多核處理器在計算領(lǐng)域的盛行現(xiàn)已成為現(xiàn)實，OEM 正在嘗試在不同處理器內(nèi)核上劃分其應(yīng)用程序的方法。在嵌入式計算領(lǐng)域，這可能意味著同時在同一處理器芯片上托管多個異構(gòu)操作系統(tǒng)。因此，虛擬化是關(guān)鍵。雖然某些虛擬機管理器 （VMM） 僅混合使用通用操作系統(tǒng) （GPOS），但同時包含實時操作系統(tǒng) （RTOS） 和 GPOS 的任務(wù)關(guān)鍵型虛擬化方案帶來了其獨特的挑戰(zhàn)。Chris 揭示了虛擬化和確定性的細(xì)節(jié)，提供了一個示例，然后解釋了遺留應(yīng)用程序如何適應(yīng)該方案。

考慮到多核處理器在嵌入式領(lǐng)域中的日益普及，虛擬化是使多個操作系統(tǒng)在多核處理器芯片上共存的關(guān)鍵。但是，每個虛擬化嵌入式系統(tǒng)都是不同的，特別是當(dāng)嵌入式系統(tǒng)涉及在同一平臺上的不同來賓操作系統(tǒng)上運行的任務(wù)關(guān)鍵型或高度安全的應(yīng)用程序時。通常，實時操作系統(tǒng) （RTOS） 和通用操作系統(tǒng) （GPOS） 將組合在一起。需要不同的操作系統(tǒng)，因為實時或機器導(dǎo)向的任務(wù)對操作系統(tǒng)功能的需求與常規(guī)用途或人為導(dǎo)向的任務(wù)不同。

但是，在構(gòu)建此類任務(wù)關(guān)鍵型嵌入式系統(tǒng)時，虛擬化的實施方式至關(guān)重要。必須保持系統(tǒng)的響應(yīng)能力，這意味著保留原始系統(tǒng)以時間可預(yù)測和可重復(fù)或確定的方式響應(yīng)刺激的能力。但挑戰(zhàn)也隨之而來：并非所有虛擬機管理器 （VMM） 實現(xiàn)都是平等的。例如，服務(wù)器應(yīng)用程序中使用的 VMM 將最大資源利用率作為其最高優(yōu)先級，而為電信應(yīng)用程序需求而構(gòu)建的虛擬機管理程序通常側(cè)重于數(shù)據(jù)吞吐量。

但是，兩者都不關(guān)注對外部事件的響應(yīng)能力，而實時防御應(yīng)用程序的虛擬化方案需要這種響應(yīng)。對于大多數(shù)關(guān)鍵任務(wù)軍事嵌入式系統(tǒng)，需要一種特殊的虛擬化 - 嵌入式虛擬化 - 以便確定性地響應(yīng)一系列外部事件。這種理想的軍事嵌入式系統(tǒng)虛擬化方法還允許OEM節(jié)省投資成本并保護知識產(chǎn)權(quán)，因為它可以輕松地將其傳統(tǒng)的實時應(yīng)用程序與新系統(tǒng)元素一起托管，而對現(xiàn)有代碼的更改（如果有的話）很少。但是，托管舊版應(yīng)用程序比簡單地在 VMM 或虛擬機監(jiān)控程序上執(zhí)行代碼要困難得多。我們的討論探討了虛擬化和確定性之間的關(guān)系，包括一個示例，并解釋了如何在遺留應(yīng)用程序中折疊。

對事件的確定性響應(yīng)

構(gòu)建確定性 VMM 的關(guān)鍵是首先處理如何將處理器中斷傳遞到每個來賓操作環(huán)境的問題。啟用最短的響應(yīng)時間可確保確定性，并需要區(qū)分可以虛擬化的 I/O 資源和不應(yīng)虛擬化的 I/O 資源。例如，磁盤訪問通常不是嵌入式系統(tǒng)中的時間關(guān)鍵型元素，因此可以對其進行虛擬化。這樣，單個磁盤可以在多個操作環(huán)境之間共享。相比之下，來自硬件設(shè)備（例如為閉環(huán)運動控制提供輸入的編碼器）的中斷需要根據(jù)精確的時間表進行處理，以便應(yīng)用程序以可預(yù)測的方式工作。因此，這些過程的中斷輸入實際上必須“硬連線”到運行實時控制程序的處理器。

