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CN111522692B - 一种基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统 - Google Patents

一种基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统 Download PDF

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CN111522692B CN202010311055.XA CN202010311055A CN111522692B CN 111522692 B CN111522692 B CN 111522692B CN 202010311055 A CN202010311055 A CN 202010311055A CN 111522692 B CN111522692 B CN 111522692B
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟机的多操作系统输入/输出设备冗余保障系统，包括虚拟机管理程序、域操作系统、客户操作系统、实时操作系统和多核心处理器，其中虚拟机管理程序包含设备分配模块，域操作系统包含设备共享模块，实时操作系统包含设备故障报警模块，实时操作系统包含设备故障报警模块，域操作系统、客户操作系统和实时操作系统分别运行在处理器的不同核心。本发明通过对现有的虚拟机管理程序和virtio框架进行加以改进，在virtio所在的域操作系统故障时，通过故障报警和输入/输出设备的动态分配可以保证实时操作系统仍然能访问输入/输出设备。

Description

一种基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统
技术领域
本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统。
背景技术
随着人工智能技术和通信技术的发展，各式各样的机器都由传统控制转向智能控制，在智能控制机器中，安全关键应用程序和通用应用程序同时运行。其中，智能控制相关的通用应用程序对开发和运行环境有一定要求，这是传统的裸机和实时操作系统无法提供的，所以这类应用程序一般运行在通用操作系统。而安全关键应用程序所在的操作系统需要经过安全认证，通用操作系统由于其复杂性很难通过安全认证，所以安全关键应用程序运行在实时操作系统之上。由于安全关键应用程序和通用应用程序对运行环境有不同要求，所以两类应用程序无法在一个操作系统上共存。目前主流的解决方案是通过虚拟化技术，在嵌入式微处理器上同时运行实时操作系统和通用操作系统，然后将安全关键应用程序部署在实时操作系统，通用应用程序部署在通用操作系统，这样就解决了安全关键应用程序和通用应用程序无法并存的问题。
然而嵌入式微处理器的外围输入/输出设备有限，为了充分利用受限的硬件设备资源，上述虚拟机多操作系统方案中的多个操作系统可能需要共享同一输入/输出设备。
国外诸如KVM、XEN、ACRN等主流的虚拟化解决方案在域操作系统上通过virtio后端模拟程序模拟输入/输出设备，在客户操作系统实现一个virtio前端驱动程序用于访问模拟的输入/输出设备。客户操作系统与域操作系统共享设备时，virtio前端驱动程序通过虚拟机管理程序提供的通信机制将请求发送给后端，virtio后端根据请求操作实际输入/输出设备，完成请求后将结果返回给客户操作系统，即客户操作系统看到的硬件设备是由域操作系统模拟出来的，客户操作系统对硬件设备的访问是由虚拟机管理程序传递给域操作系统，然后域操作系统再与真正的硬件交互，将硬件的响应结果传递给客户操作系统。
图1展示了上述基于virtio的虚拟机多操作系统设备共享方案，该方案目前广泛应用在个人计算机和云计算领域。出于对I/O虚拟化复杂性的考虑，该方案中的域操作系统通常选用Linux系统，由于Linux这类通用操作系统最初是为PC设计的，可靠性较低，相比实时操作系统而言更容易发生故障。如果该方案中的客户操作系统是一个实时操作系统，那么一旦域操作系统出现故障，将导致实时操作系统无法访问设备。在这种情况下，实时操作系统的实时性和可靠性受到域操作系统的影响，最终影响到安全关键应用程序的运行。
