（轉(zhuǎn)貼）System p 中的虛擬化

dada99

以比較概念的方式講述了 p 系列主機的虛擬化技術，是比較基礎的東西，很不錯。如果希望了解虛擬化技術或者LPAR的話，還是比較有用的。

原文：http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-syspvirtualization/index.html


級別： 中級
Ramakrishnan Kannan ([email=rkrishnan@in.ibm.com?subject=System%20p%20%E4%B8%AD%E7%9A%84%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%8C%96]rkrishnan@in.ibm.com[/email]), 高級軟件工程師, IBM India

2007 年  12 月  03 日

利用虛擬化的優(yōu)勢，可以最大程度地利用您的各種資源。虛擬化是一種現(xiàn)代方法，從 POWER4 開始，在所有的 System p™ 服務器中都提供了這種方法。本文介紹了物理和邏輯分區(qū)，特別是關于如何實現(xiàn)邏輯分區(qū)的內(nèi)容。

            引言
            您可以使用邏輯分區(qū)來承載各種不同的操作系統(tǒng)，通過在分區(qū)中分配操作系統(tǒng)和應用程序所需的硬件資源，您就可以創(chuàng)建這些分區(qū)。System p™中的虛擬化為不同的邏輯分區(qū)之間提供了嚴格的隔離。虛擬化具有一個重要的特性，在對邏輯分區(qū)進行動態(tài)配置和重新配置時，無需重新啟動整個物理計算機，也不會影響到其他分區(qū)。對于微分區(qū)（ Micro-Partitioning）™ 和虛擬 I/O 的支持是 POWER5™ 特定的新功能。
            為了對虛擬化、硬件、固件和操作系統(tǒng)提供支持，我們需要必要的支持。對虛擬化的硬件支持包括在 POWER5中引入一些新的寄存器，以及對中斷控制硬件的設計。POWER Hypervisor 是在 POWER5 中實現(xiàn)虛擬化的一個固件組件。本文介紹了POWER Hypervisor 的作用，以及它如何在一個分區(qū)的環(huán)境中提高性能。同步多線程（SimultaneousMulti-Threading）是 POWER5 中的一個特性，它支持獨立的指令流、或者線程，以便在同一個物理處理器中進行同步地執(zhí)行。AIX®操作系統(tǒng)提供了某些特性以支持虛擬化，包括各種分區(qū)性能監(jiān)視命令。本文還討論了在 System p 中虛擬化的硬件、固件和操作系統(tǒng)支持。
            什么是虛擬化呢？
            在計算的世界中，虛擬化是對物理資源進行抽象的一種機制。它提供一種邏輯的方式，以便查看物理資源、它們的組織獨立性、實現(xiàn)或者地理位置。
            準虛擬化的介紹
                            準虛擬化 是一種在 System p 中實現(xiàn)的虛擬化，它定義了名為 Hypervisor 的新層。該層位于硬件之上，并且使用稱為 hypervisor 調(diào)用的硬件，通過一組低層的例程進行操作。操作系統(tǒng)通過這些 Hypervisor 調(diào)用為 Hypervisor 提供了接口。
            邏輯分區(qū)
            Systemp中的準虛擬化是通過進行邏輯分區(qū)來實現(xiàn)的。邏輯分區(qū)不同于物理分區(qū)，后者以物理邊界對資源和硬件進行劃分以創(chuàng)建相應的分區(qū)。在進行物理分區(qū)時，每個分區(qū)可能運行相同的操作系統(tǒng)、或者相同操作系統(tǒng)的不同版本。I/O 資源、處理器和內(nèi)存并不在多個分區(qū)之間進行共享，因此，它們是完全隔離的。
            在進行邏輯分區(qū)時，通常使用一些物理處理器、內(nèi)存和 I/O設備來創(chuàng)建邏輯分區(qū)。對于要分配給一個分區(qū)的資源數(shù)量，并沒有具體規(guī)定（盡管在建立一個分區(qū)時，存在必須分配的最少資源）。因此，物理處理器、內(nèi)存和I/O可以分配給一個或多個分區(qū)。每種資源可以采取任何比例來進行分配。某些資源可以在所有的分區(qū)中共享，如電源供應�？梢詣�(chuàng)建的分區(qū)的總數(shù)依賴于系統(tǒng)處理器模型和可用的資源。
            一個分區(qū)，也稱為 LPAR，可以與其他分區(qū)進行通信，就好像每個分區(qū)都是一臺獨立的計算機一樣�？梢元毩⒌丶せ詈椭匦聠�動各個分區(qū)（獨立于其他的分區(qū)）。
                           
圖 1. 邏輯分區(qū)
                            
