嵌入式第二章课后习题
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嵌入式第二章课后习题
第二章1. 按照ARM处理器的命名规则，说明ARM7TDMI中T、D、M、I的含义。
答：T：支持16位的Thumb指令集；D：支持JTAG片上调试；M：支持长乘法操作（64位结果）的ARM指令，包含快速乘法器；I：带有嵌入式追踪宏单元ETM（Embedded Trace Macro），用来设置断点和观察点。2. 什么是哈佛结构？与普林斯顿结构有何区别？答：哈佛结构是一种将程序中指令和数据分开存储的存储器结构。即哈佛结构中程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。普林斯顿结构（冯?诺伊曼结构）是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。这便是。这便是两种结构的区别。3. 什么是RSIC？什么是CSIC？简述他们的特点与差别。答：RSIC是精简指令集计算机，CISC是复杂指令集计算机。两者的区别在于不同的CPU设计理念和方法。对于CISC：⑴ 在CSIC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。有80%的指令只在20%的运行时间内才会用到。⑵ CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。⑶ 在CISC结构指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术来提高系统的性能。对于RISC：⑴ 简化指令集，只保留常用的基本指令；⑵ 设计大量的通用存储器，减少访存的次数；⑶ 采用装载/保存结构，支持流水线技术，使每个周期时间相等；⑷ 采用简单的指令格式、规整的指令字长和简单的寻址方式；⑸ 单机器周期指令，即大多数的指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。4. ARM7处理器是几级流水线？在ARM7处理器中，“PC指向的是下一条要执行的指令”，这句话对吗？为什么？答：ARM7处理器采用三级流水线。“PC指向的是下一条要执行的指令”，这句话不对。在ARM处理器中将PC程序计数器定义到R15寄存器，无论处理器处于何种状态，PC总是指向“正在取值”指令的地址，一般来说，人们习惯性的约定将“正在执行的指令作为参考点”，成为当前第一条指令，那么PC总是指向随后的第三条指令，或者说PC总是指向当前正在执行的指令地址再加上2条指令的地址，即指向正在执行指令的下下一条指令，而不是指向下一条要执行的指令。5. 简述ARM处理器中在线仿真器模块EmbeddedICE-RT的作用。答：ARM处理器中的在线仿真器模块EmbeddedICE-RT，一般还带有嵌入式宏跟踪单元模块ETM，实现ARM处理器的在线调试和运行过程的跟踪功能；并且具有诸多ICE功能，例如实时寻址、断点、单步、对ARM CPU的完全控制、对ASIC系统其余部分的访问，以及对主机显示器外设访问、键盘输入和磁盘存储。6. ARM处理器的工作状态分为哪二种？ARM处理器又是怎么定义和标志的？答：ARM处理器的工作状态分为ARM状态和Thumb状态，这两种状态有程序状态字CPSR中T标志位确定，为0时处理器工作在ARM状态，为1时处理器工作在Thumb状态。7. ARM7TDMI支持哪几种指令集，各有什么特点？答：ARM7TDMI处理器内核包含2套指令系统，分别为ARM指令集和Thumb指令集，两种指令集的特点是：ARM指令集：处理器执行32位字对齐方式的ARM指令，每条ARM指令长度为32位，指令的功能强大。Thumb指令集：处理器执行16位字对齐方式的Thumb指令，每条Thumb指令长度为16位，是ARM指令功能的子集。8. ARM7处理器有哪些工作模式？如何实现不同模式之间的切换？举例说明。
答：ARM处理器供支持7种工作模式，分别为：用户模式（usr）；快速中断模式（fiq）；外部中断模式（irq）；管理模式（svc）；数据访问终止模式（abt）；系统模式（sys）；未定义指令中止模式（und）。在7中模式中，除用户模式外，其他的6种模式称为特权模式，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。特权模式下通过修改当前程序状态寄存器CPSR中控制位M[4:0]的值，来改变处理器的运行模式。例如MSR
CPSR_c，#（NoInt |SVC32Mode）//从系统模式切换到管理模式
CPSR_c，#（NoInt |SYS32Mode）//从管理模式切换到系统模式9. 描述ARM7处理器的内部寄存器结构，并分别说明快速中断FIQ有何特点？
答：ARM7微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。37个寄存器定义如下：⑴ 31个通用寄存器：R0~R15、R8_fiq、 R9_fiq、 R10_fiq、 R11_fiq、 R12_fiq、 R13_fiq、 R14_fiq、R13_svc、R14_svc、R13_abt、R14_abt、R13_und、R14_und、R13_irq、R14_irq。⑵ 6个状态寄存器：CPSR、SPSR_abt 、SPSR_svc 、SPSR_irq 、SPSR_fiq、 SPSR_und。快速中断FIQ，适用于对一个突发事件的快速响应，在ARM状态中，快中断有8个专用的寄存器，可以缩短状态切换时需要的时间。当CPSR中相应的F位清零，快速中断被使能。10. 什么是中断延时？在实时系统中如何计算中断延时时间？