关于以ARMv7-A架构为研究对象的虚拟存储系统技术研究过程全解.doc
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1、关于以ARMv7-A架构为研究对象的虚拟存储系统技术研究过程全解0 引言随着微电子技术和计算机技术的发展,嵌入式设备的性能越来越高,功能越来越复杂,机载电子设备的复杂程度也越来越高,需要有更多的传感器,集成更多的信号处理模块和其他各种应用模块。电子设备综合化将多个功能单元集成到一块电路板上,以减少设备的尺寸、重量,实现低功耗、体积小、低成本、高集成度等目标。新型嵌入式设备采用高性能通用处理器,综合化的机载设备则支持不同安全关键级别的应用软件共享同一套硬件资源,并提供一种安全性机制保证应用程序之间互相隔离,这就要求系统不仅应具备高性能计算能力和扩展能力,还有具备安全、可靠、低成本和低功耗的特点。
2、通常,在航空航天领域的嵌入式设备较多采用PowerPC系列处理器或DSP等微处理器,但随着ARM处理器架构的升级,除性能越来越强悍外, 在内核中实现了一些额外增加的扩展,其中安全扩展、虚拟化扩展技术以满足嵌入式设备对安全性和可靠性的技术要求,并以其强大的计算能力和高度集成的硬件设计为航电电子产品的研制带来更多可能性。本文以ARMV7A中的虚拟存储系统架构(VMSA)为研究对象,对引入安全扩展、虚拟化扩展、大物理地址扩展(LPAE)后VMSA架构的MMU技术实现进行了解析,并对基于该处理器的虚拟化应用进行研究与展望。1 VMSA简介1.1 VMSA存储管理简介ARM处理器进行存储访问时的地址转换
3、为映射一个地址到另外一个地址的过程,如映射VA到IPA,或映射VA到PA。在ARMv7体系结构中,共定义了两种存储管理体系架构,其中对于ARMv7-A架构系列,使用VMSA存储架构,而对于ARMv7-R系列,则使用PMSA(Protected Memory System Architecture)。ARMv7通过转换表定义地址转换的机制,转换表基地址寄存器表示了转换表的开始位置。使用系统控制协处理器进行存储管理,实现虚拟存储空间到物理存储空间的映射、及存储空间访问权限、缓冲特性的分配,其实现方式主要是通过内存中的页表描述符,在系统控制协处理器中保存该页表的基地址,当MMU使能时,处理器发起的所
4、有访问操作均需通过MMU,地址转换过程如图1所示。在VMSAv7中,包括安全扩展、多处理器扩展、大物理地址扩展、以及虚拟化扩展等扩展。在引入这些扩展的VMSA中,将处理器模式划分为两部分:安全态(Secure State)和非安全态(Non-Secure State),处理器内核可在普通区域和安全区域中执行代码,并在安全模式下增加了一种处理器状态:监控模式(Monitor Mode),可在监控模式进行安全态或非安全态的切换。在包含虚拟化扩展的实现中,处理器的特权被分为3个级别,分别为PL0、PL1以及PL2,如图2所示。在复杂系统中要求安全性、稳定性和高度可配置性的电子系统都需要这种嵌入式虚拟
5、机技术,航空电子也需要利用虚拟机监控程序来隔离程度,提高可靠性。1.2 扩展VMSA的地址转换机制在扩展的VMSAv7中,包含虚拟化扩展必包括大物理地址扩展(LPAE)以支持40位物理地址,此时支持两个阶段地址转换。在安全状态或非安全的PL2只支持一阶段的地址转换;在非安全状态,程序执行在PL1 或PL0时,可达到两个阶段的地址转换, 如图3所示为不同状态下地址转换机制及完成转换使用的寄存器。客户操作系统使用虚拟地址,通过操作系统提供的页表将虚拟地址转换为中间物理地址(IPA)完成第一阶段的转换,再将IPA地址使用第二阶段页表才能转换为真正的物理地址,第二阶段地址转换过程及页表对客户操作系统是
6、不可见的,由虚拟机管理器控制。2 VMSA扩展功能研究2.1 大物理地址扩展的地址转换在包含大物理地址扩展的ARMv7 VMSA实现中,存在两种格式的描述符,即32位的短描述符表格式和64位的长描述符表格式,如表1所示。2.2 虚拟化扩展后的地址转换虚拟化技术是嵌入式系统的最新发展方向之一,通过虚拟化技术可以使得同一处理器执行多个虚拟机(Virtual Machine,VM), 允许多个操作系统存于同一硬件平台,并具有系统安全防护的特性。ARM 处理器的ARMv7和ARMv8架构引入了硬件虚拟化扩展,硬件辅助的全虚拟化解决方案使得 ARM 平台上的虚拟机性能得到了显著的提高,可通过虚拟机管理程
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