🛌🏼 👮 🏾 हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन। प्रोसेसर आर्किटेक्चर में सिद्धांत, वास्तविकता और समर्थन 😡 💺 ⚪️

इस पोस्ट में मैं कंप्यूटर वर्चुअलाइजेशन के लिए हार्डवेयर समर्थन का उपयोग करने के कारणों और विशेषताओं का वर्णन करने का प्रयास करूंगा। मैं वर्चुअलाइजेशन के लिए तीन आवश्यक शर्तों की पहचान करके और उनकी उपलब्धि के लिए सैद्धांतिक नींव तैयार करके शुरू करूंगा। तब मैं यह वर्णन करने के लिए आगे जाऊंगा कि सिद्धांत वास्तविकता में किस प्रतिबिंब को दर्शाता है। एक उदाहरण के रूप में, यह संक्षेप में वर्णन करेगा कि विभिन्न आर्किटेक्चर के प्रोसेसर के विभिन्न विक्रेताओं ने अपने उत्पादों में वर्चुअलाइजेशन को कैसे लागू किया। अंत में, पुनरावर्ती वर्चुअलाइजेशन का मुद्दा उठाया जाएगा।

सबसे पहले, कुछ परिभाषाएं, शायद इस विषय पर लेखों के लिए बिल्कुल सामान्य नहीं हैं, लेकिन इस लेख में इसका उपयोग किया गया है।

मेजबान ( इंजी। होस्ट) - एक हार्डवेयर सिस्टम जो एक वर्चुअल मशीन मॉनीटर या सिम्युलेटर चलाता है।
अतिथि ( इंजी। अतिथि) - एक मॉनिटर या सिम्युलेटर के नियंत्रण में चलने वाली एक आभासी या नकली प्रणाली। कभी-कभी लक्ष्य प्रणाली के रूप में भी संदर्भित किया जाता है।

मैं बाकी शब्दावली को निर्धारित करने का प्रयास करूंगा क्योंकि यह पाठ में दिखाई देता है।

परिचय

वर्चुअलाइजेशन में माइक्रोप्रोसेसर के आविष्कार से पहले भी रुचि थी, बड़ी प्रणालियों की प्रबलता के दौरान - मेनफ्रेम, जिनके संसाधन बहुत महंगे थे और उनका सरल आर्थिक रूप से अस्वीकार्य था। वर्चुअलाइजेशन ने इस तरह की प्रणालियों के उपयोग की डिग्री को बढ़ाना संभव बना दिया, जबकि उपयोगकर्ताओं और एप्लिकेशन प्रोग्रामर को अपने सॉफ़्टवेयर को फिर से लिखने की आवश्यकता से बचाते हुए, क्योंकि उनके दृष्टिकोण से वर्चुअल मशीन भौतिक के समान थी। इस क्षेत्र में अग्रणी 1960/1970 और 1970 में निर्मित सिस्टम / 360, सिस्टम / 370 मेनफ्रेम के साथ आईबीएम था।

क्लासिक virtualizability कसौटी

आश्चर्य नहीं कि एक ही समय में एक प्रभावी वर्चुअल मशीन मॉनिटर बनाने की संभावना के लिए मानदंड प्राप्त किए गए थे। वे 1974 के क्लासिक काम में गेराल्ड पोपेक और रॉबर्ट गोल्डबर्ग द्वारा तैयार किए गए हैं, "वर्चुअलाइजेशन तीसरी पीढ़ी के आर्किटेक्चर के लिए औपचारिक आवश्यकताओं" [8]। इसके मूल परिसर पर विचार करें और इसका मुख्य निष्कर्ष तैयार करें।

सिस्टम मॉडल

भविष्य में, एक केंद्रीय प्रोसेसर और एक रैखिक सजातीय रैम वाले लेख से "मानक" कंप्यूटर का एक सरल प्रतिनिधित्व किया जाता है। परिधीय उपकरण, साथ ही साथ उनके साथ बातचीत के साधन को छोड़ दिया जाता है। प्रोसेसर दो ऑपरेटिंग मोड का समर्थन करता है: ऑपरेटिंग सिस्टम द्वारा उपयोग किया जाने वाला सुपरवाइजर मोड, और उपयोगकर्ता मोड जिसमें एप्लिकेशन एप्लिकेशन निष्पादित होते हैं। मेमोरी वर्चुअल मेमोरी को व्यवस्थित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विभाजन मोड का समर्थन करती है।
वर्चुअल मशीन मॉनिटर (VM) के लिए अग्रिम आवश्यकताएं:

