2011/06/14 一種基于硬件的虛擬化設計簡(jiǎn)化多核處理器的方案

片上資源的虛擬化使各個(gè)核心能夠共享訪(fǎng)問(wèn)權；這種共享的訪(fǎng)問(wèn)權對應用是透明的。每個(gè)應用都可以把一個(gè)資源看作像自己獨有一樣，而一個(gè)虛擬化管理器用于匯總共享的所有權（由所分配的帶寬量所測定）。對資源的虛擬訪(fǎng)問(wèn)和共享訪(fǎng)問(wèn)都需要一個(gè)隊列管理器和一個(gè)流量管理器。各應用使用一個(gè)或多個(gè)隊列，緩存對某個(gè)資源的訪(fǎng)問(wèn)。虛擬化為隊列增加事件或事務(wù)，當資源可用時(shí)將它們從隊列中拉出。隊列包含了一個(gè)指向緩沖區中數據的緩存描述符（buffer descriptor），并且實(shí)現隊列可以有多種方式，具體取決于應用的需求。一只SoC所支持的隊列數是不定的，從數百個(gè)到數萬(wàn)個(gè)，可滿(mǎn)足各種應用的需求。

隊列管理器可刷新隊列的狀態(tài)，即：隊列大小、頭指針、尾指針，以及起始地址，并且維護填充水平與閾值，包括全滿(mǎn)（full）、將滿(mǎn)（almoST full）、將空（almost empty）和全空（empty）。隊列管理器還為每個(gè)隊列提供完全的內存管理，包括空閑池的緩沖分配與回收，以及當某個(gè)隊列中增加事件時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)權檢查（圖2）。多個(gè)請求者可以同時(shí)為一個(gè)或多個(gè)隊列增加描述符，也能在等待某項服務(wù)的多個(gè)隊列中做出選擇。

對于指向相同資源的多個(gè)隊列，管理器作為可用帶寬的仲裁器。此任務(wù)不僅是在共享某個(gè)資源的各應用之間，也包括一個(gè)應用可能必須使能QoS（服務(wù)質(zhì)量）的多個(gè)隊列之間。

流量管理采用監管與整形機制，測量并控制指定給某個(gè)流或一組流的帶寬數。監管機制用于控制流量管理器為某個(gè)隊列增加事件的速率，而整形機制則是流量管理器從隊列中去除事件的速率。為了獲得最佳的控制，以及管理隊列優(yōu)先權的能力，必須在每個(gè)隊列基礎上實(shí)現監管與整形。流量管理器亦根據一個(gè)預設的服務(wù)算法，將多個(gè)隊列映射到單一的共享資源。

有了隊列和流量管理，就可以提供可靠的端至端QoS。這種方案允許多個(gè)路徑共享一個(gè)資源，而不會(huì )對帶寬的預訂產(chǎn)生負面影響。精細粒度QoS支持SLA（服務(wù)水平協(xié)議），保證了在每個(gè)流量基礎上的最小、平均和最大帶寬。開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現隊列水平的流量標記與度量，以防止出現擁塞。擁塞的早期通知使隊列管理器能夠采用正確的措施，通過(guò)向流量資源的反饋，去除對可能丟棄數據包的不必要處理，或理想情況下，能完全避免擁塞。
舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)基于隊列與流量管理的以太網(wǎng)驅動(dòng)程序能防止任何一個(gè)處理器不公平地獨占端口帶寬。它還能確保帶寬分配以及最大的延時(shí)約束，而與其它隊列狀態(tài)無(wú)關(guān)。驅動(dòng)程序支持對仲裁方法的選擇（例如：嚴格優(yōu)先級或帶權重的輪叫），有助于實(shí)現可靠的實(shí)時(shí)服務(wù)，如視頻流。最后，多個(gè)資源還可以共享以太網(wǎng)端口，而不會(huì )對帶寬預訂產(chǎn)生負面影響。像IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）轉發(fā)這類(lèi)任務(wù)很容易可靠地實(shí)現，而對延時(shí)敏感的應用（如音視頻的發(fā)送）則受益于確定且可靠的端口管理。另外，當用硬件實(shí)現了隊列和流量管理時(shí)，驅動(dòng)程序幾乎無(wú)需軟件開(kāi)銷(xiāo)，就可以維持端至端的QoS。

2 虛擬化層

早期的多核SoC與初期的網(wǎng)絡(luò )處理器類(lèi)似，都將虛擬化資源的全部工作留給了開(kāi)發(fā)人員。應用在某種程度上必須判斷出自己在與其它應用共享某個(gè)資源。當一個(gè)應用使用某個(gè)共享資源時(shí)，它必須以某種與其它應用共存的方式這樣做。操作系統也需要支持虛擬化。

圖2.基于硬件的虛擬化卸下了應用處理器的隊列管理負擔，包括刷新隊列狀態(tài)，維持填充水平和閾值，分配與重新分配緩沖區，以及當應用要訪(fǎng)問(wèn)某隊列時(shí)，確認其訪(fǎng)問(wèn)權限。