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基于IntelVT硬件虚拟机内核的深度剖析与实践构建

一、引言

1.1研究背景与意义

随着计算机技术的飞速发展，硬件资源不断丰富，性能持续提升，虚拟化技术在计算机领域的应用日益广泛。从最初仅用于服务器领域，到如今随着硬件辅助虚拟化技术如IntelVT、AMDSVM等的出现，虚拟化技术逐步向个人计算机应用拓展，企业也越来越热衷于利用虚拟化技术进行计算资源整合，以节约管理成本并增强服务可靠性。

虚拟化技术的发展历程丰富多样。早在19世纪60年代，美国就出现了由IBM开发的第一个虚拟化系统CP-40Mainframes系统，虽然仅在实验室使用，却为后续的虚拟化技术发展奠定了基础。1987年，InsigniaSolutions演示的SoftPC软件模拟器，允许用户在UnixWorkstations上运行DOS应用，降低了使用成本。1997年，苹果开发了VirtualPC，后被Connectix收购。1998年，VMware诞生，并于1999年开始销售VMwareworkstation桌面版虚拟机。2001年，VMware又发行了ESX和GSX，也就是现在常用的ESX-i的前身。2003年，Connectix被微软收购，推出MicrosoftVirualPC，同年VMware被EMC收购，开源的虚拟化项目Xen启动，并在2007年被Citrix收购。

虚拟化技术可分为硬件级虚拟化和操作系统级虚拟化。硬件级虚拟化运行在硬件之上，管理软件通常为hypervisor或者virtualmachinemonitor，需要模拟完整的操作系统，像VMware、Xen、VirtualBox，以及亚马逊AWS和阿里云都采用这种技术；操作系统级虚拟化运行在操作系统之上，模拟运行在操作系统上的多个不同进程，并将其封装在密闭容器里，Docker就是容器虚拟化中目前最流行的一种实现。硬件虚拟化的发展从早期采用模拟软件技术模拟计算机硬件和软件，到后来虚拟机监控器直接运行在硬件上，变得更加高效。

在虚拟化技术中，硬件虚拟化技术与软件虚拟化技术相比，具有更高的效率和稳定性。其中，IntelVT为X86平台上的虚拟化实现提供了更优方式，它具备对特权指令、特权操作的完美捕获机制，并在内存中专门保留区域用于保存虚拟机内核和客户系统的状态信息，从而更好地实现了客户系统之间的隔离。此外，IntelVT还增加了几条新指令，便于虚拟机内核更高效、快捷地管理和调度客户系统。

虽然当前的虚拟化软件如VMware、VirtualBox、Xen等也支持硬件辅助虚拟化技术，但它们大多是为桌面操作系统设计，对实时系统的支持并不完善。而在实际应用中，嵌入式操作系统等实时系统对于可靠性和安全性有着极高的要求。因此，基于IntelVT硬件辅助虚拟化技术开发专门支持嵌入式操作系统等实时系统的虚拟机内核具有重要意义。

本研究旨在基于IntelVT硬件辅助虚拟化的支持，开发属于自己的虚拟机内核。该内核的目标是更好地支持嵌入式操作系统，提高其可靠性和安全性，同时也能支持全虚拟化的客户系统。通过对X86硬件平台的支持、处理器环境的初始化、物理内存管理、线性地址管理、客户系统加载、客户系统管理、虚拟CPU调度、指令模拟、外设模拟、中断异常管理等内容的深入研究与实现，尤其是在虚拟CPU调度以及中断和异常管理中加入对实时系统的支持，确保实时系统的实时性，并隔离各个客户系统以保证其安全性和完整性。这一研究成果将是对现有市场上虚拟化技术的重要补充，使虚拟化技术能够延伸到嵌入式实时系统领域，为相关领域的发展提供有力支持，具有显著的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在国外，虚拟化技术的研究和应用起步较早，取得了众多成果。VMware作为虚拟化领域的领军企业，其产品如VMwareWorkstation和VMwareESXServer在市场上占据重要地位。VMwareWorkstation是一款功能强大的桌面虚拟计算机软件，可在单一桌面上同时运行不同操作系统，为开发、测试和部署新应用程序提供了良好解决方案，能模拟完整网络环境，具备实时快照、拖曳共享文件夹、支持PXE等功能；VMwareESXServer则是为IT环境提供基于虚拟化的分布式服务的基础，作为VMwareInfrastructure的核心组成部分，它将处理器、内存、存储器和网络资源抽象成多台虚拟机，可并行在同一台物理服务器上运行，提高了硬件利用率，降低了资金和运营成本。

KVM（基于内核的虚拟机）是一种开源的虚拟化解