嵌入式Hypervisor 架构 原理与应用-孙陈伟-电子与嵌入式系统设计丛书 pdf下载

内容简介

本书由资深虚拟化专家撰写，辅以大量验证式案例，提供参考源码。本书从解读虚拟化技术、Hypervisor产品入手，之后深入剖析嵌入式Hypervisor的架构、设计与实现、高级应用。阅读本书，不仅能提升读者对嵌入式Hypervisor的认知，还能助力汽车、航空航天等高安全需求行业打造适用的产品，构建基于Hypervisor的软件生态。

全书共15章，从逻辑上分为三部分。第一部分（第1～2章）介绍Hypervisor基础，涵盖虚拟化技术与实现、主流的嵌入式Hypervisor产品，以及基于分离内核的嵌入式Hypervisor等内容。第二部分（第3～12章）介绍嵌入式Hypervisor的设计与实现，涵盖嵌入式Hypervisor架构与核心组件、中断隔离技术、内存隔离技术、循环表调度器、健康监控、分区间通信技术、内核资源管理模型、系统初始化过程、内核服务、PRTOS的配套工具等内容。第三部分（第13～15章）介绍嵌入式Hypervisor的高级应用和PRTOS未来规划，涵盖μC/OS-II与Linux内核的虚拟化过程以及PRTOS社区的愿景等内容。

