2.3.1 PRTOS Hypervisor的架构

PRTOS采用半虚拟化技术实现。半虚拟化技术需要客户操作系统显式地调用PRTOS提供的半虚拟化接口，没有经过修改的客户操作系统是不能在PRTOS分区上运行的，因此客户操作系统的源码必须是可以获得的。PRTOS Hypervisor的架构如图2-2所示。

图2-2 PRTOS Hypervisor的架构

PRTOS为分区提供虚拟化服务。PRTOS内核运行在处理器特权模式下，虚拟出CPU、内存、中断，以及一些特定的外围设备。

在图2-2中，PRTOS Hypervisor分成以下4个组成部分。

（1）硬件依赖层

硬件依赖层代表和硬件打交道的对象，包含一组PRTOS内核必需的硬件驱动，比如硬件时钟、页表、分区上下文切换、硬件定时器、处理器和中断。硬件依赖层通过硬件抽象层接口和PRTOS的其他层隔离。硬件依赖层隐藏了底层硬件的复杂性，为底层硬件提供了更高层的抽象。

（2）内部服务层

内部服务层提供内部支持服务，这些服务对分区是不可见的。这一层包含一个微型精简的内核C库KLIBC（Kernel C Library for PRTOS，用于PRTOS的内核C库）。KLIBC提供了一组严格定义的标准C函数（比如strcpy()、memcpy()、sprint()等），以及一系列辅助数据结构封装，包含常见的数据结构实现（比如链表、队列）与分区启动代码。

（3）虚拟化服务层

虚拟化服务层提供了用于支持虚拟化的服务，这些服务程序通过Hypercall API提供给分区使用。这些服务的子集也可以被PRTOS的其他子模块使用。例如，物理内存管理器负责为PRTOS内核和分区分配物理内存页表项。

分区服务层包含的组件如下。

1）分区管理：负责分区的创建、删除、挂起等以及PCT（Partition Control Table，分区控制表）的管理 。

2）分区间通信：PRTOS实现了一种消息通信模型，这种模型借鉴自ARINC653标准。

3）虚拟处理器调度：负责分区中的vCPU调度。PRTOS内核vCPU调度器采用循环表调度（Cyclic Table-Driven Schedule）策略。

4）中断管理：物理中断由PRTOS进行管理，根据中断的性质将其投递到不同的分区。PRTOS处理硬件中断和陷阱，也负责激发分区的虚拟中断和虚拟陷阱。

5）超级调用派发：派发分区发给PRTOS内核的超级调用，类似于传统操作系统中系统调用的派发流程。

6）虚拟时钟和虚拟定时器管理的介绍如下。

①虚拟时钟：为系统提供微秒级精度的时钟。另外，PRTOS为每个分区提供了两种类型的时钟：一种是分区本地时钟，只有在分区处于执行状态时才会运行；另一种是分区全局时钟，从PRTOS系统启动后就开始运行，与当前分区的执行状态无关。

②虚拟定时器：具有微秒级精度的定时器，基于虚拟时钟实现。该组件为每个分区提供了两种类型的定时器：一种是分区本地定时器，只有在分区处于执行状态时才会被激活；另一种是全局定时器，无论分区是否处于执行状态，全局定时器始终处于激活状态。

7）内存管理：包含虚拟内存管理和物理内存管理。

①虚拟内存管理：负责管理虚拟内存到物理内存的页面映射，可以创建/释放虚拟内存映射。

②物理内存管理：负责管理系统物理内存页，追踪每一个物理内存页的状态（比如类型、所有者等），为PRTOS内核和所有创建的分区分配物理内存。

8）虚拟设备管理：PRTOS通过虚拟控制台将物理串行通信设备模拟为多个虚拟串行设备，以供各个分区使用；其他的外围设备（包括各种传感器、执行器、网络接口等）通过系统配置表可以分配给任何一个分区，PRTOS保证分区独占分配给它的资源。

9）健康监控：监测系统或者分区的异常事件或者状态，并做出反应措施，在错误发生的早期阶段试图解决错误，或者将错误限定在发生故障的子系统，避免或者减少可能的损失。

10）跟踪管理：存储和检索分区和PRTOS内核产生的跟踪信息。跟踪管理用于在应用的开发阶段辅助调试，也可以用于在产品阶段记录相关事件的日志信息。

（4）超级调用接口函数库

PRTOS将提供给分区的超级调用服务封装在超级调用接口函数库（libprtos）中。libprtos库屏蔽了与超级系统调用相关的底层细节，使得开发人员可以使用更高级别的编程语言（C语言）直接调用库中提供的函数来请求超级调用服务，降低了分区应用开发的复杂性。