答：中断延时是系统响应一个中断所需要的时间，即从外部中断请求信号发出到执行对应的中断服务程序ISR的第1条指令所需要的时间。FIQ的中断延时计算，当FIQ使能时，最坏的延时包括：a) Tsyncmax:请求通过同步器的最长时间，为两个处理器周期。b) Tldm：最长执行时间，最长为20个周期。c) Texc：数据中止异常进入时间，为三个周期。d) Tfiq：FIQ进入时间，为两个周期总的延时可为27个周期。11. 在内存的数据存储过程中，什么是“字对齐”和“半字对齐”？答：在内存数据存储过程中，一般分为小端存储格式和大端存储格式。下面以小端存储格式为例来说明字对齐和半字对齐：在小端存储格式中，对于地址为A的字单元，其中字节的低位字节到高位字节地址顺序为A ，A+1 ，A+2，A+3；对于地址为A的半字单元，其中字节的低位字节到高位字节地址顺序为A ，A+1。12. 简述程序计数器（PC）在处理器工作中的作用。答：在ARM处理器中将PC程序计数器定义到R15寄存器，无论处理器处于何种状态，PC总是指向“正在取值”指令的地址。13. 简述ARM处理器中的返回链接寄存器（LR）在处理器工作中的作用。
答：链接寄存器LR用于保存子程序返回地址或者异常处理程序的返回地址，LR寄存器一共有6个，其中子程序的返回地址使用一个R14，每种异常模式各自有一个专用的LR寄存器用于保存异常处理程序的返回地址，它们分别为R14_fiq、R14_svc、R14_abt、R14_und、R14_irq。14. 分别简述ARM处理器中的CPSR、SPSR在处理器工作中的作用。
答：ARM内核包含1个CPSR和5个仅供异常处理模式使用的SPSR。由于所有模式全部共享一个程序状态寄存器CPSR，因此处理器所有的状态全部都保存在CPSR中，也就是ARM内核是通过CPSR来监视和控制内部操作的。每种异常模式都有一个对应的程序状态保存寄存器SPSR，用于保存任务在异常发生之前的CPSR状态的当前值。15. 结合CPSR的结构，说明程序状态字中各个bit位的作用。答：⑴条件代码标志（共计4bit）含义如下：N：运算结果的最高位反映在该标志位。对于有符号二进制补码，结果为负数时N=1，结果为正数或零时N=0；Z：指令结果为0时Z=1（通常表示比较结果“相等”），否则Z=0；C：当进行加法运算，最高位产生进位时C=1，否则C=0。当进行减法运算(包括CMP 指令)，最高位产生借位时C=0，否则C=1。V：当进行加法/减法运算，并且发生有符号溢出时V=1，否则V=0，其它指令V不变。⑵CPSR的最低8位为控制位，控制了处理器的工作方式。当发生异常时，这些位被硬件改变。当处理器处于一个特权模式时，可用软件操作这些位。它们分别是：中断禁止位包括I和F位：当I位置位时，IRQ中断被禁止；当F位置位时，FIQ中断被禁止。T位反映了处理器的当前状态：当位T=1时，处理器正在Thumb状态下运行；当位T=0时，处理器正在ARM状态下运行。模式位包括M[4:0]共计5bit，这些位决定处理器的操作模式16. 简述ARM7TDMI内部有哪些寄存器及特点。答：ARM7微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。37个寄存器定义如下：⑴ 31个通用寄存器：R0~R15、R8_fiq、 R9_fiq、 R10_fiq、 R11_fiq、 R12_fiq、 R13_fiq、R14_fiq、R13_svc、R14_svc、R13_abt、R14_abt、R13_und、R14_und、R13_irq、R14_irq。⑵ 6个状态寄存器：CPSR、SPSR_abt 、SPSR_svc 、SPSR_irq 、SPSR_fiq、 SPSR_und。特点：在ARM状态中，R0~R7是通用寄存器，是不分组寄存器；R8~R14，SPSR根据模式进行分组的寄存器；R15是程序计数器，不进行分组；CPSR是状态寄存器，不进行分组。17. 什么是ARM处理器的异常？ARM处理器中有哪几种异常？答：在ARM中，异常是一些事件，这些事件能导致正常的程序执行流程被暂时地停止，而进入到该事件对应的处理器异常模式并对该事件进行处理。ARM中定义了复位、未定义指令、SWI（软中断）、预取指终止、预取数终止、irq以及fiq等７种异常，与之对应地ARM7处理器有5种异常模式。18. 分别简述ARM7的IRQ、FIQ异常处理过程，说明其异常向量地址。
答：IRQ异常的处理流程如下：⑴ 进入IRQ异常模式。程序运行在用户模式下，当一个IRQ异常中断发生时，内核切换到“中断模式”，并自动的做如下处理。①将异常处理程序的返回地址保存到异常模式下的R14(R14_irq)中。②用户模式的CPSR将被保存到中断异常模式SPSR_irq中。③修改CPSR，将I置1，禁止新的IRQ中断产生，但不改变F值，不限制FIQ中断发生，清零T标志位，进入ARM状态，修改模式位，设置为IRQ模式。 ④将IRQ异常中断入口向量地址0x送入PC。⑤在IRQ模式下，用户模式的R13和R14将不能操作，而R13_irq和R14_irq可以操作，即R13_irq保存IRQ模式下的地址指针，R14_irq保存了“IRQ中断返回地址+4”。⑵