अलगाव - प्रत्येक आभासी मशीन को केवल उन संसाधनों तक पहुंच होनी चाहिए जो इसे सौंपे गए थे। यह मॉनिटर और अन्य वीएम दोनों के संचालन को प्रभावित करने में सक्षम नहीं होना चाहिए।
समतुल्यता - एक वीएम के नियंत्रण में निष्पादित किसी भी कार्यक्रम में दो परिस्थितियों के कारण होने वाले प्रभावों के अपवाद के साथ एक वास्तविक प्रणाली पर इसके निष्पादन के लिए पूरी तरह से एक व्यवहार प्रदर्शित होना चाहिए: उपलब्ध संसाधनों की संख्या में अंतर (उदाहरण के लिए, एक वीएम कम मेमोरी हो सकती है) और संचालन की अवधि (से) अन्य वीएम के साथ निष्पादन समय साझा करने की संभावना के लिए)।
दक्षता - मूल कार्य में, स्थिति निम्नानुसार तैयार की गई है: "वीएम मॉनिटर के हस्तक्षेप के बिना, वर्चुअल प्रोसेसर निर्देशों के सांख्यिकीय प्रमुख निर्देशों को सीधे होस्ट प्रोसेसर द्वारा निष्पादित किया जाना चाहिए।" दूसरे शब्दों में, निर्देशों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा प्रत्यक्ष निष्पादन मोड में सिम्युलेटेड होना चाहिए। दक्षता की आवश्यकता तीन सूचीबद्ध आवश्यकताओं में से सबसे विवादास्पद है, और हम इसमें वापस आएंगे। निर्देशों की व्याख्या के आधार पर सिमुलेटर के मामले में, दक्षता की स्थिति संतुष्ट नहीं है, क्योंकि प्रत्येक अतिथि निर्देश को सिम्युलेटर द्वारा प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है।

निर्देश कक्षाएं

प्रोसेसर की स्थिति में कम से कम तीन रजिस्टर होते हैं: एम, जो निर्धारित करता है कि यह पर्यवेक्षक मोड में है या उपयोगकर्ता यू, पी वर्तमान निर्देश के लिए सूचक है, और आर वह राज्य है जो उपयोग किए गए मेमोरी सेगमेंट की सीमाओं को परिभाषित करता है (सबसे सरल मामले में, आर एक सेगमेंट को परिभाषित करता है, अर्थात् आर। = (एल, बी), जहां एल रेंज की शुरुआत का पता है, बी इसकी लंबाई है)।
मेमोरी E में एक निश्चित संख्या की कोशिकाएँ होती हैं, जिन्हें उनके नंबर t, उदाहरण के लिए E [t] द्वारा एक्सेस किया जा सकता है। इस विचार के लिए स्मृति और कोशिकाओं का आकार महत्वपूर्ण नहीं है।
जब निष्पादित किया जाता है, तो प्रत्येक निर्देश i सामान्य मामले में दोनों (M, P, R) और मेमोरी E, अर्थात बदल सकते हैं। यह एक रूपांतरण फ़ंक्शन है: (एम ₁ , पी ₁ , आर ₁ , ई ₁ ) -> (एम ₂ , पी ₂ , आर ₂ , ई ₂ )।
ऐसा माना जाता है कि कुछ इनपुट स्थितियों के लिए अनुदेश एक जाल ( eng। ट्रैप) उठाता है, यदि इसके निष्पादन के परिणामस्वरूप, मेमोरी की सामग्री नहीं बदलती है, केवल एक सेल E [0] को छोड़कर, जिसमें प्रोसेसर की पिछली स्थिति रखी गई है (M ₁ , P ₁ , R ₁₎ )। प्रोसेसर की नई स्थिति (M ₂ , P ₂ , R ₂ ) को E [1] से कॉपी किया जाता है। दूसरे शब्दों में, जाल आपको अपने अंतिम निर्देश के निष्पादन से पहले समय पर कार्यक्रम की पूर्ण स्थिति को बचाने और हैंडलर को हस्तांतरण नियंत्रण की अनुमति देता है, पारंपरिक प्रणालियों के मामले में, आमतौर पर पर्यवेक्षक मोड में काम करता है और सिस्टम की स्थिति पर अतिरिक्त कार्य प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया जाता है, और फिर राज्य को पुनर्स्थापित करके कार्यक्रम पर नियंत्रण वापस करता है। ई [को ०]।
इसके अलावा, जाल में दो विशेषताएँ हो सकती हैं।

प्रोसेसर की स्थिति (नियंत्रण प्रवाह जाल) को बदलने के प्रयास के कारण।
स्मृति सामग्री तक पहुँच जो उस सीमा के बाहर है (मेमोरी प्रोटेक्शन ट्रैप)।