为了在虚拟机多操作系统方案中保证实时操作系统的稳定运行，必须提供一种输入/输出设备的冗余保障方法，使实时操作系统在域操作系统故障时仍然可以访问输入/输出设备，及时地获取重要数据。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于虚拟机的多操作系统输入/输出设备冗余保障系统，能够解决现有虚拟机多操作系统共享外设的方案中域操作系统出现故障时实时操作系统无法正常访问外设的问题。
一种基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统，包括虚拟机管理程序、域操作系统、客户操作系统、实时操作系统和多核心处理器，所述虚拟机管理程序包含设备分配模块，所述域操作系统包含设备共享模块，所述实时操作系统包含设备故障报警模块，所述域操作系统、客户操作系统和实时操作系统运行在不同的核心处理器上；
所述设备分配模块由虚拟机管理程序实现，其包含一个记录设备分配信息的设备配置文件，根据该设备配置文件为各个操作系统分配输入及输出设备；
所述设备共享模块采用虚拟化技术实现，为多个操作系统提供一个共享访问输入及输出设备的接口；
所述设备故障报警模块在目标设备长时间无响应时向虚拟机管理程序发送故障信息，并请求独占使用目标输入及输出设备。
进一步地，所述虚拟机管理程序上运行多个操作系统，包括一个域操作系统、多个客户操作系统和一个实时操作系统。
进一步地，所述域操作系统承担I/O虚拟化工作，通过virtio后端程序实现了输入及输出设备的共享，使客户操作系统和实时操作系统可以通过virtio前端程序共享域操作系统的输入及输出设备。
进一步地，所述实时操作系统具备设备访问超时通知功能，如果访问设备一定时间后没有得到响应，实时操作系统则向虚拟机管理程序发送设备申请信息。
进一步地，所述虚拟机管理程序运行时接收到设备申请信息并加以验证后，将输入及输出设备分配给发起申请的实时操作系统。
进一步地，所述设备配置文件将设备分类为独占设备、共享设备和实时共享设备，并将设备所属的操作系统信息写入文件中。
进一步地，所述虚拟机管理程序启动时读取并解析输入及输出设备的配置文件，将独占设备固定分配给对应操作系统，将共享设备固定分配给域操作系统，将实时共享设备动态分配给域操作系统。
进一步地，固定分配的独占设备在启动后即分配给对应操作系统，运行期间无法改变；固定分配的共享设备在启动后分配给域操作系统并通过设备共享模块与其它操作系统共享，运行期间无法改变；动态分配的实时共享设备在启动后首先分配给域操作系统并通过设备共享模块与其它操作系统共享，但仅有实时操作系统有权在运行期间将该设备从域操作系统卸载并独占该设备。
本发明通过对现有的虚拟机管理程序和virtio框架进行加以改进，在virtio所在的域操作系统故障时，通过故障报警和输入/输出设备的动态分配可以保证实时操作系统仍然能访问输入/输出设备。
附图说明
图1为基于域操作系统virtio的I/O半虚拟化架构示意图。
图2为本发明实时操作系统输入及输出设备冗余保障的虚拟化架构示意图。
图3为本发明中虚拟机系统启动时的设备分配流程图。
图4为本发明中操作系统对共享输入/输出设备的访问流程图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图2为本实施例对应的虚拟机系统，为充分说明本发明的技术特点，本实施例设计的虚拟机系统包含一个拥有三个核心的多核处理器A，虚拟机管理程序B，域操作系统C，客户操作系统D和实时操作系统E。
该虚拟机系统中，域操作系统C、客户操作系统D和实时操作系统E分别运行在多核处理器A的三个不同核心上，这与单核处理器虚拟化中多个操作系统分时运行的方案不同，各个操作系统对输入/输出设备的请求可能是同时发生的，无法通过操作系统上下文切换的方式将设备分配给不同的操作系统。
虚拟机管理程序B包含一个设备分配模块F，设备分配模块F包括设备配置文件和设备分配程序，设备配置文件属于虚拟机管理程序B，其它操作系统只能读取而不能直接修改。设备配置文件中，每一条配置对应一个设备，主要包含设备类别、设备ID、设备属性、设备所属操作系统等信息。其中，设备属性分为独占设备、共享设备和实时共享设备。