退出IRQ异常模式。中断服务程序执行完毕后，使用一条指令将返回地址送入PC，即可实现IRQ中断返回，在返回过程中处理器会自动将SPSR_irq中的内容复制到CPSR，恢复中断前的处理器状态。FIQ异常进入与退出的流程与IRQ类似，其异常入口地址是0x0000001C。19. ARM7处理器对哪些异常可以进行屏蔽？如何屏蔽或允许？答：FIQ和IRQ可以被屏蔽。将CPSR的标志位I和F分别置位对应着IRQ和FIQ中断被禁止，清零这些位又可以将其使能。20. 说明CPSR中T位的作用，ARM7处理器如何切换状态？答：CPSR中T标志位为0时处理器工作在ARM状态，为1时处理器工作在Thumb状态。由于ARM采用字对齐或者半字对齐的存储模式，这意味着地址的最低一个比特位就不会在寻址过程中使用到。故，使用地址的最低位进行区分，以何种模式取值和执行指令，当地址地位为1时，置CPSR的T位为1，反之，置位为0。21. 大端存储模式和小端存储模式的含义是什么？画出在0x2000单元中存储0x数据的大端存储模式和小端存储模式。答：大端存储模式：在大端存储格式中，对于地址为A的字单元，其中字节的低位字节到高位字节地址顺序为A+3，A+2，A+1，A；对于地址为A的半字单元，其中字节的低位字节到高位字节地址顺序为A+1，A。即数据的低字节存放在高地址中的顺序进行存储。小端存储模式：在小端存储格式中，对于地址为A的字单元，其中字节的低位字节到高位字节地址顺序为A ，A+1 ，A+2，A+3；对于地址为A的半字单元，其中字节的低位字节到高位字节地址顺序为A ，A+1。即数据的高字节存放在高地址中的顺序进行存储。0x20030x2000上图中，左侧为大端存储模式，右侧为小端存储模式。
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All Rights Reserved.虚拟化（6）
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学习 KVM 的系列文章：&
1. 为什么需要 CPU 虚拟化
X86 操作系统是设计在直接运行在裸硬件设备上的，因此它们自动认为它们完全占有计算机硬件。x86 架构提供四个特权级别给操作系统和应用程序来访问硬件。&Ring 是指 CPU 的运行级别，Ring 0是最高级别，Ring1次之，Ring2更次之……&就 Linux+x86 来说，&
操作系统（内核）需要直接访问硬件和内存，因此它的代码需要运行在最高运行级别 &Ring0上，这样它可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。&应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。如果要做，比如要访问磁盘，写文件，那就要通过执行系统调用（函数），执行系统调用的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问，完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。
那么，虚拟化在这里就遇到了一个难题，因为宿主操作系统是工作在 ring0 的，客户操作系统就不能也在 ring0 了，但是它不知道这一点，以前执行什么指令，现在还是执行什么指令，但是没有执行权限是会出错的。所以这时候虚拟机管理程序（VMM）需要避免这件事情发生。 虚机怎么通过 VMM 实现 Guest CPU 对硬件的访问，根据其原理不同有三种实现技术：
1. 全虚拟化
2. 半虚拟化
3. 硬件辅助的虚拟化&
1.1 基于二进制翻译的全虚拟化（Full Virtualization with Binary Translation）
客户操作系统运行在&Ring 1，它在执行特权指令时，会触发异常（CPU的机制，没权限的指令会触发异常），然后 VMM 捕获这个异常，在异常里面做翻译，模拟，最后返回到客户操作系统内，客户操作系统认为自己的特权指令工作正常，继续运行。但是这个性能损耗，就非常的大，简单的一条指令，执行完，了事，现在却要通过复杂的异常处理过程。
异常 “捕获（trap）-翻译（handle）-模拟（emulate）” 过程：
1.2. 超虚拟化（或者半虚拟化/操作系统辅助虚拟化 Paravirtualization）&
& 半虚拟化的思想就是，修改操作系统内核，替换掉不能虚拟化的指令，通过超级调用（hypercall）直接和底层的虚拟化层hypervisor来通讯，hypervisor&同时也提供了超级调用接口来满足其他关键内核操作，比如内存管理、中断和时间保持。
& 这种做法省去了全虚拟化中的捕获和模拟，大大提高了效率。所以像XEN这种半虚拟化技术，客户机操作系统都是有一个专门的定制内核版本，和x86、mips、arm这些内核版本等价。这样以来，就不会有捕获异常、翻译、模拟的过程了，性能损耗非常低。这就是XEN这种半虚拟化架构的优势。这也是为什么XEN只支持虚拟化Linux，无法虚拟化windows原因，微软不改代码啊。
1.3. 硬件辅助的全虚拟化&
& & 2005年后，CPU厂商Intel 和 AMD&开始支持虚拟化了。 Intel 引入了 Intel-VT （Virtualization Technology）技术。 这种 CPU，有 VMX root operation 和 VMX non-root operation两种模式，两种模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 共&4 个运行级别。这样，VMM 可以运行在 VMX root operation模式下，客户 OS 运行在VMX non-root operation模式下。
& 而且两种操作模式可以互相转换。运行在 VMX root operation 模式下的 VMM 通过显式调用 VMLAUNCH 或 VMRESUME 指令切换到 VMX non-root operation 模式，硬件自动加载 Guest OS 的上下文，于是 Guest OS 获得运行，这种转换称为 VM entry。Guest OS 运行过程中遇到需要 VMM 处理的事件，例如外部中断或缺页异常，或者主动调用 VMCALL 指令调用 VMM 的服务的时候（与系统调用类似），硬件自动挂起 Guest
