專利名稱：虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法和裝置及查找器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，具體而言，涉及一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法和裝置及查找器。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)日益多元化，在帶來計(jì)算性能大幅提升的同時(shí)，也加劇了軟件兼容性問題。異構(gòu)虛擬機(jī)技術(shù)是解決軟件兼容性問題的重要手段。異構(gòu)虛擬機(jī)能夠在一種硬件平臺(tái)上運(yùn)行針對(duì)另一種硬件平臺(tái)編寫的二進(jìn)制可執(zhí)行程序，其原理是在宿主硬件平臺(tái)上通過軟件或軟硬件結(jié)合的方式虛擬出目標(biāo)硬件平臺(tái)的指令系統(tǒng)和相關(guān)硬件部件，從而使針對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的軟件能夠在其上運(yùn)行。在異構(gòu)虛擬機(jī)系統(tǒng)中，TLB (Translation Lookaside Buffer,轉(zhuǎn)譯后備緩沖器)的模擬效率是影響虛擬機(jī)整體效率的關(guān)鍵。TLB為典型的內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器，存放虛擬地址和其對(duì)應(yīng)的物理地址條目，用來加速虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程。其索引關(guān)鍵字為虛擬內(nèi)存地址，索引結(jié)果為物理內(nèi)存地址。當(dāng)CPU在執(zhí)行過程中需要訪問內(nèi)存時(shí)，會(huì)根據(jù)指令中的虛擬內(nèi)存地址向TLB發(fā)出查詢請(qǐng)求。如果請(qǐng)求的虛擬地址在TLB中存在，TLB將在非常短的時(shí)間內(nèi)返回對(duì)應(yīng)的物理地址給CPU，之后CPU就可以使用得到的物理地址訪問內(nèi)存。如果請(qǐng)求的虛擬地址不在TLB中，就會(huì)使用軟件的頁表進(jìn)行虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換，而軟件頁表的訪問速度比TLB慢很多。由于訪存操作在一般軟件中的執(zhí)行頻率非常高，因而TLB模擬器在虛擬機(jī)的執(zhí)行過程中的訪問頻率也非常高，TLB模擬器的性能直接影響整個(gè)虛擬機(jī)的執(zhí)行性能。已有的虛擬機(jī)大多采用純軟件的方法模擬目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程(如QEMU, Bochs, Simple-scalar等)。以著名開源虛擬機(jī)軟件QEMU為例,其目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程可分為三步1)由目標(biāo)機(jī)虛擬地址到目標(biāo)機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換，這里的目標(biāo)機(jī)物理地址實(shí)質(zhì)上是QEMU模擬的目標(biāo)機(jī)內(nèi)存的物理地址。QEMU通過純軟件模擬的TLB完成這一轉(zhuǎn)換過程。2)由目標(biāo)機(jī)物理地址到宿主機(jī)虛擬地址的轉(zhuǎn)換，QEMU通過把目標(biāo)機(jī)物理地址與模擬的目標(biāo)機(jī)內(nèi)存首地址對(duì)應(yīng)的宿主機(jī)虛擬地址相加完成這一轉(zhuǎn)換。3)由宿主機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換，這一步轉(zhuǎn)換不是由虛擬機(jī)直接完成，而是交由宿主機(jī)硬件完成。QEMU在上述步驟I中采用純軟件的方式模擬TLB的功能，通過哈希查找的方式完成由目標(biāo)機(jī)虛擬地址到目標(biāo)機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換，以目標(biāo)計(jì)算平臺(tái)基本塊的首條指令物理地址作為檢索鍵值，以宿主計(jì)算平臺(tái)基本塊的首條指令虛擬地址作為檢索內(nèi)容。為了提高轉(zhuǎn)換效率，QEMU對(duì)高頻執(zhí)行的基本塊，建立每個(gè)鏈最多只有一個(gè)node的hash快表(稱為指令cache)，在針對(duì)一個(gè)指令地址查找基本塊時(shí)，采用兩級(jí)查找首先在指令cache、其次在hash表中進(jìn)行查找。這種純軟件的TLB模擬方式將原本硬件完成的工作上升到軟件層次完成，使得需要用軟件指令處理不同體系結(jié)構(gòu)之間的差異性，因而會(huì)帶來明顯的額外性能開銷。具體來說，圖I中虛線部分示出這種純軟件TLB模擬方法，包括步驟(I):查找軟件TLB;如果查找到，獲取相應(yīng)的物理地址，如果查找不到，執(zhí)行步驟(2):進(jìn)行TLB缺失異常處理。在上述的步驟(I)中，查找TLB需要遍歷軟件TLB表，包含循環(huán)操作，其時(shí)間復(fù)雜度與TLB表項(xiàng)數(shù)成正比。即使在某些情況下可通過hash表加速其查找過程，仍需要數(shù)十條指令方可完成，因而會(huì)帶來明顯的額外性能開銷。針對(duì)相關(guān)技術(shù)中的上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法和裝置及查找器，以至少解決相關(guān)技術(shù)中虛擬機(jī)技術(shù)使用純軟件TLB進(jìn)行內(nèi)存訪問會(huì)帶來額外性能開銷的問題。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法，包括根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址,其中，第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器；若在第一查找 器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址,則訪問查找到的物理地址指示的物理內(nèi)存。優(yōu)選的，根據(jù)指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址包括判斷CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，檢索鍵值為來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址；若CAM中是存在索弓I域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，則CAM返回索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。