內存虛擬化方法、裝置及處理器的製造方法
2023-08-02 22:26:46 1
內存虛擬化方法、裝置及處理器的製造方法
【專利摘要】本發明實施例提供一種內存虛擬化方法、裝置及處理器，其中，所述方法包括：創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。採用本發明實施例提供的內存虛擬化方法、裝置及處理器，提高了內存虛擬化的效率。
【專利說明】內存虛擬化方法、裝置及處理器
【技術領域】
[0001]本發明實施例涉及系統虛擬化技術，尤其涉及一種內存虛擬化方法、裝置及處理器。
【背景技術】
[0002]隨著雲計算的應用，系統虛擬化得到了越來越快的發展，越來越多的架構嘗試著增加虛擬化的支持，除了 X86等硬體管理轉換旁視緩衝器(Translation LookasideBuffer,簡稱TLB)架構之外，單字長定點指令平均執行速度(Million Instructions PerSecond，簡稱MIPS)架構、可擴充處理器架構(SPARC)架構等也提出了各自的虛擬化解決方案。
[0003]不同架構的TLB管理主要分為兩種策略，一種是硬體管理TLB，一種是軟體管理TLB。硬體管理TLB指的是硬體中的TLB是程式設計師不可見的。當發生處理器(CPU)訪存查詢TLB未命中時，CPU自動查詢存儲於內存中的頁表，不需要使用額外的異常，不需要執行額外的軟體指令。軟體管理TLB指的是硬體中的TLB是程式設計師可見的，可以用一些指令操作TLB。當發生CPU訪存查詢TLB未命中時，CPU產生異常，由異常處理程序查詢存儲於內存中的頁表，需要執行一系列的軟體指令。
[0004]現有的針對軟體管理TLB架構的CPU的內存虛擬化解決方案主要分為兩種，一種是軟體模擬方法；一種是增加硬體支持方法。其中，軟體模擬方法主要是利用軟體模擬所有的針對TLB相關的操作，常見的方法是利用一個軟體模擬的TLB (可以稱作影子TLB或者客戶TLB)模擬虛擬機中的TLB，虛擬機中所有對TLB的操作都用在影子TLB或客戶TLB上的操作模擬。但是，由於現有的軟體模擬方法，每次TLB操作都需要模擬，造成模擬開銷很大，內存虛擬化效率低。
[0005]現有的硬體支持方法主要是通過在物理CPU中增加額外的TLB或者地址翻譯部件供虛擬機使用，以使得虛擬機的所有TLB操作不用被模擬，而是直接在硬體上執行，從而提高虛擬化效率。但是，現有技術對處理器內部改動較大，代價較大，實現複雜度較高，並且，增加額外的TLB或者地址翻譯部件導致了大量額外的TLB重填或相關異常，降低了內存虛擬化的效率。
【發明內容】
[0006]本發明實施例提供一種內存虛擬化方法、裝置及處理器，以減少對處理器的硬體改動，提高內存虛擬化的效率。
[0007]第一方面，本發明實施例提供一種內存虛擬化方法，其中，所述方法包括:
[0008]創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；
[0009]將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；
[0010]將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；
[0011]將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
[0012]在第一方面的第一種可能的實現方式中，所述將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，包括:
[0013]將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
[0014]在第一方面的第二種可能的實現方式中，所述將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，包括:
[0015]判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
[0016]第二方面，本發明實施例提供一種內存虛擬化裝置，其中，所述內存虛擬化裝置包括:
[0017]創建模塊，用於創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；
[0018]第一陷入模塊，用於將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；
[0019]第二陷入模塊，用於將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；
[0020]第三陷入模塊，用於將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
[0021]在第二方面的第一種可能的實現方式中，所述第一陷入模塊，具體用於將處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
[0022]在第二方面的第二種可能的實現方式中，所述第二陷入模塊，具體用於判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
[0023]第三方面，本發明實施例提供一種處理器，其中，所述處理器包括:
[0024]異常處理模塊，用於將轉換旁視緩衝器TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；其中，所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；
[0025]指令處理模塊，用於將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；
[0026]所述異常處理模塊，還用於將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
[0027]在第三方面的第一種可能的實現方式中，所述異常處理模塊，具體用於將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
[0028]在第三方面的第二種可能的實現方式中，所述指令處理模塊，具體用於判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
[0029]採用本發明實施例提供的內存虛擬化方法、裝置及處理器，通過將所有的TLB重填異常在VMM下處理，其他異常由虛擬機處理；虛擬機的TLB讀/寫操作陷入到VMM中處理；VMM通過影子緩衝緩存所有曾經填入TLB的表項，通過影子緩衝填充TLB，實現內存全虛擬化；相比於現有的軟體模擬方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法由於將所有的TLB操作指令的執行陷入到VMM中處理，因此，消除了絕大部分TLB操作產生的異常，提高了內存虛擬化的效率；相比於現有的硬體支持方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法，由於不需要在處理器中增加額外的TLB和地址翻譯部件等，因此硬體修改較少，而且將所有TLB重填異常的處理陷入到VMM中，消除了絕大部分TLB重填異常，提高了內存虛擬化的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0031]圖1為本發明實施例提供的內存虛擬化方法的流程圖；