OS，切换到 VMX root operation 模式，恢复 VMM 的运行，这种转换称为 VM exit。VMX root operation 模式下软件的行为与在没有 VT-x 技术的处理器上的行为基本一致；而VMX non-root operation 模式则有很大不同，最主要的区别是此时运行某些指令或遇到某些事件时，发生 VM exit。
也就说，硬件这层就做了些区分，这样全虚拟化下，那些靠“捕获异常-翻译-模拟”的实现就不需要了。而且CPU厂商，支持虚拟化的力度越来越大，靠硬件辅助的全虚拟化技术的性能逐渐逼近半虚拟化，再加上全虚拟化不需要修改客户操作系统这一优势，全虚拟化技术应该是未来的发展趋势。
利用二进制翻译的全虚拟化
硬件辅助虚拟化
操作系统协助/半虚拟化
BT和直接执行
遇到特权指令转到root模式执行
客户操作系统修改/兼容性
无需修改客户操作系统，最佳兼容性
无需修改客户操作系统，最佳兼容性
客户操作系统需要修改来支持hypercall，因此它不能运行在物理硬件本身或其他的hypervisor上，兼容性差，不支持Windows
全虚拟化下，CPU需要在两种模式之间切换，带来性能开销；但是，其性能在逐渐逼近半虚拟化。
好。半虚拟化下CPU性能开销几乎为0，虚机的性能接近于物理机。
VMware Workstation/QEMU/Virtual PC
VMware ESXi/Microsoft Hyper-V/Xen 3.0/KVM
2. KVM CPU 虚拟化
KVM 是基于CPU 辅助的全虚拟化方案，它需要CPU虚拟化特性的支持。
2.1. CPU 物理特性
这个命令查看主机上的CPU 物理情况：
[s1@rh65 ~]$ numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1) //2颗CPU
node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 12 13 14 15 16 17 //这颗 CPU 有8个内核
node 0 size: 12276 MB
node 0 free: 7060 MB
node 1 cpus: 6 7 8 9 10 11 18 19 20 21 22 23
node 1 size: 8192 MB
node 1 free: 6773 MB
node distances:
要支持 KVM， Intel CPU 的 vmx 或者 AMD CPU 的 svm 扩展必须生效了：
[root@rh65 s1]# egrep &(vmx|svm)& /proc/cpuinfo
: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss ht tm pbe syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc arch_perfmon pebs bts rep_good xtopology nonstop_tsc aperfmperf pni pclmulqdq dtes64 monitor ds_cpl vmx smx est tm2 ssse3 cx16 xtpr pdcm pcid dca sse4_1 sse4_2 popcnt aes lahf_lm arat epb dts tpr_shadow vnmi flexpriority ept vpid
2.2 多 CPU 服务器架构：SMP，NMP，NUMA
从系统架构来看，目前的商用服务器大体可以分为三类：
多处理器结构 (SMP ： Symmetric Multi-Processor)：所有的CPU共享全部资源，如总线，内存和I/O系统等，操作系统或管理数据库的复本只有一个，这种系统有一个最大的特点就是共享所有资源。多个CPU之间没有区别，平等地访问内存、外设、一个操作系统。SMP 服务器的主要问题，那就是它的扩展能力非常有限。实验证明， SMP 服务器 CPU 利用率最好的情况是 2 至 4 个 CPU 。海量并行处理结构 (MPP ： Massive Parallel Processing)&：NUMA 服务器的基本特征是具有多个 CPU 模块，每个 CPU 模块由多个 CPU( 如 4 个 ) 组成，并且具有独立的本地内存、 I/O 槽口等。在一个物理服务器内可以支持上百个 CPU 。但 NUMA 技术同样有一定缺陷，由于访问远地内存的延时远远超过本地内存，因此当 CPU 数量增加时，系统性能无法线性增加。MPP 模式则是一种分布式存储器模式，能够将更多的处理器纳入一个系统的存储器。一个分布式存储器模式具有多个节点，每个节点都有自己的存储器，可以配置为SMP模式，也可以配置为非SMP模式。单个的节点相互连接起来就形成了一个总系统。MPP可以近似理解成一个SMP的横向扩展集群，MPP一般要依靠软件实现。非一致存储访问结构 (NUMA ： Non-Uniform Memory Access)：它由多个 SMP 服务器通过一定的节点互联网络进行连接，协同工作，完成相同的任务，从用户的角度来看是一个服务器系统。其基本特征是由多个 SMP 服务器 ( 每个 SMP 服务器称节点 ) 通过节点互联网络连接而成，每个节点只访问自己的本地资源 ( 内存、存储等 ) ，是一种完全无共享 (Share Nothing) 结构。
详细描述可以参考&。
查看你的服务器的 CPU 架构：
[root@rh65 s1]# uname -a