ध्यान दें कि ये संकेत परस्पर अनन्य नहीं हैं। यही है, निष्पादन परिणाम एक साथ नियंत्रण प्रवाह और स्मृति संरक्षण का एक जाल हो सकता है।
प्रश्न में प्रोसेसर के मशीन निर्देशों को निम्नानुसार वर्गीकृत किया जा सकता है:

विशेषाधिकार प्राप्त ( अंग्रेजी विशेषाधिकार प्राप्त)। निर्देश जिनके एम = यू के साथ निष्पादन हमेशा नियंत्रण प्रवाह का एक जाल होता है। दूसरे शब्दों में, इस तरह के निर्देश को केवल पर्यवेक्षक मोड में निष्पादित किया जा सकता है, अन्यथा यह निश्चित रूप से एक अपवाद फेंक देगा।
कार्यालय ( अंग्रेजी संवेदनशील। मैं इस अवधारणा के लिए स्थापित रूसी शब्द नहीं जानता। कभी-कभी साहित्य में "संवेदनशील" निर्देशों का अनुवाद होता है)। एक वर्ग में दो उपवर्ग होते हैं। 1. निर्देश, जिनमें से निष्पादन एक मेमोरी सुरक्षा जाल के बिना समाप्त हो गया और एम और / या आर में परिवर्तन का कारण बना। वे प्रोसेसर मोड को पर्यवेक्षक से उपयोगकर्ता एक या इसके विपरीत में बदल सकते हैं या उपलब्ध मेमोरी सेगमेंट की स्थिति और आकार बदल सकते हैं। 2. निर्देश जिनका व्यवहार उन मामलों में होता है जहां वे मेमोरी प्रोटेक्शन ट्रैप नहीं करते हैं, एम मोड या आर के मूल्य पर निर्भर करते हैं।
हानिरहित ( अंग्रेजी में सहज)। यह एक सेवा नहीं है। निर्देशों की व्यापक श्रेणी जो अनुदेश सूचक पी और मेमोरी ई को छोड़कर किसी भी चीज़ में हेरफेर नहीं करती है, जिसका व्यवहार स्मृति में स्थित मोड या पते पर निर्भर नहीं करता है।

एक वीएम मॉनिटर के निर्माण के लिए एक पर्याप्त स्थिति

वर्चुअल मशीन मॉनीटर के निर्माण की संभावना के लिए ऊपर बताई गई तीन शर्तों का अनुपालन निम्नलिखित वाक्य में दिया गया है: सेवा निर्देशों का सेट विशेषाधिकार प्राप्त निर्देशों (छवि 1) का सबसेट है । लेख से प्रमेय 1 के औपचारिक प्रमाण को स्वीकार करते हुए, हम निम्नलिखित परिस्थितियों पर ध्यान देते हैं।

पर्यवेक्षक मोड में मॉनिटर रखकर और उपयोगकर्ता मोड में केवल VM को अलगाव सुनिश्चित किया जाता है। उसी समय, बाद वाला सिस्टम संसाधनों में मनमाने ढंग से बदलाव नहीं कर सकता है - एक प्रयास सेवा निर्देश पर नियंत्रण प्रवाह जाल का कारण होगा और मॉनिटर पर जा सकता है, साथ ही कॉन्फ़िगरेशन इसकी अनुमति नहीं देने के कारण मेमोरी और प्रोसेसर मेमोरी प्रोटेक्शन ट्रैप निष्पादित करेगा।
समानता इस तथ्य से साबित होती है कि हानिरहित निर्देशों को उसी तरह निष्पादित किया जाता है, भले ही सिस्टम में कोई मॉनिटर मौजूद हो या न हो, और सेवा वाले हमेशा एक अपवाद फेंकते हैं और व्याख्या की जाती है। ध्यान दें कि ऊपर वर्णित सरल स्कीम में भी, पहली कमजोर स्थिति प्रकट होती है: यहां तक कि हाइपरविजर के कोड और डेटा को स्टोर करने के लिए आवश्यक मेमोरी को ध्यान में रखे बिना, वीएम के लिए उपलब्ध मेमोरी की मात्रा मेजबान सिस्टम की तुलना में कम से कम दो सेल होगी।
दक्षता इस तथ्य से गारंटी दी जाती है कि वीएम के अंदर सभी हानिरहित निर्देशों को धीमा किए बिना सीधे निष्पादित किया जाता है। यह समझा जाता है कि उनमें से कई में "वर्चुअल प्रोसेसर के निर्देशों का एक सांख्यिकीय प्रमुख उपसमुच्चय" शामिल है।