優(yōu)選的，根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址之后，還包括若在第一查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則通過第二查找器查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，第二查找器為純軟件物理地址查找器；若在第二查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則獲取虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，并根據(jù)獲取的虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址訪問物理內(nèi)存。優(yōu)選的，通過第二查找器查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址之后，還包括若在第二查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則分配內(nèi)存地址與虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問分配的內(nèi)存地址；將虛擬地址和分配的內(nèi)存地址存入第二查找器。優(yōu)選的，其特征在于，還包括若在第二查找器中記錄的物理地址被查找的頻率超過預(yù)定閾值，則將虛擬地址和與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址存入第一查找器的CAM中。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種查找器，該查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器，包括第一查找單元，用于根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址；第一訪問單元，用于在第一查找單元查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，訪問查找到的物理地址指示的物理內(nèi)存。優(yōu)選的，第一查找單元包括第一判斷模塊，用于判斷CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，檢索鍵值為來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址；第一返回模塊，用于在第一判斷模塊判斷出CAM中是存在索弓I域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)時(shí)，返回CAM中索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置，該裝置包括第二查找單元，用于根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器；第二訪問單元，用于在第一查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，訪問查找到的物理地址指示的物理內(nèi)存。優(yōu)選的，第二查找單元包括第二判斷模塊，用于判斷CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，檢索鍵值為來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址；第二返回模塊，用于在CAM中是存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)時(shí)，返回CAM中索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。優(yōu)選的，還包括第三查找單元，用于在第一查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，通過第二查找器查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，第二查找器為純軟件物理地址查找器；第三訪問單元，用于在第二查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，獲取虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，并根據(jù)獲取的虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址訪問物理內(nèi)存。
優(yōu)選的，還包括分配單元，用于在第二查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，分配內(nèi)存地址與虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問分配的內(nèi)存地址；第一存儲(chǔ)單元，用于將虛擬地址和分配的內(nèi)存地址存入第二查找器。通過本發(fā)明，在虛擬機(jī)中從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程中，首先在由內(nèi)容索引全相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器中進(jìn)行查找，若查找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，直接訪問查找到的物理地址。這種使用CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器將大部分的查找操作從查找內(nèi)存中的數(shù)組轉(zhuǎn)化為查找硬件CAM，能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，解決了相關(guān)技術(shù)中虛擬機(jī)技術(shù)使用純軟件TLB進(jìn)行內(nèi)存訪問會(huì)帶來額外性能開銷的問題，達(dá)到減小了虛擬機(jī)工作過程中的開銷的技術(shù)效果。