Linux rh65 2.6.32-431.el6.x86_64 #1 SMP Sun Nov 10 22:19:54 EST 2013 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux #这服务器是 SMP 架构&
2.2 KVM CPU 虚拟化
2.2.1 KVM 虚机的创建过程
（1）qemu-kvm 通过对 /dev/kvm 的 一系列 ICOTL 命令控制虚机，比如
open(&/dev/kvm&, O_RDWR|O_LARGEFILE)
ioctl(3, KVM_GET_API_VERSION, 0)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x19)
ioctl(3, KVM_CREATE_VM, 0)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x4)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x4)
ioctl(4, KVM_SET_TSS_ADDR, 0xfffbd000)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x25)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0xb)
ioctl(4, KVM_CREATE_PIT, 0xb)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0xf)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x3)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0)
ioctl(4, KVM_CREATE_IRQCHIP, 0)
ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x1a)
（2）一个&KVM 虚机即一个 Linux qemu-kvm 进程，与其他 Linux 进程一样被Linux 进程调度器调度。
（3）KVM 虚机包括虚拟内存、虚拟CPU和虚机 I/O设备，其中，内存和 CPU 的虚拟化由 KVM 内核模块负责实现，I/O 设备的虚拟化由 QEMU 负责实现。
（3）KVM户机系统的内存是 qumu-kvm 进程的地址空间的一部分。
（4）KVM 虚机的 vCPU 作为 线程运行在 qemu-kvm 进程的上下文中。
vCPU、QEMU 进程、LInux 进程调度和物理CPU之间的逻辑关系：
2.2.2 因为 CPU 中的虚拟化功能的支持，并不存在虚拟的 CPU，KVM Guest 代码是运行在物理 CPU 之上
& & 根据上面的 1.3 章节，支持虚拟化的 CPU 中都增加了新的功能。以 Intel VT 技术为例，它增加了两种运行模式：VMX root 模式和&VMX nonroot 模式。通常来讲，主机操作系统和 VMM 运行在 VMX root 模式中，客户机操作系统及其应用运行在 VMX nonroot 模式中。因为两个模式都支持所有的 ring，因此，客户机可以运行在它所需要的 ring 中（OS 运行在 ring
0 中，应用运行在 ring 3 中），VMM 也运行在其需要的 ring 中 （对 KVM 来说，QEMU 运行在 ring 3，KVM 运行在 ring 0）。CPU 在两种模式之间的切换称为 VMX 切换。从 root mode 进入 nonroot mode，称为 VM entry；从 nonroot mode 进入 root mode，称为 VM exit。可见，CPU 受控制地在两种模式之间切换，轮流执行 VMM 代码和 Guest OS 代码。
& 对 KVM 虚机来说，运行在 VMX Root Mode 下的 VMM 在需要执行 Guest OS 指令时执行&VMLAUNCH 指令将 CPU 转换到 VMX non-root mode，开始执行客户机代码，即 VM
entry 过程；在 Guest OS 需要退出该 mode 时，CPU 自动切换到 VMX Root mode，即 VM exit 过程。可见，KVM 客户机代码是受 VMM 控制直接运行在物理 CPU 上的。QEMU 只是通过 KVM 控制虚机的代码被 CPU 执行，但是它们本身并不执行其代码。也就是说，CPU 并没有真正的被虚级化成虚拟的 CPU 给客户机使用。
vSphere 中 CPU 虚拟化的，我觉得它和 KVM CPU 虚拟化存在很大的一致。下图是使用 2 socket 2 core 共 4 个 vCPU 的情形：
&& 几个概念：socket （颗，CPU 的物理单位），core （核，每个 CPU 中的物理内核），thread （超线程，通常来说，一个 CPU core 只提供一个 thread，这时客户机就只看到一个 CPU；但是，超线程技术实现了 CPU 核的虚拟化，一个核被虚拟化出多个逻辑 CPU，可以同时运行多个线程）。&
& 上图分三层，他们分别是是VM层，VMKernel层和物理层。对于物理服务器而言，所有的CPU资源都分配给单独的操作系统和上面运行的应用。应用将请求先发送给操作系统，然后操作系统调度物理的CPU资源。在虚拟化平台比如 KVM 中，在VM层和物理层之间加入了VMkernel层，从而允许所有的VM共享物理层的资源。VM上的应用将请求发送给VM上的操作系统，然后操纵系统调度Virtual