            每個邏輯分區(qū)都可以運行一個獨立的操作系統(tǒng)、或者相同操作系統(tǒng)的不同版本，但是在不同的分區(qū)之間，軟件是相互隔離的。如果一個分區(qū)中的操作系統(tǒng)出了故障，在其他分區(qū)中運行的操作系統(tǒng)不會受到任何影響。類似地，一個分區(qū)中運行的應用程序不會對在其他分區(qū)中運行的應用程序產(chǎn)生任何影響。
            所有的分區(qū)都共同使用整個物理內(nèi)存空間。然而，每個分區(qū)都有它自己的內(nèi)存空間，這對性能不會有任何影響�？梢酝ㄟ^獨立的地址映射機制來維護地址的隔離。
            可以在不同的分區(qū)之間動態(tài)地分配和重新分配資源，而不會影響其他分區(qū)，也無需重新啟動這些分區(qū)。對軟件而言，對物理資源所做的更改和重新分配也可能是透明的。在執(zhí)行應用程序期間，當為一個邏輯分區(qū)分配物理 CPU 失敗的時候，這種透明性的意義非常重大。對正在 CPU中運行的應用程序而言，對出現(xiàn)問題的 CPU 的替換是透明的。
            POWER Hypervisor 的介紹
            POWERHypervisor 也稱為來自 POWER5 的 phyp，是在 System p中實現(xiàn)準虛擬化的重要組件。它是一個全局固件映像，位于分區(qū)內(nèi)存之外的物理地址零處的第一個物理內(nèi)存塊中。在啟動系統(tǒng)的時候，它將獲得控制權，并收集相關的信息（該系統(tǒng)中提供了多少內(nèi)存、I/O 和其他資源）。POWER Hypervisor擁有并控制系統(tǒng)的全局資源，并且它負責建立邏輯分區(qū)，并定義分區(qū)的邊界。它將跟蹤分配給分區(qū)的資源，并在各個分區(qū)之間提供隔離。
            POWER Hypervisor 使用全局分區(qū)頁表執(zhí)行虛擬內(nèi)存管理，并管理分區(qū)嘗試訪問超出其分配限制之外的內(nèi)存的請求。我們將在后面的部分中更詳細地討論 POWER Hypervisor 的功能，包括調(diào)度和內(nèi)存管理。
            分區(qū)特定的固件支持
            分區(qū)特定的固件實例負責處理特定于該分區(qū)的固件活動。它可以在分區(qū)中定位操作系統(tǒng)映像，將啟動映像加載到內(nèi)存中，并為啟動傳輸控制。它還可以生成特定于該分區(qū)的設備樹。因此，操作系統(tǒng)可以識別它擁有的設備，并使用這些設備。每個設備樹僅包含分配給這個分區(qū)的設備。
            分區(qū)特定的固件提供了一組特定于 AIX 和 System p 的服務，稱為運行時抽象服務（Run-Time AbstractionServices，RTAS）。固件通過這些服務對硬件的特定屬性進行抽象。操作系統(tǒng)將調(diào)用這些服務，而不是直接地操作硬件。從而減少了在硬件更改時為每個平臺修改操作系統(tǒng)的需要。對硬件的后續(xù)更改將僅影響 RTAS 服務。
            專用的和共享的分區(qū)
            使用邏輯分區(qū)的概念，您可以在 System p 中創(chuàng)建兩種類型的分區(qū)。即專用的分區(qū)和共享的分區(qū)。
            正如在邏輯分區(qū)部分中指出的一樣，在準虛擬化中，將對物理處理器進行邏輯上的劃分。其結(jié)果是得到三類基于分區(qū)類型的處理器，即專用處理器、共享處理器和虛擬處理器。本文還介紹了與處理器執(zhí)行相關的 Hypervisor 的作用。
            當整個物理處理器專用于單個邏輯分區(qū)的時候，將其稱為專用的處理器。而在多個邏輯分區(qū)之間共享的物理處理器則稱為共享的處理器。換句話說，在共享處理器模式中，對一個邏輯分區(qū)僅僅分配物理處理器的一部分。所分配的這部分物理處理器稱為虛擬處理器。
            每個虛擬處理器的容量可以從物理處理器的 10% 到整個物理處理器�？梢圆捎� 0.01 處理單元的容量增量來定義處理能力。1.00 處理單元的能力與一個物理處理器相等。
            專門的分區(qū)由專門的物理處理器組成，而在共享的分區(qū)中，將在一組分區(qū)之間共享物理處理器的處理能力。
            在共享一個處理器的時候，應該確定為該分區(qū)所分配的處理單元的數(shù)目，以及將處理能力分布到多個分區(qū)的分區(qū)數(shù)目。一個系統(tǒng)可以包含共享同一組處理器的多個分區(qū)，并在它們之間劃分處理容量。
            可以考慮下面的示例，以幫助理解專門的處理器和共享的處理器。假定有四個物理處理器：