此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖I是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的純軟件的TLB模擬方式的一種示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法的一種優(yōu)選的流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的查找器的一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置的一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置的又一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置的又一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置的又一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置的另一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法的一種優(yōu)選的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下文中將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。實(shí)施例I本實(shí)施例提供了一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法，具體地，如圖2所示，該方法包括S202，根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，第一查找器為由內(nèi)容索引全相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器；S204,若在第一查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則訪問查找到的物理地址指示的物理內(nèi)存。上述優(yōu)選的實(shí)施方式的實(shí)施，在虛擬機(jī)中從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程中，首先在由內(nèi)容索引全相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器(第一查找器)中進(jìn)行查找，若查找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，直接訪問查找到的物理地址。這種使用CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器將大部分的查找操作從查找內(nèi)存中的數(shù)組轉(zhuǎn)化為查找硬件CAM，能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，解決了相關(guān)技術(shù)中虛擬機(jī)技術(shù)使用純軟件TLB進(jìn)行內(nèi)存訪問會(huì)帶來 額外性能開銷的問題，減小了虛擬機(jī)工作過程中的開銷。本優(yōu)選的實(shí)施例還提供了一種根據(jù)指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址的方法，具體來說，該方法包括判斷CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，檢索鍵值為來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址；若CAM中是存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，則CAM返回索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。在上述優(yōu)選的實(shí)施方式中，把虛擬地址作為檢索鍵值在第一查找器CAM的索引域內(nèi)容查找虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，由于第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器，因此能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，減小了虛擬機(jī)工作過程中的開銷。本優(yōu)選的實(shí)施例還對(duì)上述的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法進(jìn)行了優(yōu)化，具體地，在根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址之后，該方法還包括若在第一查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則通過第二查找器查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，第二查找器為純軟件物理地址查找器；若在第二查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則獲取虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，并根據(jù)獲取的虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址訪問物理內(nèi)存。在上述優(yōu)選的實(shí)施方式中，在虛擬機(jī)從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程中，先通過第一查找器查找，由于第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器，因此能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，可以減小虛擬機(jī)工作過程中的開銷，在第一查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，使用純軟件的物理地址查找器查找，保證虛擬機(jī)從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程的順利完成。本實(shí)施例還對(duì)上述的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化了，優(yōu)選的，通過第二查找器查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址之后，還包括若在第二查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址,則分配內(nèi)存地址與虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問分配的內(nèi)存地址；將虛擬地址和分配的內(nèi)存地址存入第二查找器。在上述優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)化了上述的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法，在第二查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí),系統(tǒng)分配分配新的內(nèi)存地址與虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問分配的內(nèi)存地址,進(jìn)一步保證虛擬機(jī)從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程的順利完成。