CPU资源（操作系统认为Virtual CPU和物理 CPU是一样的），然后VMkernel层对多个物理CPU Core进行资源调度，从而满足Virtual CPU的需要。在虚拟化平台中OS CPU Scheduler和Hyperviisor CPU Scheduler都在各自的领域内进行资源调度。&
& &KVM 中，可以指定 socket，core 和 thread 的数目，比如 设置 “-smp 5,sockets=5,cores=1,threads=1”，则 vCPU 的数目为 5*1*1 = 5。客户机看到的是基于 KVM vCPU 的 CPU 核，而 vCPU 作为 QEMU 线程被 Linux 作为普通的线程/轻量级进程调度到物理的
CPU 核上。至于你是该使用多 socket 和 多core，&有仔细的分析，其结论是在
VMware ESXi 上，性能没什么区别，只是某些客户机操作系统会限制物理 CPU 的数目，这种情况下，可以使用少 socket 多 core。
2.2.3 客户机系统的代码是如何运行的
&一个普通的 Linux 内核有两种执行模式：内核模式（Kenerl）和用户模式 （User）。为了支持带有虚拟化功能的 CPU，KVM 向 Linux 内核增加了第三种模式即客户机模式（Guest），该模式对应于 CPU 的 VMX non-root mode。
KVM 内核模块作为 User mode 和 Guest mode 之间的桥梁：
User mode 中的 QEMU-KVM 会通过 ICOTL 命令来运行虚拟机KVM 内核模块收到该请求后，它先做一些准备工作，比如将 VCPU 上下文加载到 VMCS （virtual machine control structure）等，然后驱动 CPU 进入 VMX non-root 模式，开始执行客户机代码
三种模式的分工为：
Guest 模式：执行客户机系统非 I/O 代码，并在需要的时候驱动 CPU 退出该模式Kernel 模式：负责将 CPU 切换到 Guest mode 执行 Guest OS 代码，并在 CPU 退出 &Guest mode 时回到 Kenerl 模式User 模式：代表客户机系统执行 I/O 操作
QEMU-KVM 相比原生 QEMU 的改动：
原生的 QEMU 通过指令翻译实现 CPU 的完全虚拟化，但是修改后的 QEMU-KVM 会调用 ICOTL 命令来调用 KVM 模块。原生的 QEMU 是单线程实现，QEMU-KVM 是多线程实现。
主机 Linux 将一个虚拟视作一个 QEMU 进程，该进程包括下面几种线程：
I/O 线程用于管理模拟设备vCPU 线程用于运行 Guest 代码其它线程，比如处理 event loop，offloaded tasks 等的线程
在我的测试环境中（RedHata Linux 作 Hypervisor）：
smp 设置的值
1 个主线程（I/O 线程）、4 个 vCPU 线程、3 个其它线程
1 个主线程（I/O 线程）、6 个 vCPU 线程、3 个其它线程
&谈谈了这些线程的情况。
客户机代码执行（客户机线程）
非 I/O 线程
虚拟CPU（主机 QEMU 线程）
QEMU I/O 线程
QEMU vCPU 线程
物理 CPU 的 VMX non-root 模式中
物理 CPU 的 VMX non-root 模式中
2.2.4 从客户机线程到物理 CPU 的两次调度
要将客户机内的线程调度到某个物理 CPU，需要经历两个过程：
客户机线程调度到客户机物理CPU 即 KVM vCPU，该调度由客户机操作系统负责，每个客户机操作系统的实现方式不同。在 KVM 上，vCPU 在客户机系统看起来就像是物理 CPU，因此其调度方法也没有什么不同。vCPU 线程调度到物理 CPU 即主机物理 CPU，该调度由 Hypervisor 即 Linux 负责。
& & KVM 使用标准的 Linux 进程调度方法来调度 vCPU 进程。Linux 系统中，线程和进程的区别是 进程有独立的内核空间，线程是代码的执行单位，也就是调度的基本单位。Linux 中，线程是就是轻量级的进程，也就是共享了部分资源(地址空间、文件句柄、信号量等等)的进程，所以线程也按照进程的调度方式来进行调度。
（1）Linux 进程调度原理可以参考&&和&。通常情况下，在SMP系统中，Linux内核的进程调度器根据自有的调度策略将系统中的一个可运行（runable）进程调度到某个CPU上执行。下面是
Linux 进程的状态机：
（2）处理器亲和性：可以设置 vCPU 在指定的物理 CPU 上运行，具体可以参考&和&。
& & 根据 Linux 进程调度策略，可以看出，在 Linux 主机上运行的 KVM 客户机 的总 vCPU 数目最好是不要超过物理 CPU 内核数，否则，会出现线程间的 CPU 内核资源竞争，导致有虚机因为 vCPU 进程等待而导致速度很慢。
关于这两次调度，业界有很多的研究，比如上海交大的论文&&提出动态地减少 vCPU 的数目即减少第二次调度。
另外，&谈到的是 vSphere CPU 的调度方式，有空的时候可以研究下并和
KVM vCPU 的调度方式进行比较。
2.3 客户机CPU结构和模型
KVM 支持 SMP 和 NUMA 多CPU架构的主机和客户机。对 SMP 类型的客户机，使用 “-smp”参数：
-smp &n&[,cores=&ncores&][,threads=&nthreads&][,sockets=&nsocks&][,maxcpus=&maxcpus&]
对 NUMA 类型的客户机，使用 “-numa”参数：
-numa &nodes&[,mem=&size&][,cpus=&cpu[-cpu&]][,nodeid=&node&]&
&命令来获取主机所支持的 CPU 模型列表。
[root@rh65 s1]# kvm -cpu ?