目　　录

前言

第1章　Hypervisor概述　/ 1

1.1　虚拟化技术与实现　/ 1

1.1.1　CPU虚拟化　/ 2

1.1.2　I/O虚拟化　/ 5

1.1.3　为什么需要虚拟化技术　/ 6

1.1.4　虚拟化的实现　/ 8

1.2　面向桌面和企业云的Hypervisor

　　 类型和产品　/ 13

1.3　嵌入式Hypervisor　/ 14

1.3.1　嵌入式Hypervisor概述　/ 14

1.3.2　嵌入式Hypervisor的

　　　　　　设计理念　/ 16

1.4　主流的嵌入式Hypervisor

　　 产品　/ 19

1.4.1　国外RTOS厂商的Hypervisor

　　 产品　/ 19

1.4.2　开源嵌入式Hypervisor产品　/ 22

1.4.3　国内RTOS 厂商的Hypervisor

　　　　　 产品　/ 24

1.5　本章小结　/ 24

第2章　基于分离内核的嵌入式

　　　　　　　Hypervisor　/ 25

2.1　分区和分离内核　/ 25

2.2　嵌入式Hypervisor的实现方式　/ 28

2.2.1　基于分离内核的Hypervisor

　　　　　　实现　/ 29

2.2.2　基于RTOS扩展的Hypervisor

　　　　　　实现　/ 29

2.2.3　模块化开放软件解决方案　/ 30

2.3　PRTOS Hypervisor　/ 31

2.3.1　PRTOS Hypervisor的架构　/ 31

2.3.2　PRTOS对处理器的功能需求　/ 34

2.3.3　PRTOS Hypervisor的多核支持　/ 34

2.3.4　PRTOS的安全性和可预测性　/ 35

2.3.5　PRTOS系统的状态转换流程　/ 36

2.4　本章小结　/ 40

第3章　嵌入式Hypervisor组件设计　/ 41

3.1　硬件依赖层　/ 41

3.1.1　硬件资源虚拟化　/ 41

3.1.2　处理器驱动　/ 43

3.1.3　时钟驱动　/ 46

3.1.4　定时器驱动　/ 48

3.1.5　中断控制器驱动　/ 50

3.1.6　页式内存管理驱动　/ 54

3.1.7　控制台驱动　/ 57

3.1.8　分区上下文切换　/ 58

3.2　虚拟化服务层　/ 59

3.2.1　虚拟中断服务　/ 59

3.2.2　虚拟时钟和虚拟定时器服务　/ 59

3.2.3　虚拟内存管理服务　/ 60

3.2.4　虚拟设备管理服务　/ 61

3.2.5　健康监控管理服务　/ 61

3.2.6　虚拟处理器调度服务　/ 62

3.2.7　分区管理服务　/ 63

3.2.8　分区间通信服务　/ 64

3.2.9　超级调用派发服务　/ 65

3.2.10　跟踪管理服务　/ 66

3.3　内部服务层　/ 66

3.3.1　KLIBC　/ 66

3.3.2　分区引导程序　/ 67

3.3.3　队列操作数据结构　/ 67

3.4　超级调用接口函数库　/ 69

3.5　本章小结　/ 69

第4章　中断隔离技术的设计与实现　/ 70

4.1　中断模型　/ 70

4.2　内核中断设计　/ 72

4.3　分区中断设计　/ 74

4.3.1　分区中断处理流程　/ 75

4.3.2　分区陷阱表的初始化　/ 76

4.3.3　分区中断描述符表的初始化　/ 77

4.4　虚拟时钟和虚拟定时器　/ 78

4.4.1　虚拟时钟　/ 78

4.4.2　虚拟定时器　/ 81

4.5　BAIL　/ 84

4.5.1　BAIL概述　/ 84

4.5.2　裸机应用示例　/ 85

4.6　实验：虚拟时钟和虚拟

　　 定时器示例　/ 87

4.6.1　分区0的裸机应用　/ 88

4.6.2　分区1的裸机应用　/ 89

4.7　本章小结　/ 91

第5章　内存隔离技术的设计与实现　/ 92

5.1　PRTOS内核的工作模式　/ 92

5.1.1　X86处理器的特权模式　/ 93

5.1.2　PRTOS内核和分区的实现方式　/ 93

5.1.3　PRTOS内核空间的初始化　/ 93

5.2　处理器的内存管理模型　/ 96

5.2.1　PRTOS的虚拟地址空间分配　/ 97

5.2.2　PRTOS分区内存的虚拟化　/ 98

5.2.3　PRTOS分区内存的虚拟化实现　/ 99

5.3　PRTOS内存管理的虚拟化　/ 102

5.4　实验：分区内存隔离示例　/ 104

5.4.1　分区0的裸机应用　/ 106

5.4.2　分区1的裸机应用　/ 106

5.4.3　分区2的裸机应用　/ 107

5.5　本章小结　/ 109

第6章　循环表调度器的设计与实现　/ 110

6.1　PRTOS调度器概述　/ 110

6.1.1　单处理器调度策略　/ 110

6.1.2　多处理器调度策略　/ 113

6.2　循环表调度器的数据结构

　　 与实现　/ 115

6.2.1　内核线程数据结构　/ 115

6.2.2　Per-CPU数据结构　/ 120

6.2.3　调度器框架　/ 121

6.2.4　循环表调度器的实现　/ 123

6.2.5　内核线程上下文的切换　/ 126

6.3　分区和虚拟处理器管理　/ 128

6.4　实验：分区调度示例　/ 129

6.4.1　单核多分区调度策略示例　/ 130

6.4.2　多核多分区调度策略示例　/ 133

6.5　本章小结　/ 135

第7章　健康监控的设计与实现　/ 136

7.1　健康监控的目的　/ 136

7.2　健康监控的实现　/ 137

7.2.1　健康监控事件　/ 138

7.2.2　健康监控行为　/ 139

7.2.3　健康监控配置　/ 140

7.2.4　健康监控日志　/ 143

7.3　分层健康监控的实现　/ 144

7.3.1　Hypervisor级健康监控

　　　的实现　/ 145

7.3.2　分区级健康监控的实现　/ 146

7.4　实验：健康监控示例　/ 148

7.4.1　示例描述　/ 148

7.4.2　XML配置文件　/ 149

7.4.3　分区0和分区1的裸机应用　/ 150

7.4.4　分区2的裸机应用　/ 151

7.5　本章小结　/ 152

第8章　分区间通信技术　/ 153

8.1　采样端口通信　/ 153

8.1.1　采样端口的定义　/ 154

8.1.2　采样端口的实现　/ 155