अंजीर। 1: वर्चुएलिसिबिलिटी कंडीशन का पूरा होना। कई सेवा निर्देश विशेषाधिकार वाले एक सबसेट हैं

Virtualizability मानदंड की प्रयोज्यता की सीमाएं

उपयोग किए गए मॉडल की सादगी और उससे निकले निष्कर्षों के बावजूद, गोल्डबर्ग और पोपेक का काम अभी भी प्रासंगिक है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इसमें वर्णित शर्तों के साथ गैर-अनुपालन कुछ वास्तुकला पर आभासी मशीनों के निर्माण या उपयोग को मौलिक रूप से असंभव नहीं बनाता है, और कार्यान्वयन के व्यावहारिक उदाहरण हैं जो इसकी पुष्टि करते हैं। हालांकि, तीन गुणों के बीच एक इष्टतम संतुलन बनाए रखना असंभव हो जाता है: अलगाव, तुल्यता और दक्षता। अक्सर, आपको सेवा के निष्पादन पर गहन खोज और कार्यक्रम नियंत्रण की आवश्यकता के कारण आभासी मशीनों की गति के साथ भुगतान करना पड़ता है, लेकिन विशेषाधिकार प्राप्त निर्देश नहीं, क्योंकि हार्डवेयर स्वयं यह (छवि 2) प्रदान नहीं करता है। यहां तक कि वीएम द्वारा सीधे निष्पादित एकमात्र ऐसे निर्देश से मॉनिटर के स्थिर संचालन को खतरा है, और इसलिए यह अतिथि निर्देशों की संपूर्ण स्ट्रीम को स्कैन करने के लिए मजबूर है।

अंजीर। 2: virtualizability की शर्तों को पूरा करने में विफलता। सेवा, लेकिन विशेषाधिकार प्राप्त निर्देशों को मॉनिटर में जटिल तर्क के कार्यान्वयन की आवश्यकता नहीं होती है

[Of] कार्य में स्पष्ट रूप से वास्तविक प्रणालियों (बाह्य उपकरणों की कमी और एक इनपुट / आउटपुट सिस्टम) के अध्ययन किए गए ढांचे के सरलीकरण शामिल हैं, साथ ही निष्पादन योग्य अतिथि कार्यक्रमों (लगभग पूरी तरह से हानिरहित निर्देशों से मिलकर) और मेजबान सिस्टम (यूनिप्रोसेसर) की संरचना के बारे में अंतर्निहित धारणाएं हैं।
आइए अब हम इन सीमाओं पर अधिक विस्तार से विचार करते हैं, और यह भी सुझाव देते हैं कि वर्चुअलाइजेशन की आवश्यकता वाले अतिरिक्त संसाधनों के लिए कसौटी की प्रयोज्यता की सीमा का विस्तार कैसे किया जाए, और इस प्रकार नए कंप्यूटिंग सिस्टम के वास्तुकारों के लिए इसका व्यावहारिक मूल्य बढ़ाया जाए।

अतिथि कार्यक्रम की संरचना

एक वीएम के अंदर कार्यक्रमों के प्रभावी संचालन के लिए, यह आवश्यक है कि उनके अधिकांश निर्देश हानिरहित हों। यह आमतौर पर आवेदन अनुप्रयोगों के लिए सच है। ऑपरेटिंग सिस्टम, बदले में, सिस्टम संसाधनों का प्रबंधन करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जिसका अर्थ है विशेषाधिकार प्राप्त और सेवा निर्देशों का उपयोग, और मॉनिटर को प्रदर्शन में एक समान गिरावट के साथ अवरोधन और व्याख्या करना है। इसलिए, आदर्श रूप से, निर्देशों के सेट में यथासंभव कुछ विशेषाधिकार होने चाहिए ताकि जाल की घटना की आवृत्ति कम से कम हो।