如图3所示，虚拟机管理程序B启动时，设备分配模块F的设备分配程序读取并解析设备配置文件，将独占设备固定分配给对应操作系统，运行期间无法改变；将共享设备固定分配分配给域操作系统并通过设备共享模块G与客户操作系统D和实时操作系统E共享，运行期间无法改变；将实时共享设备首先动态分配给域操作系统并通过设备共享模块G与客户操作系统D和实时操作系统E共享，但实时操作系统E有权在运行期间将该设备从域操作系统卸载并独占该设备。因此域操作系统可能同时拥有独占设备、共享设备和实时共享设备。
域操作系统包含设备共享模块G，设备共享模块G根据设备配置文件配置设备的访问权限。例如，设备共享模块G不会将域操作系统的独占设备接入到virtio框架，但会把共享设备和实时共享设备通过virtio后端与设备配置文件中规定的其它操作系统共享，更细致地，设备配置文件还可以规定各个操作系统对设备的访问权限。
对于一个输入/输出设备资源有限的硬件，为了提高设备资源的利用率并使得各个操作系统的功能更为完整，需要事先为不同操作系统指定各自需要的设备，并配置设备的属性和操作系统的权限。以CAN设备为例，域操作系统和普通客户操作系统通常不需要用到CAN设备，那么就可以将CAN设备作为独占设备固定分配给实时操作系统。而实时操作系统通常用不上鼠标、键盘等设备，所以这类设备可以作为独占设备固定分配给域操作系统或客户操作系统。由于独占设备由设备分配模块F直接分配，不经过域操作系统C，因此任何操作系统在访问其独占设备时都使用直接访问指令，这种方式可以充分利用硬件性能并提高操作系统的稳定性。
另外，有一些设备例如Flash读写速度很快，完全能够同时满足多个操作系统的读写需求。如果实时操作系统E对Flash的依赖性不强，只是将一些日志信息写入Flash以辅助调试，Flash出错并不影响实时操作系统E的运行，那么这类设备就可以划分为共享设备。对于共享设备，实时操作系统E的权限与客户操作系统D相同。
如图4所示，对于这类共享设备，客户操作系统D和实时操作系统E使用virtio前端驱动程序访问共享的硬件，访问命令到达域操作系统C时，设备共享模块G判断该操作系统执行的操作是否符合设备配置文件的规定然后决定是否执行访问命令。若客户操作系统D要访问设备配置文件中未分配设备，则需要向虚拟机管理程序B发起申请。此时，虚拟机管理程序B验证客户操作系统D的申请是否合法，若申请合法，则修改设备配置文件，将发起申请的客户操作系统加入该设备的操作系统列表；若申请不合法，则拒绝客户操作系统D的请求并发送反馈信息。设备申请的合法性由一系列预定义的规则判别，例如，除所属操作系统外，任何对独占设备的申请都是非法的。
域操作系统C、客户操作系统D和实时操作系统E可能都要使用网络设备，其中，实时操作系统E的安全关键应用程序可能依赖于网络设备的响应，在网络拥塞时，实时操作系统E可能得不到迅速的响应，此时实时操作系统E就需要独占设备以保证实时性，因此这类设备需要分配为实时共享设备。
实时操作系统E对实时共享设备拥有特殊的权限，能够强制要求虚拟机管理程序将该设备从域操作系统中卸载并分配给实时操作系统。虚拟机系统运行初期，网络设备由设备分配模块F分配给域操作系统C，此时客户操作系统D和实时操作系统E通过自身的virtio前端程序和域操作系统C的设备共享模块G访问网络设备。实时操作系统E的故障报警模块H对网络设备的响应时间设置有两个阈值，阈值H1设置为不影响实时操作系统的安全关键应用程序运行的最大响应时间，阈值H2为H1减去设备分配模块F重新分配设备和重新请求/应答所需要的时间最长时间。
当大量数据在网络中传输导致网络拥塞时，实时操作系统迟迟得不到应答信息，直到等待时间超过阈值H2时，故障报警模块H发出警告并申请独占网络设备。设备分配模块F在接收到实时操作系统E的申请后，设备分配程序根据其设备配置文件中网络设备的配置信息向域操作系统C发出卸载指令。域操作系统C接收到设备卸载指令后，设备共享模块G读取设备配置文件，向共享使用该网络设备的客户操作系统D和实时操作系统E发出停止共享指令，客户操作系统D和实时操作系统E接收到停止共享指令后，停止使用virtio前端驱动程序访问共享设备并向域操作系统C发出共享终止信息，域操作系统C接收到共享终止信息后将网络设备从自身卸载，并向虚拟机管理程序B发送卸载完成信息。
