Multicore embedded virtualization architecture exploiting ARM TrustZone

Abstract

O mercado e a própria aplicabilidade de sistemas embebidos têm-se expandido exponencialmente nos últimos anos, levando a uma crescente complexidade e sofisticação dos mesmos. A estes é agora cada vez mais exigido que integrem características próprias de diferentes classes de sistemas operativos – o cariz de tempo-real dos sistemas operativos de Tempo-Real (RTOS) e as interfaces gráficas dos sistemas operativos de Propósito Geral (GPOS). Uma das soluções que permite a coexistência de ambientes heterogéneos numa mesma plataforma de hardware e que garante, ao mesmo tempo, o isolamento dos requisitos de temporeal face às interferências introduzidas pelas características de propósito geral é a utilização da tecnologia de virtualização. Existe um interesse generalizado por parte da indústria e academia em investigar soluções de virtualização assistidas por hardware uma vez que estas apresentam vantagens ao nível de desempenho e esforço de engenharia quando comparadas com as técnicas e soluções tradicionais. A crescente necessidade de integração de um maior número de funcionalidades e complexidade nos sistemas embebidos atuais tem sido acompanhada por melhorias, na sua quase totalidade correspondentes, de performance por parte das plataformas single-core. No entanto esse crescimento está a tornar-se gradualmente insuficiente, levando em muitos casos a consumos energéticos exagerados por parte destas plataformas devido ao aumento insustentável da performance. A única solução viável para aumentar a performance sem comprometer o consumo é a migração para plataformas multicore. Neste contexto a presente dissertação propõe a expansão de uma framework de virtualização assistida por hardware numa configuração single-core para uma configuração multicore. A tecnologia ARM TrustZone é explorada e utilizada pela framework já existente como uma extensão de virtualização do próprio processador, garantindo a execução simultânea de um GPOS e de um RTOS. Esta dissertação tem por objetivo implementar uma configuração Asymetric MultiProcessing (AMP) numa abordagem direta: dual guest, dual core. Será também explorada a implementação de um mecanismo de comunicação inter-partição por forma a potencializar as características das partições integrantes na framework.

The embedded systems’ market and its own applicability has expanded exponentially these last few years, leading to a growth in their complexity and sophistication. They have been increasingly demanded to integrate features of different operating systems classes – the real-time requirements of Real Time Operating Systems (RTOS) and the graphical interfaces of General Purpose Operating Systems (GPOS). One of the solutions which allows the coexistence of heterogenous environments in a same hardware platform and at the same time enforces the isolation of the real-time requirements against the interferences introduced by the general-purpose features is the use of virtualization technology. There is a general interest by both the industry and the scientific community to explore the hardware assisted virtualization solutions, since they present a better performance level and engineering effort when compared with traditional solutions. The growing need for integration of a multiple number of features as well as complexity levels in embedded systems has been followed by improvements in performance rates, almost correspondently, by single-core platforms. Nevertheless, these improvements are becoming gradually insufficient, leading in many cases to an exaggerated energy consumption by those platforms due to the unsustainable need for performance levels. The only viable solution to the aforementioned problem without compromising the energy consumption is the migration to multicore platforms. In this context, the present dissertation purposes the expansion of a singlecore hardware assisted virtualization framework to a multicore configuration. The existent framework explores the use of the technology ARM TrustZone as virtualization extensions of the processor, thus granting the simultaneous execution of a RTOS and a GPOS. This dissertation has as its main goal the implementation of an Asymmetric MultiProcessing configuration in a straightforward approach: dual guest, dual core. Additionally the implementation of inter-partition communication mechanisms will be explored in order to potentiate the capabilities of the integrating parts of the framework.