8.2　排队端口通信　/ 160

8.2.1　排队端口的定义　/ 160

8.2.2　排队端口的实现　/ 161

8.3　共享内存通信　/ 164

8.4　实验：分区间通信示例　/ 164

8.4.1　XML配置文件　/ 165

8.4.2　分区的裸机应用　/ 166

8.5　本章小结　/ 170

第9章　内核资源管理模型设计　/ 171

9.1　PRTOS内核的资源管理模型　/ 171

9.1.1　虚拟控制台　/ 171

9.1.2　对象管理框架　/ 172

9.2　PRTOS功能组件注册　/ 175

9.2.1　通信端口组件　/ 175

9.2.2　控制台组件　/ 177

9.2.3　健康监控组件　/ 177

9.2.4　内存操作组件　/ 177

9.2.5　状态查询组件　/ 178

9.2.6　跟踪管理组件　/ 178

9.3　控制台设备管理　/ 179

9.3.1　UART输出设备　/ 180

9.3.2　VGA输出设备　/ 181

9.3.3　内存块输出设备　/ 182

9.4　实验：内核设备驱动示例　/ 182

9.4.1　跟踪管理示例　/ 182

9.4.2　虚拟控制台设备管理示例　/ 185

9.5　本章小结　/ 188

第10章　系统初始化过程　/ 189

10.1　Hypervisor内核的初始化过程　/ 189

10.1.1　PRTOS启动序列　/ 189

10.1.2　PRTOS初始化流程　/ 192

10.2　PRTOS的初始化实现　/ 193

10.2.1　start()函数的实现　/ 193

10.2.2　start_prtos()函数的实现　/ 195

10.2.3　setup_kernel()函数的实现　/ 196

10.3　PRTOS分区的初始化过程　/ 200

10.3.1　PBL的职责　/ 200

10.3.2　分区引导器的实现　/ 201

10.3.3　单vCPU分区的初始化　/ 202

10.3.4　多vCPU分区的初始化　/ 203

10.4　实验：双vCPU分区的初始化

　　　过程　/ 204

10.5　本章小结　/ 205

第11章　内核服务的设计原则　/ 206

11.1　超级调用服务　/ 206

11.1.1　系统服务　/ 206

11.1.2　分区服务　/ 207

11.1.3　时钟和定时器服务　/ 207

11.1.4　调度服务　/ 208

11.1.5　分区间通信服务　/ 208

11.1.6　健康监控服务　/ 209

11.1.7　追踪服务　/ 209

11.1.8　中断管理服务　/ 209

11.1.9　X86处理器专用服务　/ 210

11.1.10　分区控制表服务　/ 210

11.2　PRTOS的设计原则　/ 210

11.2.1　系统确定性设计原则　/ 211

11.2.2　静态资源配置原则　/ 211

11.2.3　机密性设计原则　/ 212

11.2.4　高速缓存处理原则　/ 212

11.2.5　PRTOS开发流程原则　/ 213

11.3　本章小结　/ 214

第12章　PRTOS的配套工具　/ 215

12.1　配置文件解析工具　/ 215

12.1.1　功能选项说明　/ 215

12.1.2　XSD语义文件　/ 217

12.2　PEF格式转换工具　/ 219

12.3　容器构建工具　/ 221

12.4　自引导映像构建工具　/ 222

12.5　配置信息提取工具　/ 223

12.6　完整性检查工具　/ 224

12.7　预留资源提取工具　/ 225

12.8　结构体成员域偏移量计算工具　/ 226

12.9　本章小结　/ 227

第13章　分区Guest RTOS的虚拟化

　　　　　实现　/ 228

13.1　μC/OS-Ⅱ概述　/ 228

13.1.1　系统初始化模块　/ 228

13.1.2　任务调度模块　/ 228

13.1.3　互斥与同步机制模块　/ 230

13.1.4　中断处理模块　/ 231

13.2　μC/OS-Ⅱ的虚拟化过程　/ 232

13.2.1　任务栈帧设计　/ 232

13.2.2　初始任务上下文的恢复　/ 233

13.2.3　任务上下文切换　/ 234

13.2.4　中断上下文切换　/ 235

13.2.5　μC/OS-Ⅱ分区入口函数的

　　　　实现　/ 235

13.2.6　μC/OS-Ⅱ分区的启动过程　/ 236

13.3　针对传统RTOS的分区

　　　虚拟化总结　/ 236

13.4　实验：分区μC/OS-Ⅱ示例　/ 238

13.4.1　示例描述　/ 238

13.4.2　在分区0和分区1上运行

　　　　μC/OS-Ⅱ系统　/ 239

13.5　本章小结　/ 240

第14章　分区Guest GPOS的虚拟化

　　　　　实现　/ 241

14.1　分区Linux内核的虚拟化　/ 241

14.2　Linux虚拟化过程中的问题　/ 242

14.2.1　分区Linux内核的I/O空间

　　　　和设备管理　/ 242

14.2.2　分区Linux的虚拟中断管理　/ 243

14.2.3　分区Linux内核映像地址

　　　　的重定位　/ 244

14.2.4　分区Linux的启动过程　/ 245

14.2.5　I/O空间访问管理　/ 248

14.3　分区Linux内核的设备管理　/ 248

14.3.1　分区Linux的设备分配　/ 248

14.3.2　分区Linux的设备虚拟化　/ 249

14.4　Linux分区的映像格式　/ 251

14.5　Guest Linux SDK概述　/ 255

14.5.1　生成Linux SDK　/ 256

14.5.2　Linux SDK的安装过程　/ 256

14.5.3　Linux SDK组件　/ 257

14.5.4　虚拟化Linux的构建过程　/ 258

14.6　本章小结　/ 261

第15章　PRTOS Hypervisor开源

　　　　　社区环境　/ 262

15.1　PRTOS Hypervisor的

　　　硬件支持　/ 262

15.1.1　X86指令集　/ 262

15.1.2　ARMv8指令集　/ 263

15.1.3　RISC-V指令集　/ 265

15.2　PRTOS的开发模式　/ 266

15.3　PRTOS Hypervisor的愿景　/ 266

15.4　本章小结　/ 267