虛擬化層 - 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

　　2 虛擬化層

　　早期的多核SoC與初期的網(wǎng)絡(luò)處理器類似，都將虛擬化資源的全部工作留給了開發(fā)人員。應(yīng)用在某種程度上必須判斷出自己在與其它應(yīng)用共享某個(gè)資源。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用使用某個(gè)共享資源時(shí)，它必須以某種與其它應(yīng)用共存的方式這樣做。操作系統(tǒng)也需要支持虛擬化。

　　圖2.基于硬件的虛擬化卸下了應(yīng)用處理器的隊(duì)列管理負(fù)擔(dān)，包括刷新隊(duì)列狀態(tài)，維持填充水平和閾值，分配與重新分配緩沖區(qū)，以及當(dāng)應(yīng)用要訪問某隊(duì)列時(shí)，確認(rèn)其訪問權(quán)限。

　　在一個(gè)傳統(tǒng)架構(gòu)中，處理器通過一個(gè)軟件層，管理著自己對(duì)共享資源的訪問（圖3a）。處理器必須知道哪個(gè)資源是可用的，以及自己可以使用它們的頻率。隨著處理數(shù)量的增加，資源共享的復(fù)雜性也在增長(zhǎng)?；谲浖摂M化的一個(gè)缺點(diǎn)在于，它為數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)以及接下來(lái)數(shù)據(jù)包獲取的每個(gè)事務(wù)都引入了一個(gè)開銷。這種開銷消耗了處理器周期，為代碼處理帶來(lái)了復(fù)雜性。它還給虛擬化軟件帶來(lái)了帶寬管理和滿足預(yù)訂保證的負(fù)擔(dān)。即使通過工具實(shí)現(xiàn)了虛擬化代碼的自動(dòng)化創(chuàng)建，開發(fā)者仍然必須在應(yīng)用交互通過虛擬化代碼時(shí)，進(jìn)行查錯(cuò)調(diào)試。

　　圖3.（a）隨著處理器數(shù)量的增長(zhǎng)，資源共享的復(fù)雜性與開銷也在增加

　?。╞）除卸載了隊(duì)列與流量管理工作以外，資源共享變得對(duì)應(yīng)用透明

　　2.1 虛擬化增加了開銷和復(fù)雜性，限制了多核SoC的使用

　　不過，隊(duì)列和流量管理是一個(gè)相當(dāng)確定性的過程，可以采用硬件實(shí)現(xiàn)。開發(fā)人員為某個(gè)應(yīng)用配置一次隊(duì)列，然后硬件機(jī)制就可以完整地卸下隊(duì)列管理負(fù)載，因此將相當(dāng)多的計(jì)算周期還給了應(yīng)用處理器。動(dòng)態(tài)改變分配的能力使得可以在運(yùn)行時(shí)修改配置，以適應(yīng)不斷變化的工作負(fù)載。

　　在一個(gè)采用基于硬件的隊(duì)列與同步機(jī)制的架構(gòu)中，每個(gè)處理器都獨(dú)立于其它處理器而運(yùn)行（圖3b）。通過資源的虛擬化，共享就對(duì)應(yīng)用透明了。機(jī)制會(huì)分配每個(gè)處理器和每個(gè)任務(wù)的資源帶寬，而每個(gè)處理器和任務(wù)運(yùn)行時(shí)則像是資源唯一控制方。盡管不同應(yīng)用實(shí)現(xiàn)隊(duì)列和流量管理的粒度并不相同，但基于硬件的資源虛擬化與共享能顯著提高系統(tǒng)的效率。

　　2.2 基于硬件的虛擬化層去除或加快了軟件虛擬化層

　　虛擬化的卸載顯著增加了處理器的效率。在某些情況下，基于硬件的虛擬化完全不需要基于軟件的虛擬化，除了在初始配置期間。還有一些情況下，基于硬件的隊(duì)列與流量管理大大加快了數(shù)據(jù)路徑中虛擬化軟件的速度。

　　2.3 基于硬件的虛擬化層還降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，加快了開發(fā)進(jìn)度

　　因?yàn)樗恍枰_發(fā)人員圍繞虛擬化層作實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。這種方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，加快了上市時(shí)間。

　　2.4 基于硬件的虛擬化層還提高了確定性

　　由于沒有了虛擬化開銷，就減少了系統(tǒng)中斷的重要來(lái)源。于是降低了處理延時(shí)，增加了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

　　這種方案的另一個(gè)好處是簡(jiǎn)化了調(diào)試工作。由于虛擬化和資源共享都是硬件功能，虛擬化層本身就不是開發(fā)過程的一部分。但如調(diào)試有要求，開發(fā)人員仍然擁有對(duì)隊(duì)列的完全訪問和控制能力。基于硬件的虛擬化層還增加了可靠性，因?yàn)橛布?shí)現(xiàn)的隊(duì)列和流量管理不易受很多在軟件實(shí)現(xiàn)中容易出現(xiàn)的問題的影響。例如，如果基于軟件的代碼處理虛擬化有所折衷，則整個(gè)系統(tǒng)就很脆弱。采用基于硬件的實(shí)現(xiàn)時(shí)，就不存在有受損危險(xiǎn)的中心化控制例程。