嵌入式實時虛擬機ZVM（Zephyr-based Virtual Machine）是由湖南大學嵌入式與網絡計算湖南省重點實驗室（以下簡稱“湖大嵌入式實驗室”）主任謝國琪教授主導設計并開發(fā)的虛擬化軟件。該軟件基于實時操作系統(tǒng)（RTOS）Zephyr開發(fā)，可同時啟動Linux與Zephyr 2個Guest OS，從而在同一硬件平臺上實現(xiàn)混合內核部署。

2023年2月，湖大嵌入式實驗室正式將該項目開源至openEuler社區(qū)。

1. 背景介紹

嵌入式實時虛擬化技術是一種允許在單個硬件平臺上同時運行多個操作系統(tǒng)、并保持確定性和時間關鍵性能的技術，該技術可為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)帶來許多好處，例如硬件整合、系統(tǒng)隔離、系統(tǒng)靈活可靠性、安全性和可擴展性等。嵌入式實時虛擬化可支持智能汽車、數(shù)控機床及5G設備等高級應用。

開發(fā)嵌入式實時虛擬化軟件面臨著一些挑戰(zhàn)。第一個挑戰(zhàn)是如何確保不同Guest OS間的隔離和安全性，尤其是當它們具有不同級別的關鍵性和可信度時。第二個挑戰(zhàn)是如何在不同Guest OS間有效地共享或分配 I/O 設備，這可能需要設備模擬或直通機制。第三個挑戰(zhàn)是如何確保作為Guest OS運行的RTOS具備低延遲和高吞吐量。

嵌入式實時虛擬化軟件需要通過提供強制的隔離和安全、高效的中斷處理、靈活的 I/O 設備管理機制及硬件支持來應對這些挑戰(zhàn)?；诩軜嬘布摂M化支持與虛擬化主機拓展支持，湖大嵌入式實驗室開發(fā)了基于Zephyr RTOS的虛擬化軟件ZVM，實現(xiàn)了Guest OS間的隔離、設備分配及中斷處理，保證了系統(tǒng)的安全與實時。

2. 技術路線

ZVM總體功能需要關注三個部分：安全隔離、設備管理和系統(tǒng)性能提升。

（1）安全隔離：利用虛擬化技術實現(xiàn)不同特權級的應用支持，確保不同Guest OS間的隔離和安全，尤其是當它們具有不同級別的關鍵級時。為每個Guest OS分配不同的虛擬地址空間和虛擬設備，實現(xiàn)虛擬機間的隔離以保證系統(tǒng)安全。

（2）設備管理：使用支持設備模擬和直通機制的管理程序，在不同Guest OS之間有效共享或分配I/O設備。對于中斷控制器需獨占的設備，用完全虛擬化的方式進行分配，對于UART等非獨占的設備，使用設備直通的方式進行分配。

（3）系統(tǒng)性能提升：在處理器方面，使用支持ARM64硬件輔助虛擬化拓展技術來減少上下文開銷；在內存管理方面，使用基于硬件的兩階段地址轉換地址轉換性能開銷；在中斷方面，使用基于硬件的中斷注入機制來減少上下文開銷和中斷時延。

3. 系統(tǒng)架構

ZVM整體系統(tǒng)架構如下圖所示，通過在Zephyr RTOS中加入虛擬化模塊，實現(xiàn)CPU虛擬化、內存虛擬化、中斷虛擬化、定時器虛擬化和I/O虛擬化。ZVM支持兩種類型的Guest OS，即通用的Linux操作系統(tǒng)和Zephyr RTOS。

（1）CPU虛擬化。CPU虛擬化模塊的主要功能是為每個Guest OS的vCPU虛擬出一個單獨的隔離上下文。每個vCPU均作為一個線程存在，由ZVM統(tǒng)一調度。為了提高vCPU的性能，ARM64架構為ZVM提供了VHE支持，VHE可以使Host OS遷移到EL2特權模式，而無需改變操作系統(tǒng)原有代碼。VHE主要實現(xiàn)了ARM寄存器重定向，可以在不修改Zephyr RTOS內核代碼的情況下，將其遷移EL2層開發(fā)ZVM，既降低了系統(tǒng)冗余，又提高了系統(tǒng)性能。

