FPGA 101手把手课堂：Zynq MPSoC得到 Xen 管理程序支持

开源方面

“开源”一词用来描述软件是开放的，但不一定是免费的。开源软件的源代码允许在精心制定的许可协议下修改和共享，以使软件的自由性得到保护。最为广泛认可的开源许可证协议是 GNU 通用公共许可证(有效版本为 GPLv2 和 GPLv3）、GNU 宽通用公共许可证、Apache 许可证和 BSD 许可证(有多个不同版本)。

开源不一定免费。以开源产品为主的公司与传统软件公司有所不同，通常使用不同的收入模式，例如销售产品支持、附件(例如印刷版用户手册)、培训或定制设计服务。Red Hat 是最有名的开源公司之一，他们围绕开源 Linux 操作系统打造出一家数十亿美元的企业。

将 XEN 映射到新的 ZYNQ

赛灵思的最新 Zynq UltraScale+ MPSoC 可提供一个用来运行 Xen 管理程序的强大平台。该器件具有一个四核 ARM Cortex-A53 处理器，并具有硬件虚拟化扩展和 64 位的 ARMv8 指令集。强大的硬件需要配以丰富的软件支持，以充分利用其功能和性能。开发新款 Zynq MPSoC 时，赛灵思对各行业的主要客户进行了调研，包括航空航天与军用、医疗、电信和汽车行业。结论是：大部分客户都希望新型器件提供管理程序，其中一半希望是开源管理程序。赛灵思选择 Xen 作为开源管理程序，并选择 DornerWorks 为新的 Xen Zynq 提供支持服务。

Xen 管理程序在虚拟机中托管客户操作系统，为它们提供底层机器的虚拟化视图。然后，客户操作系统及其应用程序使用虚拟化的 CPU、存储器和 I/O，同时由 Xen 管理如何将虚拟化资源映射到物理资源。

在 Xen 中，每个虚拟机都被称为一个域。为了使管理程序内核尽可能小，Xen 会给一个域赋予特权。这个系统域称为 dom0。该域启动其他客户域(每个客户域称为 domU)，配置由内核强制执行的调度和存储器映射，以及管理 I/O 访问权限。为了更详细说明，我们考虑一下管理程序环境的的几个视图：启动顺序、ARM 异常级别、运行调度和资源管理。

从加电开始，可通过多种方式配置新型 Zynq MPSoC 上的启动顺序，包括哪个处理器（Cortex-A53 或 Cortex-R5）先启动。在大多数用例中，两个处理器都相当独立，因此，标准 Xen Zynq 管理程序版本只运行在 Cortex-A53 上。图 1 给出了一个典型的启动顺序。如果第一阶段引导加载程序 (FSBL)


图 1 – 典型启动顺序显示直到客户操作系统运行为止的各个阶段。

Cortex-R5 用来托管独立的非虚拟化的安全操作系统，那么它通常从简单的第一阶段引导加载程序(FSBL) 中首先启动。R5 启动后，接下来接着启动 A53，并从其自身的 FSBL 开始。第二阶段引导加载程序（例如 U-Boot），通常用来提供更多的启动功能，可能包括管理程序内核镜像的完整性检查。

在这个阶段，Xen 管理程序内核被调用。内核启动包括检查有效的 dom0。接下来，dom0 检查客户域的有效镜像，然后在一个或多个内核上启动和调度它们。大多数情况下，dom0 会继续运行，以便监控系统，提供对共享资源的管理，并处理特性系统故障。管理程序内核在每个域上下文切换期间运行，也通过超级调用来调用。超级调用与系统调用类似，后者允许应用程序调用操作系统服务，而这里则是调用管理程序服务。默认方式下，dom0 可进行任何管理程序调用，而 domU 只能做特定的管理程序调用。不过，开发人员可以使用 Xen 模块 XSM-FLASK 对超级调用访问实现更为精细的控制。处理器硬件强制执行由 ARM 异常级别模型定义的分类特权。Cortex-A53 使用 ARMv8 架构，该架构定义四个异常级别，如图 2 所示，图中最底部的级别具有最高特权，随着级别上升特权降低。完整访问特权在异常级别 EL3 赋予，用于实现 ARM Trust Zone 监控。管理程序在 EL2 级上运行，以实现客户域的虚拟化。在每个被托管的虚拟机中，托管的操作系统运行在 EL1 级上。最后，用户应用程序在EL0 级以最低权限运行。当变为权限较低的异常级别时，虚拟机寄存器必须具有相同宽度或者更窄。这意味着你可以使用 64 位管理程序和 32 位的客户机，但不能颠倒。Xen Zynq 使用 ARMv8 架构的 AArch64 执行模型，从而支持 64 位或 32 位客户机。

特权域 dom0 建立调度，以决定各域何时运行以及在哪个或哪些内核上运行。然后，管理程序内核执行配置后的调度计划。为达到某种类型的确定性，应配置一个调度计划，使客户域在它的时隙内对机器具有唯一访问权。图 3 给出的实例中，客户机 1（与 dom0 一起）在单个时隙内运行在多个内核上，而客户机 2 和 3 则没有这个限制，因此可以在其他时隙内以混合匹配的负载平衡计划对它们进行调度。

管理程序管理所有机器资源。CPU 内核主要进行分时管理，如上所述。

存储器不是通过分时进行共享，而是分空间共享，把存储器的一部分分配给每个客户域。管理程序使用硬件存储器管理单元 (MMU) 来实施存储器布局。I/O 的管理差异很大，取决于器件的类型。有些 I/O 器件可被直接映射到 Cortex-A53，而其他 I/O 器件必须配置后才能连通 FPGA可编程架构。


图 2 – ARM 异常级别图显示了映射到 EL2 的管理程序。

客户机对 I/O 器件的访问由 dom0 进行配置和管理，利用对 Xen 内核进行合适的超级调用来建立指向器件的存储器映射。Dom0 可授权客户域访问所需的特定 I/O 器件，也可能自己管理共享 I/O，起到网关的作用以实现共享机制。Xen 中的域间通信(包括 I/O)通常使用 Xen 事件通道进行通知，使用共享存储器来传送数据。Xen 共享 I/O 器件驱动程序采用分离驱动模式，客户域中的上一半驱动程序将 API 提供至客户操作系统，将用来往返传送数据的功能提供至dom0。然后，dom0 中的下一半驱动程序执行器件的实际 I/O 操作。