• P1
• P2
• P3
• P4

P1 和 P2 是專用的處理器，而 P3 和 P4 是共享的處理器。             處理器對 P1 和 P2 以及 P3 和 P4 都擁有 2.0 的處理單元。您可以將 P1 和 P2 分配給 LPAR1 分區(qū)，同時您可以在 LPAR2 和 LPAR3 分區(qū)之中共享 P3 和 P4。
            LPAR2 和 LPAR3 提供了從 0.1 到 2.0 的處理單元。P3 和 P4 的組合能力屬于一個共享池。也就是說，LPAR2 和 LPAR3 總的處理周期屬于該共享池�？梢怨蚕淼淖畲笕萘渴� 2.0。必須為每個分區(qū)分配的最小容量是 0.1。
            為 LPAR2 分配0.5 處理單元的虛擬處理器。剩余的 1.5 單元則分配給 LPAR3，LPAR3 有兩個虛擬處理器。LPAR3 中的每個虛擬處理器都有 0.75 的處理能力。
                            圖 2 描述了這個示例。
                           
圖 2. 虛擬處理器
                            
            根據(jù)分區(qū)中應用程序的用途為該分區(qū)分配相應的處理能力。
            對于共享的分區(qū)類型，我們將所分配的物理處理器容量稱為有權使用的容量。
            有兩類分區(qū)模式：有上限的 (capped) 和無上限的 (uncapped)。如果共享的分區(qū)已經(jīng)使用了分配給它的所有容量，那么它可以通過Hypervisor 調(diào)用，使用共享池中的空閑周期、或者還沒有使用的周期。如果共享的分區(qū)配置為無上限的，那么這種情況是可能的。
            如果共享的分區(qū)配置為有上限的，那么它不能使用共享池中的任何空閑周期、或者還沒有使用的周期。在缺省情況下，所有的專用分區(qū)都是有上限的。
            Hypervisor 在共享池中存儲虛擬處理器的整個處理周期。它負責在特定的物理處理器中分配虛擬處理器。在分配的過程中所使用的兩個 Hypervisor 調(diào)用是 hcede 和 hconfer。
            如果所分配的虛擬處理器在分配周期結(jié)束之前完成了它的工作，那么操作系統(tǒng)將調(diào)用 hcede Hypervisor 調(diào)用，以便將將剩余的周期交還給Hypervisor。Hypervisor可以使用這些周期來完成它自己的某些任務，如分配或者內(nèi)存管理。如果虛擬處理器在同一周期中獲得了新的工作，那么 Hypervisor會返回未使用的周期。
            hconfer 是操作系統(tǒng)在共享分區(qū)中使用的一個 Hypervisor調(diào)用，用以將一個虛擬處理器的某些處理器周期交換給同一個分區(qū)中的另一個特定的虛擬處理器，它能夠判斷出第二虛擬處理器需要使用第一個虛擬處理器所擁有的多余周期。例如，假定一個虛擬處理器持有一個鎖，并且它沒有足夠的周期來釋放這個鎖。如果另一個虛擬處理器需要這個鎖，并且擁有多余的周期，那么它通過這個調(diào)用將剩余周期交換給第一個處理器。
            如果某些專用分區(qū)有未使用的處理器容量，那么它可以將這些未使用的容量貢獻給共享池，以便使用專門分區(qū)的系統(tǒng)能夠獲取更好的性能和更高的 CPU使用率。專門的分區(qū)提供了一個屬性和貢獻標記（可以對它們進行相應的設置），用于確定該分區(qū)是否可以將其未使用的周期貢獻給共享池。
            從 POWER5 開始，Hypervisor 可以從專用的分區(qū)強制地竊取周期以進行 Hypervisor 的工作。盡管 Hypervisor通常在分區(qū)中的處理器處于空閑狀態(tài)時才進行竊取，但它也可能在另一種情況下竊取周期，即當分區(qū)中的處理器等待某種 Hypervisor活動完成的時候。如果所竊取的空閑周期不足以完成 Hypervisor的工作，那么它還可以在處理器處于忙碌狀態(tài)的時候挪用周期。這種周期的竊取操作與處理器貢獻的啟用以及任何分區(qū)設置無關。
            同步多線程
            處理器的類型或者數(shù)目，以及它們的能力都不能單獨地決定系統(tǒng)的性能�？捎糜布�資源的有效使用率在系統(tǒng)性能中起到了重要的作用。
             這一點是廣為認可的，因此在 POWER5 系統(tǒng)中引入了同步多線程。
             為了討論同步多線程，您需要了解單線程執(zhí)行過程在處理器中的正常執(zhí)行。請參見下面的圖 3。
                           
圖 3. 處理器的執(zhí)行
                            
            其中，F(xiàn)X、FP 和 BRX 是不同的硬件執(zhí)行單元。在硬件級別中，物理處理器是作為不同的執(zhí)行單元進行組織的，例如定點和浮點操作單元。單個線程將通過這些執(zhí)行單元中的其中一個來執(zhí)行。
            在同步多線程中，在同一個物理處理器的不同硬件單元中，同步地執(zhí)行來自同一個分區(qū)的兩個獨立的指令流（線程）。在硬件級別中，通過使用流水線操作來完成這個任務。
            同步多線程可以確保同步地利用所有不同的單元。在 POWER5 中，對于每個處理器，您最多可以擁有兩個同步多線程的線程。物理處理器將負責處理這兩個線程之間的同步問題。
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