優(yōu)選的，若在第二查找器中記錄的物理地址被查找的頻率超過預(yù)定閾值，則將虛擬地址和與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址存入第一查找器的CAM中。上述優(yōu)選的技術(shù)方案的實(shí)施，在第二查找器被查找的物理地址頻率較高時(shí)，可將虛擬地址和虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址存入第一查找器，方便以后第一查找器的查找，進(jìn)一步的，減小了虛擬機(jī)工作過程中系統(tǒng)的開銷。實(shí)施例2在上述實(shí)施例I的基礎(chǔ)上，本優(yōu)選的實(shí)施例提供了一種查找器，該查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器，優(yōu)選的，上述的CAM中包含索引域和與該索引域?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)域。具體來說，如圖3所示，該查找器包括第一查找單元302，用于根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址；第一訪問單元304，用于在第一查找單元302查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，訪問查找到的物理地址指示的物理內(nèi)存。上述優(yōu)選的實(shí)施方式的實(shí)施，在虛擬機(jī)中從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的 轉(zhuǎn)換過程中，首先在由內(nèi)容索引全相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器中進(jìn)行查找，若查找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，直接訪問查找到的物理地址。這種使用CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器將大部分的查找操作從查找內(nèi)存中的數(shù)組轉(zhuǎn)化為查找硬件CAM，能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，解決了相關(guān)技術(shù)中虛擬機(jī)技術(shù)使用純軟件TLB進(jìn)行內(nèi)存訪問會(huì)帶來額外性能開銷的問題，減小了虛擬機(jī)工作過程中的開銷。進(jìn)一步地，本實(shí)施例還對(duì)上述第一查找單元302進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)選的，如圖4所示，上述第一查找單元302包括第一判斷模塊402，用于判斷CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，檢索鍵值為來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址；第一返回模塊404，用于在第一判斷模塊402判斷出CAM中是存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)時(shí)，返回CAM中索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容，上述優(yōu)選的技術(shù)方案的實(shí)施，提供了一種具體的根據(jù)指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址的方法，以實(shí)現(xiàn)在虛擬機(jī)中從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程。實(shí)施例3在上述實(shí)施例I和實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例提供了一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置，具體來說，如圖5所示，該裝置包括第二查找單元502，用于根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址,其中，第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器；第二訪問單元504，用于在第一查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，訪問查找到的物理地址指示的物理內(nèi)存。在虛擬機(jī)中從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程中，首先在由內(nèi)容索引全相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器(第一查找器)中進(jìn)行查找,若查找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址,直接訪問查找到的物理地址。這種使用CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器將大部分的查找操作從查找內(nèi)存中的數(shù)組轉(zhuǎn)化為查找硬件CAM，能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，解決了相關(guān)技術(shù)中虛擬機(jī)技術(shù)使用純軟件TLB進(jìn)行內(nèi)存訪問會(huì)帶來額外性能開銷的問題，減小了虛擬機(jī)工作過程中的開銷。本實(shí)施例還對(duì)上述第二查找單元502進(jìn)行了改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址。為實(shí)現(xiàn)上述目的，具體地，如圖6所示，上述第二查找單元502還包括第二判斷模塊602，用于判斷CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，檢索鍵值為來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址；第二返回模塊604，用于在CAM中是存在索弓I域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)時(shí)，返回CAM中索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。