Opteron_G5
AMD Opteron 63xx class CPU
Opteron_G4
AMD Opteron 62xx class CPU
Opteron_G3
AMD Opteron 23xx (Gen 3 Class Opteron)
Opteron_G2
AMD Opteron 22xx (Gen 2 Class Opteron)
Opteron_G1
AMD Opteron 240 (Gen 1 Class Opteron)
Intel Core Processor (Haswell)
SandyBridge
Intel Xeon E312xx (Sandy Bridge)
Westmere E56xx/L56xx/X56xx (Nehalem-C)
Intel Core i7 9xx (Nehalem Class Core i7)
Intel Core 2 Duo P9xxx (Penryn Class Core 2)
Intel Celeron_4x0 (Conroe/Merom Class Core 2)
cpu64-rhel5
QEMU Virtual CPU version (cpu64-rhel5)
cpu64-rhel6
QEMU Virtual CPU version (cpu64-rhel6)
Intel(R) Atom(TM) CPU N270
QEMU Virtual CPU version 0.12.1
Genuine Intel(R) CPU
QEMU Virtual CPU version 0.12.1
Common KVM processor
Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU
AMD Phenom(tm) 9550 Quad-Core Processor
QEMU Virtual CPU version 0.12.1
Recognized CPUID flags:
f_edx: pbe ia64 tm ht ss sse2 sse fxsr mmx acpi ds clflush pn pse36 pat cmov mca pge mtrr sep apic cx8 mce pae msr tsc pse de vme fpu
f_ecx: hypervisor rdrand f16c avx osxsave xsave aes tsc-deadline popcnt movbe x2apic sse4.2|sse4_2 sse4.1|sse4_1 dca pcid pdcm xtpr cx16 fma cid ssse3 tm2 est smx vmx ds_cpl monitor dtes64 pclmulqdq|pclmuldq pni|sse3
extf_edx: 3dnow 3dnowext lm|i64 rdtscp pdpe1gb fxsr_opt|ffxsr fxsr mmx mmxext nx|xd pse36 pat cmov mca pge mtrr syscall apic cx8 mce pae msr tsc pse de vme fpu
extf_ecx: perfctr_nb perfctr_core topoext tbm nodeid_msr tce fma4 lwp wdt skinit xop ibs osvw 3dnowprefetch misalignsse sse4a abm cr8legacy extapic svm cmp_legacy lahf_lm
[root@rh65 s1]#
& & 每个 Hypervisor 都有自己的策略，来定义默认上哪些CPU功能会被暴露给客户机。至于哪些功能会被暴露给客户机系统，取决于客户机的配置。qemu32 和 qemu64 是基本的客户机 CPU 模型，但是还有其他的模型可以使用。你可以使用 qemu-kvm 命令的 -cpu &model& 参数来指定客户机的 CPU 模型，还可以附加指定的 CPU 特性。&-cpu& 会将该指定 CPU 模型的所有功能全部暴露给客户机，即使某些特性在主机的物理CPU上不支持，这时候QEMU/KVM
会模拟这些特性，因此，这时候也许会出现一定的性能下降。&
RedHat Linux 6 上使用默认的 cpu64-rhe16 作为客户机 CPU model：
你可以指定特定的 CPU model 和 feature：
qemu-kvm -cpu Nehalem,+aes
你也可以直接使用 -cpu host，这样的话会客户机使用和主机相同的 CPU model。
2.4 客户机 vCPU 数目的分配方法
不是客户机的 vCPU 越多，其性能就越好，因为线程切换会耗费大量的时间；应该根据负载需要分配最少的 vCPU。主机上的客户机的 vCPU 总数不应该超过物理 CPU 内核总数。不超过的话，就不存在 CPU 竞争，每个 vCPU 线程在一个物理 CPU 核上被执行；超过的话，会出现部分线程等待 CPU 以及一个 CPU 核上的线程之间的切换，这会有 overhead。将负载分为计算负载和 I/O 负载，对计算负载，需要分配较多的 vCPU，甚至考虑 CPU 亲和性，将指定的物理 CPU 核分给给这些客户机。
这篇文章 （） 介绍了一些指导性方法，摘要如下：
我们来假设一个主机有 2 个socket，每个 socket 有 4 个core。主频2.4G MHZ 那么一共可用的资源是&2*4*2.4G= 19.2G MHZ。假设主机上运行了三个VM，VM1和VM2设置为1socket*1core，VM3设置为1socket*2core。那么VM1和VM2分别有1个vCPU，而VM3有2个vCPU。假设其他设置为缺省设置。
那么三个VM获得该主机CPU资源分配如下：VM1：25%； VM2：25%； VM3:50%
&假设运行在VM3上的应用支持多线程，那么该应用可以充分利用到所非配的CPU资源。2vCPU的设置是合适的。假设运行在VM3上的应用不支持多线程，该应用根本无法同时使用利用2个vCPU. 与此同时，VMkernal层的CPU Scheduler必须等待物理层中两个空闲的pCPU，才开始资源调配来满足2个vCPU的需要。在仅有2vCPU的情况下，对该VM的性能不会有太大负面影响。但如果分配4vCPU或者更多，这种资源调度上的负担有可能会对该VM上运行的应用有很大负面影响。
确定 vCPU 数目的步骤。假如我们要创建一个VM，以下几步可以帮助确定合适的vCPU数目