उपनगर

चूंकि परिधीय उपकरण एक कंप्यूटर का एक सेवा संसाधन है, इसलिए यह स्पष्ट है कि अलगाव की स्थिति और समतुल्यता सुनिश्चित करने के लिए, यह आवश्यक है कि उन्हें एक्सेस करने के सभी प्रयास उसी तरह से वीएम मॉनिटर द्वारा नियंत्रित किए जाएं जैसे कि वे अपने कोर से मल्टीटास्किंग ऑपरेटिंग सिस्टम में नियंत्रित होते हैं। वर्तमान में, उपकरणों की पहुंच सिस्टम के भौतिक मेमोरी में उनके प्रतिबिंब के तंत्र के माध्यम से सबसे अधिक बार की जाती है ( अंग्रेजी मेमोरी मैप्ड I / O), जिसका अर्थ है कि मॉनिटर के अंदर कुछ क्षेत्रों के पढ़ने / लिखने के लिए या तो स्मृति सुरक्षा जाल होना चाहिए या आधिकारिक नहीं , यानी। एक जाल का कारण न बनें और राज्य को अनियंत्रित तरीके से प्रभावित न करें।
अनुप्रयोगों और बाह्य उपकरणों के बीच बातचीत की तीव्रता अलग हो सकती है और उनकी कार्यक्षमता से निर्धारित होती है, जो वर्चुअलाइजेशन के दौरान उनकी मंदी को प्रभावित करती है। इसके अलावा, वीएम मॉनिटर मेजबान के विभिन्न वर्गों को विभिन्न तरीकों से कई वीएम के भीतर सुलभ होस्ट बना सकता है।

समर्पित डिवाइस - एक उपकरण जो एक अतिथि प्रणाली के भीतर विशेष रूप से उपलब्ध है। उदाहरण: कीबोर्ड, मॉनिटर।
साझा - कई मेहमानों द्वारा साझा किया गया। इस तरह के उपकरण में या तो कई भाग होते हैं, जिनमें से प्रत्येक को उनमें से एक (विभाजन मोड) की जरूरतों के लिए आवंटित किया जाता है, उदाहरण के लिए, कई विभाजनों के साथ एक हार्ड डिस्क, या बदले में उनमें से प्रत्येक से जुड़ा हुआ है (साझा मोड)। उदाहरण: नेटवर्क कार्ड।
पूरी तरह से आभासी - एक उपकरण जो वास्तविक प्रणाली में अनुपस्थित है (या वर्तमान में, लेकिन एक सीमित संख्या में) और मॉनिटर के अंदर प्रोग्रामेटिक रूप से मॉडलिंग करता है। उदाहरण: रुकावट समय - प्रत्येक अतिथि के पास अपना टाइमर होता है, इस तथ्य के बावजूद कि मेजबान प्रणाली में केवल एक ही है, और इसका उपयोग मॉनिटर की अपनी आवश्यकताओं के लिए किया जाता है।

बीच में आता है

बाधाएं बाहरी उपकरणों की घटनाओं के बारे में प्रोसेसर को सूचित करने के लिए एक तंत्र हैं जिन्हें ऑपरेटिंग सिस्टम के ध्यान की आवश्यकता होती है। वर्चुअल मशीनों का उपयोग करने के मामले में, मॉनिटर को इंटरप्ट के वितरण को नियंत्रित करने में सक्षम होना चाहिए, क्योंकि कुछ या सभी को मॉनिटर के अंदर बिल्कुल संसाधित किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, प्रोसेसर समय के अतिथि उपयोग को ट्रैक / सीमित करने के लिए एक टाइमर रुकावट का उपयोग किया जा सकता है और एक साथ चलने वाले वीएम के बीच कई स्विच करने में सक्षम हो सकता है। इसके अलावा, कई मेहमानों के मामले में, यह पहले से स्पष्ट नहीं है कि किसी को कौन सी रुकावट देनी चाहिए, और मॉनिटर को तय करना होगा।
सबसे सरल अलगाव समाधान वीएम मॉनिटर पर सभी अवरोधों को निर्देशित करना है। इस मामले में, तुल्यता स्वयं द्वारा प्रदान की जाएगी: यदि उसके राज्य में परिवर्तन के अनुकरण के माध्यम से अतिथि के अंदर करने के लिए आवश्यक हो तो एक रुकावट वितरित की जाएगी। मॉनिटर अतिरिक्त रूप से वर्चुअल इंटरप्ट बना सकता है, जो केवल इसके संचालन के तर्क के कारण होता है, न कि बाहरी घटनाओं द्वारा। हालांकि, इस तरह के समाधान की प्रभावशीलता इष्टतम नहीं होगी। एक नियम के रूप में, सिस्टम की रुकावट की प्रतिक्रिया एक सीमित समय के भीतर होनी चाहिए, अन्यथा यह बाहरी डिवाइस के लिए अपना अर्थ खो देगा या पूरे सिस्टम के लिए विनाशकारी परिणाम देगा। एक वर्चुअलाइजेशन लेयर के आने से घटना के घटने के बीच की देरी बढ़ जाती है और जिस क्षण इसे वर्चुअलाइजेशन के बिना सिस्टम की तुलना में गेस्ट द्वारा प्रोसेस किया जाता है। अधिक प्रभावी अंतर्संबंधों के वितरण पर हार्डवेयर नियंत्रण है, जो उनमें से कुछ को सिस्टम की स्थिति के लिए हानिरहित बनाना संभव बनाता है और हर बार मॉनिटर कार्यक्रम के हस्तक्षेप की आवश्यकता नहीं होती है।