（2）內存虛擬化。內存虛擬化模塊的主要作用是實現(xiàn)Guest OS間內存地址的隔離。系統(tǒng)需要隔離不同Guest OS的內存空間，監(jiān)控Guest OS對實際物理內存的訪問，以保護物理內存。為了實現(xiàn)該功能，ARM64提供了兩階段的地址查找策略。第一階段是從Guest OS的虛擬地址到Guest OS的物理地址轉換，第二階段是從Guest OS的物理地址到Host OS的物理地址轉化。ARM專門為第二階段轉換提供單獨的硬件，以提高地址翻譯性能。

（3）中斷虛擬化模塊。中斷虛擬化使用ARM的通用中斷控制器（GIC）設備，并基于該設備實現(xiàn)虛擬中斷配置。Guest OS的中斷統(tǒng)一路由到ZVM，然后ZVM會將它們分配給不同的vCPU。虛擬中斷的注入通過GIC中的Virtual CPU接口或List Register具體實現(xiàn)。

（4）定時器虛擬化。定時器虛擬化為每個CPU定義了一組虛擬定時器寄存器，它們在預定時間后單獨計數(shù)并拋出中斷，由Host OS轉發(fā)給Guest OS。同時，在Guest OS切換過程中，虛擬定時器會計算Guest OS的實際運行時間，并對Guest OS退出的時間進行補償，為Guest OS提供定時器服務。

（5）設備虛擬化。在設備虛擬化方面，ZVM采用ARM中的Memory-Mapped I/O (MMIO)方法將設備地址映射到虛擬內存地址，構建虛擬設備空間，實現(xiàn)Guest OS對設備地址的訪問。在具體實現(xiàn)上，ZVM統(tǒng)一構建一個虛擬的MMIO設備，在Guest OS創(chuàng)建過程中將該設備分配給指定的Guest OS，實現(xiàn)I/O虛擬化。此外，對一些非獨占設備，ZVM使用設備直通的方式實現(xiàn)設備的訪問。

4. 未來規(guī)劃

ZVM由Sig-Zephyr進行維護，并計劃在2023年5月推出第一個支持Zephyr最新LTS的基礎版本，7月實現(xiàn)openEuler Embedded和ZVM整合，并將完善各項其它高級功能，如IO設備框架支持、虛擬機動態(tài)資源管理及實時性支持等。

項目地址：

https://gitee.com/openeuler/zvm

關于團隊

湖南大學嵌入式與網絡計算湖南省重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）長期從事嵌入式計算與系統(tǒng)方面的研究，現(xiàn)任實驗室主任為謝國琪教授，首席科學家為常萬里教授。實驗室秉承“人本、智慧、速度、計算”之建室宗旨，倡導敬業(yè)與奉獻之精神，努力營造學術自由之氛圍，努力使本室成為有一定影響和學術地位的、凝聚和培養(yǎng)優(yōu)秀人才的研究實驗室，實現(xiàn)“培養(yǎng)人才、創(chuàng)新知識、交流學術、服務社會”的工作目標。

結合產學研合作項目，實驗室擁有嵌入式實時虛擬化軟件、車載網絡綜合驗證平臺、汽車軟件工具鏈等系列產品，并聚焦世界前沿與頂尖科研成果發(fā)表，按照csrankings.org統(tǒng)計，實驗室近5年（2018～2022）在嵌入式與實時系統(tǒng)領域國際頂級學術會議論文發(fā)表數(shù)世界排名第17、國內排名第1。實驗室凝聚了多名在國內有較大影響、國際上有一定影響的學術帶頭人和一批年輕有活力的學術和技術骨干，實驗室首席科學家常萬里教授現(xiàn)任國際計算機學會（ACM）嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會（SIGBED）秘書長。實驗室現(xiàn)有固定研究人員36人，均具有博士學位，其中教授16人，國家級人才計劃獲得者1人，國家級青年人才計劃獲得者3人。