在上述優(yōu)選的實(shí)施方式中，把虛擬地址作為檢索鍵值在第一查找器CAM的索引域內(nèi)容查找虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，由于第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器，因此能夠·在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，減小了虛擬機(jī)工作過程中的開銷。本實(shí)施例還對(duì)上述虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置進(jìn)行了優(yōu)化，具體來說，如圖7所示，該裝置還包括第三查找單元702，用于在第一查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，通過第二查找器查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，第二查找器為純軟件物理地址查找器；第三訪問單元704，用于在第二查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，獲取虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，并根據(jù)獲取的虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址訪問物理內(nèi)存。在上述優(yōu)選的實(shí)施方式中，在虛擬機(jī)從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程中，先通過第一查找器查找，由于第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器，因此能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，可以減小虛擬機(jī)工作過程中的開銷，在第一查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，使用純軟件的物理地址查找器查找，保證虛擬機(jī)從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程的順利完成。本實(shí)施例還對(duì)上述虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，具體來說，如圖8所示，該裝置還包括分配單元802，用于在第二查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，分配物理內(nèi)存地址與虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問分配的物理內(nèi)存地址；第一存儲(chǔ)單元804，用于將虛擬地址和分配的內(nèi)存地址存入第二查找器。在上述優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)化了上述的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法,在第二查找器未查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，系統(tǒng)分配分配新的物理地址與虛擬地址對(duì)應(yīng),并訪問分配的內(nèi)存地址,進(jìn)一步保證虛擬機(jī)從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程的順利完成。優(yōu)選的，上述虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝還包括第二存儲(chǔ)單元，若在第二查找器中記錄的物理地址被查找的頻率超過預(yù)定閾值，則將虛擬地址和與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址存入第一查找器的CAM中。上述優(yōu)選的技術(shù)方案的實(shí)施，在第二查找器被查找的物理地址頻率較高時(shí)，可將虛擬地址和虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址存入第一查找器，方便以后第一查找器的查找，進(jìn)一步的，減小了虛擬機(jī)工作過程中系統(tǒng)的開銷。實(shí)施例4在上述實(shí)施例1-3的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提供了一種具體的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法，圖9虛線內(nèi)示出該方法具體的步驟步驟(I):查找CAM;具體來說，虛擬機(jī)的虛擬CPU在執(zhí)行過程中，以循環(huán)的方式不斷取出目標(biāo)指令。如果該目標(biāo)指令為訪存指令，則取出該指令的地址(即目標(biāo)機(jī)虛擬地址)，作為模擬器的輸入。以目標(biāo)機(jī)虛擬地址作為檢索鍵值，查找CAM。如果CAM中存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，則CAM會(huì)返回對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)域內(nèi)容，即查找結(jié)果，執(zhí)行步驟(4)。如果CAM中不存在符合條件的表項(xiàng)，則返回一個(gè)失敗信號(hào)，執(zhí)行步驟(2)。優(yōu)選的，在上述步驟(I)中，如果CAM的容量不足，需要將之前存入CAM的虛擬地址和物理地址索引信息替換出去。優(yōu)選的，可以采用全部清空策略，先進(jìn)先出策略(FIFO)，隨機(jī)策略(Random)或最近最少使用策略(LRU)。優(yōu)選的，在上述步驟(I)中，CAM中的數(shù)據(jù)域存儲(chǔ)的內(nèi)容可以是目標(biāo)機(jī)的物理地址，也可以是宿主機(jī)的虛擬地址或者宿主機(jī)的物理地址，具體存儲(chǔ)哪種地址可根據(jù)虛擬機(jī)運(yùn)行的軟硬件環(huán)境和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度來選擇。步驟(2):查找軟件TLB ；具體來說，在CAM沒有查找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，使用目標(biāo)虛擬地址在軟件實(shí)現(xiàn)的TLB查找器中查找物理地址。優(yōu)選的，軟件TLB查找器使用數(shù)組存儲(chǔ)目標(biāo)虛擬地 址和物理地址對(duì)應(yīng)信息，優(yōu)選的，可通過對(duì)數(shù)組內(nèi)容建立hash索弓I加快查找速度，優(yōu)選的，為了提高查找效率，可使用多級(jí)hash表存儲(chǔ)虛擬地址和物理地址的索引信息。如果hash索引中存在與目標(biāo)虛擬地址相同的鍵值，則返回對(duì)應(yīng)的數(shù)組內(nèi)容，即為所要查找的物理地址，執(zhí)行步驟(4)。同時(shí)，將目標(biāo)虛擬地址和對(duì)應(yīng)的物理地址裝入CAM以供下次查詢使用。