मल्टीप्रोसेसर सिस्टम

लगभग सभी आधुनिक कंप्यूटरों में एक से अधिक कोर या प्रोसेसर होते हैं। इसके अलावा, कई वीएम को एक मॉनिटर के अंदर निष्पादित किया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक के पास कई वर्चुअल प्रोसेसर के निपटान में हो सकते हैं। विचार करें कि ये परिस्थितियां वर्चुअलाइजेशन की स्थितियों को कैसे प्रभावित करती हैं।

सिंक्रनाइज़ेशन और वर्चुअलाइजेशन

कई मेजबान और अतिथि प्रोसेसर के विचार का परिचय बल में प्रभावी virtualizability की स्थिति को छोड़ देता है। हालांकि, वीएम के अंदर मल्टीथ्रेडेड अनुप्रयोगों की दक्षता के लिए शर्तों की पूर्ति पर ध्यान देना आवश्यक है। सिंगल-थ्रेडेड के विपरीत, उन्हें प्रोग्राम भागों के सिंक्रनाइज़ेशन की प्रक्रियाओं की विशेषता है जो विभिन्न वर्चुअल प्रोसेसर पर चलते हैं। एक ही समय में, सभी भाग लेने वाले धागे उम्मीद करते हैं जब वे सभी एल्गोरिथ्म में एक पूर्व निर्धारित बिंदु तक पहुंचते हैं, तथाकथित बाधा। सिस्टम वर्चुअलाइजेशन के मामले में, एक या एक से अधिक अतिथि थ्रेड्स निष्क्रिय हो सकते हैं, मॉनीटर द्वारा भीड़ जा सकती है, क्योंकि बाकी समय बर्बाद कर देगा।
अतिथि सिस्टम के इस तरह के अप्रभावी व्यवहार का एक उदाहरण एक वीएम [9] के अंदर चक्रीय ताले ( संलग्न स्पिन लॉक) का उपयोग करके सिंक्रनाइज़ेशन है। अकुशल होना और इसलिए एकल-प्रोसेसर सिस्टम के लिए अप्रयुक्त होना, कई प्रोसेसर के मामले में यह अन्य के लिए एक हल्का विकल्प है, अधिक भारी-वजन वाले ताले ( अंग्रेजी लॉक), समानांतर एल्गोरिदम के महत्वपूर्ण वर्गों में प्रवेश करने के लिए उपयोग किया जाता है। ज्यादातर अक्सर वे ऑपरेटिंग सिस्टम के अंदर उपयोग किए जाते हैं, लेकिन उपयोगकर्ता प्रोग्राम नहीं, चूंकि केवल ओएस ही यह निर्धारित कर सकता है कि सिस्टम संसाधनों में से कौन सा चक्रीय ताले का उपयोग करके प्रभावी ढंग से संरक्षित किया जा सकता है। हालांकि, एक वर्चुअल मशीन के मामले में, संसाधन नियोजन वास्तव में ओएस द्वारा नहीं किया जाता है, लेकिन वीएम मॉनिटर द्वारा, जो सामान्य रूप से उनके बारे में नहीं जानते हैं और एक थ्रेड को भीड़ कर सकते हैं जो एक संसाधन को मुक्त कर सकता है, जबकि दूसरा धागा सीपीयू समय बर्बाद करते हुए चक्रीय लॉक का प्रदर्शन करेगा। इष्टतम समाधान एक अवरुद्ध धारा को निष्क्रिय करना है जब तक कि संसाधन को जारी करने की आवश्यकता न हो।

इस समस्या के मौजूदा समाधान नीचे वर्णित हैं।

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(. 3). , .

अंजीर। 3: . , —

TLB

, , — ( . translation lookaside buffer, TLB), . TLB, . , , , .
TLB [10]. — , . , .

— DMA ( . direct memory access). . , , .
IOMMU ( . Input output memory management unit), .

, «» «»: . , , , , ..
: . : . M r — ( . root mode). s , s — u; , , s r.

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IBM POWER

IBM , POWER4 2001 . ( . logical partitions, LPAR), -. . LPAR ; , .
2004 , POWER5, . , , , . — LPAR . , — , LPAR-. (AIX, Linux, IBM i) , . - ( , ) LPAR — virtual I/O server (VIOS), .

SPARC

Sun, UltraSPARC Solaris, (.. ) 2004 . 2005 Niagara 1 . ( , ).
[3], .
, . TLB .

