虚拟化介绍

讨论的是计算机领域的虚拟化，我们这样定义虚拟化「虚拟化是将单一物理设备模拟为相互隔离的多个虚拟设备，同时保证这些虚拟设备的高效性」。这个概念的定义里还包含了对虚拟化的要求，也就是这里的隔离性（isolated）和有效性（efficient）。我们常说的hypervisor，有些书也把它称为VMM（virtual machine monitor）则是一个直接运行在物理硬体上的软体，它的功能就是管理物理硬体，以便在不同的虚拟机之间共享这些物理资源（cpu，内存，外设等等），既然hypervisor直接给物理外设打交道，那它当然需要运行在特权模式了，在过去没有virtualization extesion的情况下，guest os和guest application只能都运行在de-privileged模式。

虚拟化的种类

Type-0 Hardware virtualization 硬体虚拟化

最复杂的虚拟化实现技术。可以在宿主系统上创建一个硬体VM 来模拟所想要的硬体。每条指令都必须在底层硬体上进行模拟，因此速度会减慢100 倍甚至1000 倍。但优点是可以在一个ARM 处理器主机上运行为模拟系统 设计的操作系统，而不需要任何修改。 主要应用在硬体开发。

完全虚拟化

Pure virtualization（完全虚拟化）：完全虚拟化要求硬体架构是可虚拟化的（符合经典可虚拟化模型），当trap进入hypervisor后，由hypervisor去模拟敏感指令的执行，这项技术也被称为trap-and-emulate。当一个guest os想要去访问特权资源（物理外设），就会产生一个trap唤醒hypervisor，hypervisor去模拟这个访问，然后返回到guest os的下一条指令去继续执行。可以看出，每一条特权指令都需要很多条指令去模拟，对系统性能有些影响。

  • Type-1 hypervisors直接运行在硬体系统之上，控制和管理硬体系统和客户操作系统。
  • Type-2 hypervisors运行在一个传统的操作系统之上想计算机的一个程序

Type-1 hypervisors Type-2 hypervisors

Paravirtualization 半虚拟化

半虚拟化。是另外一种流行的虚拟化技术，它与完全虚拟化有一些类似。这种方法使用了一个hypervisor 来实现对底层硬体的共享访问，还将与虚拟化有关的代码集成到了操作系统本身中。这种方法不再需要重新编译或捕获特权指令，因为操作系统本身在虚拟化进程中会相互紧密协作 。半虚拟化技术需要为hypervisor 修改客户操作系统，这是它的一个缺点。但是半虚拟化提供了与未经虚拟化的系统相接近的性能，对系统性能和guest os都有影响。

ARM处理器模式和TrustZone

ARM v7包含8种处理器模式（在v8已经变成4种exception level了，从EL0到El3），其中包含1种非特权模式和7种特权模式：

  • 特权模式（privileged）：FIQ、IRQ、supervisor、monitor、abort、undefined、system；
  • 非特权模式（de-privileged）：user。

显然，除了应用程序运行在user模式以外，其他全部运行在特权模式。ARM的virtualization extension需要处理器支持TrustZone extension，我们来看一下TrustZone是什么。TrustZone将处理器的执行状态分为两个世界：

· secure world：用于运行可信软体；

· non-secure world：用于运行不可信软体。

这里的两个世界和处理器模式是重叠的，软体可以在任何模式、任何世界上运行。那么secure world和non-secure world的区别在哪呢？这里的secure又从何而来？是这样的，secure world有自己独有的内存和外设，这部分内容只有运行在secure world的软体可以访问，运行在non-secure world的软体是不可以访问的。这里引入了一个新的处理器模式，monitor mode，它运行在secure world，被用于做双系统（secure and non-secure world）之间的切换，如下图所示。

我们可以基于TrustZone去做虚拟化，因为它能够隔离内存、中断并且确保non-secure world的特权软体也不可能访问或者修改运行在secure world的软体的配置信息。然后这样做的缺陷是，在non-secure world只能运行一个guest os，在secure world运行一个hypervisor。Green Hill的INTEGRITY就是这样做的，感兴趣的读者可以去Google一下。

标准的ARM架构是不符合可虚拟化模型的，有很多敏感指令在非特权模式下执行却不会产生trap。比如CPS指令，这条指令的作用是改变处理器状态，当这条指令在用户态执行时不会产生trap，甚至没有任何效果，可以认为是简单的跳过。即使所有的敏感指令都会产生trap，在ARM架构上用上述的trap-and-emulate技术也是很困难的，因为ARM的敏感指令非常多，只要和特权资源交互的指令都是敏感指令，比如虚拟内存子系统，中断控制子系统和协处理器，用上述方式的话开销太大，对系统性能有很大冲击。比如，arm-v7架构不支持页表访问的虚拟化，那么就需要影子页表，每次访问guest pa都需要trap，同样地，中断控制器也需要被模拟，当中断很频繁的时候（timer tick），这种模拟的开销也是非常大的，为了克服这种种弊端，ARM推出了virtualization extension就是arm-V8。ARM-v8（当前只有A系列，即ARMv8-A）架构，是ARM公司为满足新需求而重新设计的一个架构，是近20年来，ARM架构变动最大的一次。它引入的Execution State、Exception Level、Security State等新特性，已经和我们对旧的ARM架构的认知，有很大差距了。

ARM虚拟化和Intel虚拟化技术的对比如下图所示。

目前市面上主流晶元的介绍

域控制器晶元功率基本都在十几瓦左右，CPU主要是ARM A53/A72、Intel、高通、Nvidia等自由行的CPU架构，这些GPU在主频和系统性能上各有千秋，但在GPU领域主要有IMR、TBR以及TBDR等三种主流架构，选IMR等CPU都比较烫，散热难处理，选TBR都需要对3D建模要优化，不然散热也比较麻烦，选TBDR对好像会好些。恩智浦i.mx系列、Nvidia Tegra的GPU都是使用 IMR架构，后来Nvidia的Maxwell和pascal将GPU的架构改为TBR架构，能力提升的同时功耗下降。高通820/855使用自己的GPU Adreno外加DSP，瑞萨Rcar-H3使用imagination PowerVR GX6650,GPU使用TBDR架构，Intel Apollo lake 和Nvidia使用自己研究的GPU，恩智浦的I.MX8使用 Vivante GC7000系列，CPU架构是IMR架构类型，下面是目前市面几款晶元的性能比较。


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