優(yōu)選的，也可在物理地址被查找的頻率超過預(yù)定閾值時(shí)再將將目標(biāo)虛擬地址和對(duì)應(yīng)的物理地址裝入CAM以供下次查詢使用。如果hash索引中不存在與目標(biāo)虛擬地址相同的鍵值，則返回軟件TLB缺失信號(hào)，執(zhí)行步驟(3)。步驟(3) =TLB缺失異常處理；重新分配內(nèi)存地址與虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問分配的內(nèi)存地址；優(yōu)選的,將虛擬地址和分配的內(nèi)存地址存入軟件的TLB查找器中。步驟(4):根據(jù)找到的物理地址，完成計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存的訪問。以上就是本發(fā)明的一次完整模擬過程。在這一過程中，使用CAM將傳統(tǒng)的純軟件模擬TLB方法改為軟硬件結(jié)合完成，將其中90%以上的查找操作從查找內(nèi)存中的數(shù)組轉(zhuǎn)化為查找硬件CAM，查找開銷從數(shù)十條指令減少到一次CAM訪問。下面以在龍芯3A平臺(tái)上運(yùn)行X86虛擬機(jī)為例，說明在這兩種異構(gòu)平臺(tái)上用CAM實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同TLB模擬器的方法。龍芯3A完全兼容MIPS指令系統(tǒng)，能夠同時(shí)支持4K，16K等不同頁面，常見的X86的CPU和操作系統(tǒng)可支持4K頁面，因而，能夠以龍芯3A為宿主計(jì)算平臺(tái)模擬目標(biāo)X86的虛擬機(jī)。具體地，在龍芯3A中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包含64項(xiàng)存儲(chǔ)空間的CAM，并提供了 3條CAM操作指令，優(yōu)選的，該指令包括=CAMPV (查詢CAM表項(xiàng))，CAMWI (寫CAM表項(xiàng))，CAMRD (讀CAM表項(xiàng))。假設(shè)虛擬機(jī)使用連續(xù)的宿主機(jī)物理內(nèi)存模擬X86物理內(nèi)存，并且其初始物理地址為0x40000000。在虛擬的X86的CPU中，應(yīng)用程序存在如下虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系虛擬地址0x834e0000，該虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址為0x00070000，并且此映射關(guān)系已經(jīng)被裝入CAM中。此時(shí)，應(yīng)用程序需要執(zhí)行指令:M0V ECX，0x834e0002。此指令經(jīng)虛擬機(jī)翻譯后成為如下龍芯3A指令
Iui tO,0x834e0000ori tO,0x0002Iw s0，0(t0)宿主機(jī)龍芯3A的CPU在執(zhí)行最后一條Iw s0，0(t0)指令時(shí)，使用虛擬的頁面基地址0x834e0000作為查詢鍵值，使用指令CAMPV向CAM發(fā)出查詢請(qǐng)求。因?yàn)镃AM中存在索引域?yàn)?x834e0000的表項(xiàng)，CAMPV會(huì)返回該表項(xiàng)中數(shù)據(jù)域的內(nèi)容，即0x40070000。這一物理地址再加上頁內(nèi)偏移0x00000002，即為實(shí)際的物理地址0x40070002。從上述描述中可以看出，本發(fā)明所提供的虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法能夠在單條 (PU指令周期(CAMPV指令)內(nèi)返回正確的物理地址。過程簡單，能明顯減少開銷。從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明在虛擬機(jī)中從目標(biāo)機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的轉(zhuǎn)換過程中，首先在由內(nèi)容索引全相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器中進(jìn)行查找，若查找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址,直接訪問查找到的物理地址。這種使用CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器將大部分的查找操作從查找內(nèi)存中的數(shù)組轉(zhuǎn)化為查找硬件CAM，能夠在單次CAM訪問的時(shí)間內(nèi)獲得需要的結(jié)果，解決相關(guān)技術(shù)中虛擬機(jī)技術(shù)使用純軟件TLB進(jìn)行內(nèi)存訪問會(huì)帶來額外性能開銷的問題，減小虛擬機(jī)工作過程中的開銷。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明的各模塊或各步驟可以用通用的計(jì)算裝置來實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個(gè)的計(jì)算裝置上，或者分布在多個(gè)計(jì)算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計(jì)算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中由計(jì)算裝置來執(zhí)行，并且在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟，或者將它們分別制作成各個(gè)集成電路模塊，或者將它們中的多個(gè)模塊或步驟制作成單個(gè)集成電路模塊來實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法，其特征在于，包括 根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，所述第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器； 若在所述第一查找器中查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則訪問查找到的所述物理地址指示的物理內(nèi)存。