Intel IA-32 AMD AMD64

POWER SPARC, IA-32 ( AMD64) , () , . , — 17 , . 2006 , Intel VT-x, AMD — , AMD-V.
— VMX root non root, 0-3 . vmxon vmxoff.
VMCS ( . virtual machine control structure), .
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Intel IA-64 (Itanium)

Intel Itanium ( VT-i [4]) IA-32 — 2006 . PRS.vm. , . vmsw. , , , .
PAL ( . processor abstraction level), , , , , .. , IA-64 IA-32.

एआरएम

ARM , , , . , , , . , ARM , , .
ARM . अंजीर में। 4 , , 2010 Cortex A15 [1].

अंजीर। 4: ARM. TrustZone «». «»

, TrustZone. «» — . , . , . «» . TrustZone , .
. HVC ERET / () . 0x14, : SPSR, HCR «» HSR, , .
, , , . , , .

MIPS

MIPS , ARM: . , , 2012 . MIPS R5 MIPS VZ [2]. 32-, 64- .
. , COP0, . , COP0 . , , , , , .
, .. ( . onion) . , .. , . (), , , .
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, .

- . , ( . 1), , .

		,
Prescott	3 . 2005	3963
Merom	2 . 2006	1579
Penryn	1 वर्ग। 2008	1266
Nehalem	3 . 2009	1009
Westmere	1 वर्ग। 2010	761
Sandy Bridge	1 वर्ग। 2011	784

तालिका 1. इंटेल IA-32 प्रोसेसर ([11] से लिया गया डेटा) की माइक्रोआर्किटेक्चर की विभिन्न पीढ़ियों के लिए हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन मोड के बीच संक्रमण की अवधि।

यदि वर्चुअलाइजेशन का उपयोग करने वाला प्रत्यक्ष निष्पादन अप्रभावी है, तो यह दूसरी ऑपरेशन योजना पर स्विच करने के लिए समझ में आता है, उदाहरण के लिए, व्याख्या या बाइनरी अनुवाद (IDZ: 1 , 2 , 3 पर पोस्ट की मेरी श्रृंखला देखें )।
व्यवहार में, ओएस निष्पादन को इस स्थिति की विशेषता है कि नियंत्रण प्रवाह जाल का कारण बनने वाले निर्देश क्लस्टर बनाते हैं, जिनमें से दो या अधिक एक दूसरे के करीब होते हैं, जबकि क्लस्टर के बीच की दूरी महत्वपूर्ण होती है। IA-32 के लिए निम्न कोड ब्लॉक ऐसे क्लस्टर का एक उदाहरण प्रदान करता है। तारांकन सभी निर्देशों को इंगित करता है जो मॉनिटर को बाहर निकलने का कारण बनता है।

* in %al,%dx * out $0x80,%al mov %al,%cl mov %dl,$0xc0 * out %al,%dx * out $0x80,%al * out %al,%dx * out $0x80,%al

परिदृश्य को दोहराने से बचने के लिए: वीएम को मॉनीटर से बाहर करना, निर्देश की व्याख्या करना, वीएम पर वापस लौटना ताकि अगले निर्देश पर मॉनीटर को फिर से दर्ज किया जा सके, निर्देशों का एक पूर्वावलोकन उपयोग किया जाता है [11]। जाल को संसाधित करने के बाद, मॉनिटर ट्रांसफर से पहले वीएम पर वापस नियंत्रण हो जाता है, विशेषाधिकार प्राप्त निर्देशों की तलाश में निर्देश प्रवाह को आगे कई निर्देशों को स्कैन किया जाता है। यदि उनका पता लगाया जाता है, तो सिमुलेशन थोड़ी देर के लिए द्विआधारी अनुवाद मोड पर स्विच करता है। यह क्लस्टरिंग विशेषाधिकार प्राप्त निर्देशों के नकारात्मक प्रभावों से बचा जाता है।