[0032]圖2為本發明實施例提供的內存虛擬化裝置的結構示意圖；
[0033]圖3為本發明實施例提供的處理器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0034]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0035]圖1為本發明實施例提供的內存虛擬化方法的流程圖。如圖1所示，所述方法包括:
[0036]101、創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；
[0037]102、將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；
[0038]103、將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；
[0039]104、將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
[0040]具體地，步驟102-104的執行並不限定時間先後順序。
[0041]虛擬機監視器VMM創建一個基於頁表的影子緩衝，VMM通過該影子緩衝緩存所有寫入TLB的表項，並通過該影子緩衝填充TLB。
[0042]處理器的異常處理模塊，將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，由VMM處理；及，將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，由虛擬機對非TLB重填異常進行處理處理；所述非TLB重填異常是指除了 TLB重填異常的其他TLB異常，例如TLB無效異常、TLB修改異常等。可選的，處理器的異常處理模塊將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
[0043]處理器的指令處理模塊，將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，由VMM執行；所述TLB操作指令包括TLB查詢、寫入指令等。可選的，處理器的指令處理模塊判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
[0044]本發明實施例提供的內存虛擬化方法，通過將所有的TLB重填異常在VMM下處理，其他異常由虛擬機處理；虛擬機的TLB讀/寫操作陷入到VMM中處理；VMM通過影子緩衝緩存所有曾經填入TLB的表項，通過影子緩衝填充TLB，實現內存全虛擬化；相比於現有的軟體模擬方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法由於將所有的TLB操作指令的執行陷入到VMM中處理，因此，消除了絕大部分TLB操作產生的異常，提高了內存虛擬化的效率；相比於現有的硬體支持方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法，由於不需要在處理器中增加額外的TLB和地址翻譯部件等，因此硬體修改較少，而且將所有TLB重填異常的處理陷入到VMM中，消除了絕大部分TLB重填異常，提高了內存虛擬化的效率。
[0045]圖2為本發明實施例提供的內存虛擬化裝置的結構示意圖。如圖2所示，本發明實施例提供的內存虛擬化裝置200，包括:
[0046]創建模塊201，用於創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；
[0047]第一陷入模塊202，用於將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；
[0048]第二陷入模塊203，用於將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；
[0049]第三陷入模塊204，用於將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
[0050]本發明實施例提供的內存虛擬化裝置200可以用於執行圖1所示方法實施例的技術方案，其實現原理類似，在此不再贅述。
[0051]採用本發明實施例提供的內存虛擬化裝置200，通過創建模塊201創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；第一陷入模塊202將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；第二陷入模塊203將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；第三陷入模塊204將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理，消除了絕大部分TLB操作產生的異常及絕大部分TLB重填異常，提高了內存虛擬化的效率。
[0052]在上述實施例的基礎上，所述第一陷入模塊202，具體用於將處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
[0053]可選的，所述第二陷入模塊203，具體用於判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
[0054]本發明實施例提供的內存虛擬化裝置，通過將所有的TLB重填異常在VMM下處理，其他異常由虛擬機處理；虛擬機的TLB讀/寫操作陷入到VMM中處理；VMM通過影子緩衝緩存所有曾經填入TLB的表項，通過影子緩衝填充TLB，實現內存全虛擬化；相比於現有的軟體模擬方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法由於將所有的TLB操作指令的執行陷入到VMM中處理，因此，消除了絕大部分TLB操作產生的異常，提高了內存虛擬化的效率；相比於現有的硬體支持方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法，由於不需要在處理器中增加額外的TLB和地址翻譯部件等，因此硬體修改較少，而且將所有TLB重填異常的處理陷入到VMM中，消除了絕大部分TLB重填異常，提高了內存虛擬化的效率。
[0055]圖3為本發明實施例提供的處理器的結構示意圖。如圖3所示，本發明實施例提供的處理器300，包括:
[0056]異常處理模塊301，用於將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；其中，所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項；
[0057]指令處理模塊302，用於將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；
[0058]所述異常處理模塊301，還用於將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
[0059]本發明實施例提供的處理器300可以用於執行圖1所示方法實施例的技術方案，其實現原理類似，在此不再贅述。