接下来，虚拟机管理程序B接收到域操作系统C的卸载完成信息后，向实时操作系统E发出注册指令，将网络设备插入实时操作系统E。故障报警模块H接收到注册指令并完成网络设备的安装后，实时操作系统E的后续操作直接作用于网络设备，如同访问独占设备。
在设备重新分配完成后，故障报警模块H和虚拟机管理程序B分析故障原因，如果是域操作系统C或客户操作系统D突发故障并迅速恢复，则在实时操作系统E稳定运行一段时间后，虚拟机管理程序B重新将网络设备分配给域操作系统C，将实时共享设备恢复到初始状态，由域操作系统C控制客户操作系统D和实时操作系统E对设备的访问。如果是网络设备的承载能力有限，无法负担三个操作系统同时访问，那么虚拟机管理程序B根据各操作系统在网络设备的优先级重新分配网络带宽。
综上所述，本实施例实现了一种基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障方法，能够在多个操作系统共享同一输入/输出设备的情况下保证实时操作系统对输入/输出设备的可靠访问，解决了当前主流虚拟机多操作系统方案不适用于实时操作系统的问题。
上述对具体实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统，包括虚拟机管理程序、域操作系统、客户操作系统、实时操作系统和多核心处理器，其特征在于：所述虚拟机管理程序包含设备分配模块，所述域操作系统包含设备共享模块，所述实时操作系统包含设备故障报警模块，所述域操作系统、客户操作系统和实时操作系统运行在不同的核心处理器上；
所述设备分配模块由虚拟机管理程序实现，其包含一个记录设备分配信息的设备配置文件，根据该设备配置文件为各个操作系统分配输入及输出设备；
所述设备共享模块采用虚拟化技术实现，为多个操作系统提供一个共享访问输入及输出设备的接口；
所述设备故障报警模块在目标设备长时间无响应时向虚拟机管理程序发送故障信息，并请求独占使用目标输入及输出设备；
所述虚拟机管理程序启动时读取并解析输入及输出设备的配置文件，将独占设备固定分配给对应操作系统，将共享设备固定分配给域操作系统，将实时共享设备动态分配给域操作系统；
固定分配的独占设备在启动后即分配给对应操作系统，运行期间无法改变；固定分配的共享设备在启动后分配给域操作系统并通过设备共享模块与其它操作系统共享，运行期间无法改变；动态分配的实时共享设备在启动后首先分配给域操作系统并通过设备共享模块与其它操作系统共享，但仅有实时操作系统有权在运行期间将该设备从域操作系统卸载并独占该设备。
2.根据权利要求1所述基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统，其特征在于：所述虚拟机管理程序上运行多个操作系统，包括一个域操作系统、多个客户操作系统和一个实时操作系统。
3.根据权利要求1所述基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统，其特征在于：所述域操作系统承担I/O虚拟化工作，通过virtio后端程序实现了输入及输出设备的共享，使客户操作系统和实时操作系统可以通过virtio前端程序共享域操作系统的输入及输出设备。
4.根据权利要求1所述基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统，其特征在于：所述实时操作系统具备设备访问超时通知功能，如果访问设备一定时间后没有得到响应，实时操作系统则向虚拟机管理程序发送设备申请信息。
5.根据权利要求1所述基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统，其特征在于：所述虚拟机管理程序运行时接收到设备申请信息并加以验证后，将输入及输出设备分配给发起申请的实时操作系统。
6.根据权利要求1所述基于虚拟机的多操作系统输入及输出设备冗余保障系统，其特征在于：所述设备配置文件将设备分类为独占设备、共享设备和实时共享设备，并将设备所属的操作系统信息写入文件中。
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