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址包括 判斷所述CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，所述檢索鍵值為所述來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址； 若所述CAM中是存在索引域內(nèi)容與所述檢索鍵值相同的表項(xiàng),則所述CAM返回所述索引域內(nèi)容與所述檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址之后，還包括 若在所述第一查找器未查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則通過第二查找器查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，所述第二查找器為純軟件物理地址查找器； 若在所述第二查找器中查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則獲取所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址,并根據(jù)獲取的所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址訪問物理內(nèi)存。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過第二查找器查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址之后，還包括 若在所述第二查找器未查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則分配內(nèi)存地址與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問所述分配的內(nèi)存地址； 將所述虛擬地址和所述分配的內(nèi)存地址存入所述第二查找器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，還包括 若在所述第二查找器中記錄的物理地址被查找的頻率超過預(yù)定閾值，則將所述虛擬地址和與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址存入第一查找器的CAM中。
6.一種查找器，其特征在于，所述查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器，包括 第一查找單元，用于根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址； 第一訪問單元，用于在所述第一查找單元查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，訪問查找到的所述物理地址指示的物理內(nèi)存。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的查找器，其特征在于，所述第一查找單元包括 第一判斷模塊，用于判斷所述CAM中是否存在索引域內(nèi)容與所述檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，所述檢索鍵值為所述來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址； 第一返回模塊，用于在所述第一判斷模塊判斷出所述CAM中是存在索引域內(nèi)容與所述檢索鍵值相同的表項(xiàng)時(shí)，返回所述CAM中索引域內(nèi)容與所述檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。
8.—種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問裝置，其特征在于，包括 第二查找單元，用于根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，所述第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器； 第二訪問單元，用于在所述第一查找器中查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，訪問查找到的所述物理地址指示的物理內(nèi)存。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述第二查找單元包括 第二判斷模塊，用于判斷所述CAM中是否存在索引域內(nèi)容與檢索鍵值相同的表項(xiàng)，其中，所述檢索鍵值為所述來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址； 第二返回模塊，用于在所述CAM中是存在索引域內(nèi)容與所述檢索鍵值相同的表項(xiàng)時(shí)，返回所述CAM中索引域內(nèi)容與所述檢索鍵值相同的數(shù)據(jù)域內(nèi)容。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，還包括 第三查找單元，用于在所述第一查找器未查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，通過第二查找器查找與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，所述第二查找器為純軟件物理地址查找器； 第三訪問單元，用于在所述第二查找器中查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，獲取所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，并根據(jù)獲取的所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址訪問物理內(nèi)存。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括 分配單元，用于在所述第二查找器未查找到與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址時(shí)，分配內(nèi)存地址與所述虛擬地址對(duì)應(yīng)，并訪問所述分配的內(nèi)存地址； 第一存儲(chǔ)單元，用于將所述虛擬地址和所述分配的內(nèi)存地址存入所述第二查找器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問方法和裝置及查找器，其中，該方法包括根據(jù)來自虛擬機(jī)的訪問指令中的虛擬地址在第一查找器中查找與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，其中，第一查找器為由CAM和物理地址查找邏輯組成的軟硬件協(xié)同物理地址查找器；若在第一查找器中查找到與虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則訪問查找到的物理地址指示的物理內(nèi)存。本發(fā)明解決了相關(guān)技術(shù)中的虛擬機(jī)技術(shù)使用純軟件TLB進(jìn)行內(nèi)存訪問會(huì)帶來額外性能開銷的問題，達(dá)到減小了虛擬機(jī)工作過程中的開銷的技術(shù)效果。
文檔編號(hào)G06F9/455GK102662869SQ20121009659
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者姜海濤, 胡偉武, 靳國杰, 高翔 申請(qǐng)人:龍芯中科技術(shù)有限公司