Porting of LTZVisor to the Zynq Ultrascale+ MPSoC ZCU102 Board

Abstract

Presently, computing technology is expanding towards realms that seemed unrealistic at the stages of its emergence, shifting from traditional single-purpose designs to modern generalpurpose appliances centred around connectivity, ubiquity, and security. With this constant reshaping of metrics, it is important to devise new solutions from the onset, taking into account the system’s features at the architecture level. In fact, many manufacturers are motivated in improving nowadays’ devices to wield powerful services in their hardware, liberating software to expand on general-purpose applications. With the rise of virtualization, it is possible to apply the functionalities of physically absent components on a single processor, leading to the employment of fewer devices but requiring more powerful processing units. In systems with real-time requirements, this increase in overhead is prejudicial as it overloads execution with too many operations. By designing devices from the onset with those functions in mind, software ceases to handle such complex and time-consuming roles, which are guaranteed by the platform’s architectural features instead. Thus, hardwareassisted virtualization technologies balance out the total system workload between the software and hardware domains. This dissertation presents the porting process of a TrustZone-assisted virtualization solution (LTZVisor) through ARM’s latest high-performance architectures. This change in architecture entails a transfer to newer embedded platforms, like the state-of-the-art heterogeneous Zynq Ultrascale+ MPSoC from Xilinx adopted as the target board for this project. It is mentioned how the emergent architecture capabilities can be handled to implement virtualized scenarios with low overhead, suggesting methods to apply them in a secure and lightweight execution environment. These approaches were validated through the integration and evaluation of real-time virtual machines with distinct privileges, where the performance sensitive guests thrived without interfering with one another.

Atualmente, a tecnologia computacional está a expandir-se para áreas que pareciam inalcançáveis nas suas etapas primordiais, substituindo os tradicionais modelos de propósito único por aplicações modernas de propósito geral focadas em conectividade, ubiquidade e segurança. Devido a esta constante remodelação de métricas, é importante desenhar novas soluções desde as fases iniciais de desenvolvimento, tendo em conta as características do sistema a nível arquitectural. De facto, muitos fabricantes estão determinados a melhorar os dispositivos dos dias de hoje de modo a providenciarem vários serviços através do seu hardware, libertando o software para se dedicar a aplicações de propósito geral. Com o crescimento da virtualização, é possível aplicar funcionalidades de componentes fisicamente absentes num único processador, resultando na utilização de menos dispositivos mas também de unidades de processamento mais potentes. Em sistemas de tempo-real, este aumento de funcionalidades torna-se prejudicial visto que sobrecarrega a execução com demasiadas operações. Ao se projetar dispositivos desde as primeiras fases com estas considerações, é possível fazer com que estes cargos deixem de ser encarregues a software, sendo portanto garantidos pelas capacidades arquiteturais das plataformas. Deste modo, a virtualização assistida por hardware consegue equilibrar toda a carga de um sistema entre os domínios do software e do hardware. Esta dissertação apresenta o processo de ”porting” de uma solução de virtualização assistida por TrustZone (LTZVisor) pelas últimas arquiteturas de alto desempenho da ARM. Esta migração entre arquiteturas implica uma alteração de plataforma, como a surgente e heterogénea Zynq Ultrascale+ MPSoC da Xilinx, adotada como placa de desenvolvimento deste projeto. É indicado como as capacidades da arquitetura emergente podem ser manuseadas de modo a implementar cenários de virtualização com pouca carga, sugerindo métodos para as aplicar em ambientes de execução leves e seguros. Estas abordagens foram validadas através da integração e avaliação de máquinas virtuais de tempo-real com privilégios distintos, onde os hóspedes prosperaram sem interferirem um com o outro.