[0060]相比於現有的硬體支持方法，上述處理器300不需要在處理器中增加額外的TLB和地址翻譯部件等，只需要通過對現有的異常處理模塊和指令處理模塊進行較少修改，將所有TLB重填異常的處理陷入到VMM中，以消除絕大部分TLB重填異常，提高了內存虛擬化的效率。
[0061]在上述實施例的基礎上，所述異常處理模塊301，具體用於將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
[0062]可選的，所述指令處理模塊302具體用於判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
[0063]本發明實施例提供的處理器，通過將所有的TLB重填異常在VMM下處理，其他異常由虛擬機處理；虛擬機的TLB讀/寫操作陷入到VMM中處理；VMM通過影子緩衝緩存所有曾經填入TLB的表項，通過影子緩衝填充TLB，實現內存全虛擬化；相比於現有的軟體模擬方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法由於將所有的TLB操作指令的執行陷入到VMM中處理，因此，消除了絕大部分TLB操作產生的異常，提高了內存虛擬化的效率；相比於現有的硬體支持方法，本發明實施例提供的內存虛擬化方法，由於不需要在處理器中增加額外的TLB和地址翻譯部件等，因此硬體修改較少，而且將所有TLB重填異常的處理陷入到VMM中，消除了絕大部分TLB重填異常，提高了內存虛擬化的效率。
[0064]在本發明所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特徵可以忽略，或不執行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。
[0065]所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。
[0066]另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以採用硬體的形式實現，也可以採用硬體加軟體功能單元的形式實現。
[0067]上述以軟體功能單元的形式實現的集成的單元，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。上述軟體功能單元存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)或處理器(processor)執行本發明各個實施例所述方法的部分步驟。而前述的存儲介質包括:U盤、移動硬碟、只讀存儲器(Read-Only Memory, ROM)、隨機存取存儲器(Random Access Memory, RAM)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0068]本領域技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，僅以上述各功能模塊的劃分進行舉例說明，實際應用中，可以根據需要而將上述功能分配由不同的功能模塊完成，即將裝置的內部結構劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的裝置的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
[0069]最後應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。
【權利要求】
1.一種內存虛擬化方法，其特徵在於，包括: 創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項； 將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理； 將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令； 將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，包括: 將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，包括: 判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態 切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
4.一種內存虛擬化裝置，其特徵在於，包括: 創建模塊，用於創建基於頁表的影子緩衝；所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項； 第一陷入模塊，用於將TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢所述影子緩衝，對TLB重填異常進行處理； 第二陷入模塊，用於將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令； 第三陷入模塊，用於將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
5.根據權利要求4所述的內存虛擬化裝置，其特徵在於， 所述第一陷入模塊，具體用於將處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
6.根據權利要求4所述的內存虛擬化裝置，其特徵在於， 所述第二陷入模塊，具體用於判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
7.—種處理器，其特徵在於，包括: 異常處理模塊，用於將轉換旁視緩衝器TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態，以使虛擬機監視器VMM通過查詢影子緩衝，對TLB重填異常進行處理；其中，所述影子緩衝用於緩衝寫入轉換旁視緩衝器TLB的表項； 指令處理模塊，用於將TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態，以使所述VMM在所述影子緩衝上執行TLB操作指令；所述異常處理模塊，還用於將非TLB重填異常的處理陷入到客戶模式核心態，以使虛擬機對非TLB重填異常進行處理。
8.根據權利要求7所述的處理器，其特徵在於， 所述異常處理模塊，具體用於將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB重填異常的處理陷入到根模式核心態。
9.根據權利要求7所述的處理器，其特徵在於， 所述指令處理模塊，具體用於判斷所述TLB操作指令的類型；若判定所述TLB操作指令的類型為讀或寫，則將所述處理器的狀態寄存器的模式從客戶模式核心態切換到根模式核心態，以將所述TLB操作指令的執行陷入到根模式核心態。
【文檔編號】G06F12/10GK104050016SQ201410302613
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2014年6月27日
【發明者】臺運方, 蔡萬偉, 劉奇 申請人:龍芯中科技術有限公司