1 了解应用并设置初始值
& & 该应用是否是关键应用，是否有Service Level Agreement。一定要对运行在虚拟机上的应用是否支持多线程深入了解。咨询应用的提供商是否支持多线程和SMP（Symmetricmulti-processing）。参考该应用在物理服务器上运行时所需要的CPU个数。如果没有参照信息，可设置1vCPU作为初始值，然后密切观测资源使用情况。
2 观测资源使用情况
& & 确定一个时间段，观测该虚拟机的资源使用情况。时间段取决于应用的特点和要求，可以是数天，甚至数周。不仅观测该VM的CPU使用率，而且观测在操作系统内该应用对CPU的占用率。特别要区分CPU使用率平均值和CPU使用率峰值。
& & &假如分配有4个vCPU，如果在该VM上的应用的CPU
使用峰值等于25%， 也就是仅仅能最多使用25%的全部CPU资源，说明该应用是单线程的，仅能够使用一个vCPU （4 * 25% = 1 ）平均值小于38%，而峰值小于45%，考虑减少 vCPU 数目平均值大于75%，而峰值大于90%，考虑增加 vCPU 数目
3 更改vCPU数目并观测结果
每次的改动尽量少，如果可能需要4vCPU，先设置2vCPU在观测性能是否可以接受。
2. KVM 内存虚拟化
2.1 内存虚拟化的概念
& & 除了 CPU&虚拟化，另一个关键是内存虚拟化，通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机。虚拟机的内存虚拟化很象现在的操作系统支持的虚拟内存方式，应用程序看到邻近的内存地址空间，这个地址空间无需和下面的物理机器内存直接对应，操作系统保持着虚拟页到物理页的映射。现在所有的 x86 CPU&都包括了一个称为内存管理的模块MMU（Memory
Management Unit）和&TLB(Translation Lookaside Buffer)，通过MMU和TLB来优化虚拟内存的性能。
& &KVM 实现客户机内存的方式是，利用mmap系统调用，在QEMU主线程的虚拟地址空间中申明一段连续的大小的空间用于客户机物理内存映射。
（&HVA 同下面的 MA，GPA 同下面的 PA，GVA 同下面的 VA）
在有两个虚机的情况下，情形是这样的：
可见，KVM 为了在一台机器上运行多个虚拟机，需要增加一个新的内存虚拟化层，也就是说，必须虚拟&MMU&来支持客户操作系统，来实现 VA -& PA -& MA 的翻译。客户操作系统继续控制虚拟地址到客户内存物理地址的映射
（VA -& PA），但是客户操作系统不能直接访问实际机器内存，因此VMM 需要负责映射客户物理内存到实际机器内存 （PA -& MA）。
VMM 内存虚拟化的实现方式：
软件方式：通过软件实现内存地址的翻译，比如&Shadow page table （影子页表）技术硬件实现：基于 CPU 的辅助虚拟化功能，比如 AMD 的 NPT 和 Intel 的 EPT 技术&
影子页表技术：
2.2 KVM 内存虚拟化
&KVM 中，虚机的物理内存即为 qemu-kvm 进程所占用的内存空间。KVM 使用 CPU 辅助的内存虚拟化方式。在 Intel 和 AMD 平台，其内存虚拟化的实现方式分别为：
AMD 平台上的 NPT （Nested Page Tables） 技术Intel 平台上的 EPT （Extended Page Tables）技术
EPT 和 NPT采用类似的原理，都是作为&CPU 中新的一层，用来将客户机的物理地址翻译为主机的物理地址。关于 EPT， Intel 官方文档中的技术如下（实在看不懂...）
EPT的好处是，它的两阶段记忆体转换，特点就是将 Guest Physical Address → System Physical Address，VMM不用再保留一份 SPT (Shadow Page Table)，以及以往还得经过 SPT 这个转换过程。除了降低各部虚拟机器在切换时所造成的效能损耗外，硬体指令集也比虚拟化软体处理来得可靠与稳定。
2.3 KSM （Kernel SamePage Merging 或者&Kernel Shared Memory）
KSM 在 Linux&2.6.32 版本中被加入到内核中。
2.3.1 原理
其原理是，KSM 作为内核中的守护进程（称为 ksmd）存在，它定期执行页面扫描，识别副本页面并合并副本，释放这些页面以供它用。因此，在多个进程中，Linux将内核相似的内存页合并成一个内存页。这个特性，被KVM用来减少多个相似的虚拟机的内存占用，提高内存的使用效率。由于内存是共享的，所以多个虚拟机使用的内存减少了。这个特性，对于虚拟机使用相同镜像和操作系统时，效果更加明显。但是，事情总是有代价的，使用这个特性，都要增加内核开销，用时间换空间。所以为了提高效率，可以将这个特性关闭。
2.3.2 好处
其好处是，在运行类似的客户机操作系统时，通过 KSM，可以节约大量的内存，从而可以实现更多的内存超分，运行更多的虚机。&
2.3.3 合并过程
（1）初始状态：
（2）合并后：
（3）Guest 1 写内存后：
2.4 &KVM Huge Page Backed Memory （巨页内存技术）
使用巨页，KVM的虚拟机的页表将使用更少的内存，并且将提高CPU的效率。最高情况下，可以提高20%的效率！
使用方法，需要三部：
mkdir /dev/hugepages
mount -t hugetlbfs hugetlbfs /dev/hugepages
#保留一些内存给巨页
sysctl vm.nr_hugepages=2048 （使用 x86_64 系统时，这相当于从物理内存中保留了2048 x 2M = 4GB 的空间来给虚拟机使用）
#给 kvm 传递参数 hugepages
qemu-kvm - qemu-kvm -mem-path /dev/hugepages
也可以在配置文件里加入：
&memoryBacking&
&hugepages/&
&/memoryBacking&
验证方式，当虚拟机正常启动以后，在物理机里查看：
cat /proc/meminfo |grep -i hugepages
&老外的，他使用的是libvirt方式，先让libvirtd进程使用hugepages空间，然后再分配给虚拟机。
参考资料：
虚拟化技术性能比较和分析，周斌，张莹
参考知识库
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