पुनरावर्ती वर्चुअलाइजेशन

वह स्थिति जब वर्चुअल मशीन मॉनीटर को किसी अन्य मॉनीटर के नियंत्रण में लॉन्च किया जाता है जिसे सीधे हार्डवेयर पर निष्पादित किया जाता है, को पुनरावर्ती वर्चुअलाइजेशन कहा जाता है। सैद्धांतिक रूप से, यह केवल दो स्तरों तक सीमित नहीं हो सकता है - प्रत्येक वीएम मॉनिटर के अंदर निम्नलिखित निष्पादित किया जा सकता है, जिससे हाइपरविजर्स का एक पदानुक्रम बनता है।
एक वीएम मॉनिटर (या, समकक्ष, एक सिम्युलेटर) के नियंत्रण में एक हाइपरवाइजर चलाने की क्षमता व्यावहारिक मूल्य की है। कोई भी VM मॉनिटर एक जटिल प्रोग्राम है, जिसमें डिबगिंग एप्लिकेशन और यहां तक कि ओएस के सामान्य तरीके लागू नहीं होते हैं, क्योंकि यह सिस्टम की प्रक्रिया में बहुत जल्दी लोड हो जाता है जब डिबगर को कनेक्ट करना मुश्किल होता है। सिम्युलेटर के नियंत्रण के तहत निष्पादन आपको पहले ऑपरेशन से इसके संचालन का निरीक्षण करने और नियंत्रित करने की अनुमति देता है।
गोल्डबर्ग और पोपेक ने अपने पहले के काम में, पुनरावर्ती वर्चुअलाइजेशन सहित प्रभावी समर्थन के मुद्दों को संबोधित किया। हालांकि, उनके निष्कर्ष, दुर्भाग्य से, आधुनिक प्रणालियों के उपरोक्त कई विशेषताओं को ध्यान में नहीं रखते हैं।
वीएम मॉनिटर के एम्बेडेड लॉन्च की बारीकियों से जुड़ी कठिनाइयों में से एक पर विचार करें - जाल और व्यवधान को संभालना। सबसे सरल मामले में, सबसे बाहरी मॉनिटर हमेशा सभी प्रकार की असाधारण स्थितियों के प्रसंस्करण के लिए जिम्मेदार होता है, जिसका कार्य या तो घटना को स्वयं संसाधित करना होता है, जिससे अन्य स्तरों से इसे "छिपाना" पड़ता है, या इसे अगले एक पर पास करना होता है।
इंटरप्ट के साथ-साथ जाल के लिए, यह अक्सर इष्टतम नहीं है - एक घटना को पदानुक्रम के कई स्तरों से गुजरना चाहिए, जिनमें से प्रत्येक इसकी प्रसंस्करण में देरी करेगा। अंजीर में। चित्रा 5 दो प्रकार के संदेशों के प्रसंस्करण को दर्शाता है - एक बाधा जो बाहरी उपकरण और एक नियंत्रण प्रवाह जाल में हुई जो अनुप्रयोग के अंदर हुई।

अंजीर। 5: पुनरावर्ती वर्चुअलाइजेशन। सभी घटनाओं को एक बाहरी मॉनिटर द्वारा संसाधित किया जाना चाहिए, जो उन्हें पदानुक्रम को कम करता है, और एक देरी उत्पन्न होती है

विभिन्न प्रकार के जाल और रुकावटों के इष्टतम प्रसंस्करण के लिए, वीएम मॉनिटर के एक पदानुक्रम स्तर को उनमें से प्रत्येक के लिए चुना जाना चाहिए, और जब कोई घटना होती है, तो नियंत्रण को इस स्तर पर सीधे स्थानांतरित किया जाना चाहिए, उच्च स्तर से अतिरिक्त प्रसंस्करण को दरकिनार किए बिना और बिना संबंधित ओवरहेड के।

मौजूदा समाधानों में पुनरावर्ती वर्चुअलाइजेशन के लिए समर्थन

प्रोसेसर निर्माता अपने पहले स्तर की तुलना में दूसरे और अधिक वर्चुअलाइजेशन के लिए हार्डवेयर समर्थन के कार्य पर बहुत कम ध्यान देते हैं। फिर भी, ऐसे काम मौजूद हैं। इसलिए, आईबीएम / 370 सिस्टम [13] के लिए बीसवीं सदी के अस्सी के दशक में, पहले से ही हार्डवेयर पर चलने वाले ऑपरेटिंग सिस्टम के अंदर सिस्टम सॉफ़्टवेयर की प्रतियां चलाना संभव था। इस कार्य के लिए, SIE निर्देश ( अंग्रेजी शुरू व्याख्या निष्पादित) [14] पेश किया गया था। नेस्टेड वर्चुअलाइजेशन स्तरों [12] के बीच इंटरफेस पर प्रस्ताव हैं, जो कई वीएम मॉनिटरों के नेस्टिंग को प्रभावी ढंग से समर्थन करने और आईए -32 [15] के लिए पुनरावर्ती वर्चुअलाइजेशन के कार्यान्वयन की अनुमति देगा। हालांकि, आधुनिक प्रोसेसर आर्किटेक्चर अभी भी अधिकतम एक वर्चुअलाइजेशन के लिए हार्डवेयर समर्थन तक सीमित हैं।

साहित्य

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हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन। प्रोसेसर आर्किटेक्चर में सिद्धांत, वास्तविकता और समर्थन