的程序?qū)⑻幚砥髑袚Q到 SUPER 模式。無論切換如何發(fā)生，每當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，我們都可構(gòu)建 OS 以根據(jù)相應(yīng)策略相繼選擇和運(yùn)行程序。當(dāng)切換快速進(jìn)行時(shí)，用戶認(rèn)為 USER 程序同時(shí)運(yùn)行。

USER HYPER 模式的用處是讓很多 SUPER 程序運(yùn)行。SUPER 模式下的每個(gè)程序都可以是 OS；這些 OS 本身會讓很多 USER 程序并行運(yùn)行。

SUPER 處理器模式還能防止 USER 程序干擾運(yùn)行在 SUPER 模式的程序或其他 USER 模式程序。USER 模式程序的任何錯(cuò)誤或違規(guī)都可被控制在該程序自身的實(shí)例中，不會破壞或干擾為 SUPER 模式操作保留的系統(tǒng)存儲器和寄存器。