云计算知识第六讲：CPU虚拟化

虚拟化技术的分类主要有服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化。

服务器虚拟化技术按照虚拟对象来分，可分为：CPU虚拟化、内存虚拟化、I/O虚拟化；

按照虚拟化程度可分为：全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化。

将不同的虚拟化对象和程度组合，可得出9种不同的服务器虚拟化技术。

首先详细介绍下服务器虚拟化之CPU虚拟化，后续讲解中再详细介绍内存虚拟化及I/O虚拟化。

二、CPU虚拟化

·CPU全虚拟化技术

主要采用优先级压缩技术（Ring Compression）和 二进制代码翻译技术（Binary Translation）。优先级压缩技术让VMM和Guest 运行在不同的特权级下。

对X86架构而言，即VMM运行在最高特权级别Ring 0下，Guest OS 运行在Ring 1 下，用户应用运行在Ring 3下。因此 Guest OS 的核心指令无法直接下达

到计算机系统硬件执行，而是需要经过 VMM 的捕获和模拟执行（部分难以虚拟化的指令需要通过 Binary Translation技术进行转换）。

·CPU半虚拟化技术

主要采用Hypercall 技术。Guest OS 的部分代码被改变，从而使Guest OS会将和特权指令相关的操作都转换为发给VMM的Hypercall（超级调用），由VMM继续进行处理。而Hypercall支持的批处理和异步这两种优化方式，使得通过Hypercall 能得到近似于物理机的速度。

·CPU硬件辅助虚拟化技术

目前主要有Intel 的VT-x和AMD的AMD-V这两种技术。其核心思想都是通过引入新的指令和运行模式，使VMM和Guest OS分别运行在不同模式（ROOT 模式和非ROOT模式）下，且Guest OS 运行在Ring 0 下。通常情况下，Guest OS 的核心指令可以直接下达到计算机系统硬件执行，而不需要经过VMM。当Guest OS执行到特殊指令的时候，系统会切换到VMM，让VMM来处理特殊指令。

CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，

从而显著提高计算机的工作效率。

GuestOS负责第2级调度，即线程或进程在VCPU上的调度（将核心线程映射到相应的虚拟CPU上。）

VMM（Virtual Machine Monitor）负责第1级调度，即VCPU在物理处理单元上的调度。

两级调度的调度策略和机制不存在依赖关系。VMM负责物理处理器资源在各个虚拟机之间的分配和调度，本质上即把各个虚拟机中的VCPU按照一定的策略和机制调度在物理处理单元上，可以采用任意的策略来分配物理资源，满足虚拟机的不同需求。

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