嵌入式虛擬化平臺必須在多個操作系統(tǒng)之間實現(xiàn)隔離，同時將虛擬化開銷降至最低。因此，允許此平臺托管的操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序直接訪問關(guān)鍵 I/O 設(shè)備，以保持對設(shè)備事件的確定性響應(yīng)。虛擬化整個計算機環(huán)境的通用虛擬化方法可能會以犧牲對外部事件的響應(yīng)為代價來最大化 CPU 的利用率。他們試圖最大化平臺的效用，并且通常通過在 CPU 可用時將工作分配給 CPU 來實現(xiàn)這一點。通過這種方式，他們可以使用高比例的可用CPU周期（在某些情況下超過90%），這使他們能夠降低運行給定數(shù)量的服務(wù)器應(yīng)用程序的硬件成本。

相比之下，嵌入式 VMM 實現(xiàn)必須最大限度地提高應(yīng)用程序?qū)τ布录捻憫?yīng)的可預(yù)測性，CPU 利用率并不那么重要。最重要的因素是給定接口到 CPU 的性能，VMM 通過在虛擬環(huán)境之間隔離硬件來確保這一點。

示例：GPOS/RTOS 虛擬化

考慮以下示例，其中虛擬環(huán)境之間的硬件隔離是使用多個計算變電站的系統(tǒng)中的一個因素。該應(yīng)用程序的目的是檢索小型無人船并將它們放置在海軍艦艇上。問題是如何引導(dǎo)固定在船上的機器人，以便它可以在無人浮動車輛上安裝線或固定裝置，同時兩者都在海上折騰。機器人起重機使用視覺系統(tǒng)來準(zhǔn)確查看車輛的連接點的位置，并計算算法以預(yù)測未來在海洋作用下移動時的位置。機器人起重機由運動控制系統(tǒng)引導(dǎo)到預(yù)測有吊鉤或閂鎖的位置，并在兩者結(jié)合在一起時進行接觸。

如前所述，此應(yīng)用程序利用多個計算子系統(tǒng)。其中一個處理器專用于處理與視覺系統(tǒng)相關(guān)的任務(wù)，而與驅(qū)動運動子系統(tǒng)相關(guān)的操作任務(wù)專用于另一個CPU。該方案允許視覺系統(tǒng)的處理壟斷一個處理器的周期而不影響系統(tǒng)的其他功能，反之亦然。第三個處理器沒有時間關(guān)鍵型處理需求，支持人機界面 （HMI）。在多核 CPU 和 VMM 軟件出現(xiàn)之前，這三個處理子系統(tǒng)將作為三個獨立的計算單元實現(xiàn)，具有自己的處理器卡、內(nèi)存、電源調(diào)節(jié)電路等。

現(xiàn)在，三個獨立的子系統(tǒng)可以托管在同一處理器芯片的不同內(nèi)核上，從而在不犧牲獨立功能的性能和確定性的情況下節(jié)省系統(tǒng)成本。如圖 2 所示，保持系統(tǒng)響應(yīng)能力的關(guān)鍵之一是將處理器內(nèi)核和相關(guān) I/O 專用于單獨的操作環(huán)境。

為了保持確定性，嵌入式 VMM 開發(fā)人員必須仔細(xì)規(guī)劃虛擬化，以便中斷開銷可預(yù)測、可衡量且最小。此外，每個 CPU 內(nèi)核必須有自己的任務(wù)計劃程序和虛擬機，而不是使用旨在共享多個內(nèi)核的單個主計劃程序。這種方法的另一個好處是消除了與主調(diào)度程序相關(guān)的開銷，許多虛擬化方案使用它來實現(xiàn)對稱多處理 （SMP） 來管理多個處理器內(nèi)核上多個 GPOS 的執(zhí)行。與嵌入式多處理方法相比，SMP 調(diào)度程序的開銷相對較高，后者不會在系統(tǒng)級別強加調(diào)度策略。

實時折疊，遺留流程

如前所述，多操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)最有價值的用途之一是將傳統(tǒng)的實時流程整合到新的或升級的產(chǎn)品中。軍事 OEM 通常擁有大量的知識產(chǎn)權(quán)投資，他們不想在遷移到新平臺時冒險或放棄這些投資。通常，這些OEM將從在VMM上運行其傳統(tǒng)RTOS與Windows一起開始。但隨著時間的推移，他們可能會發(fā)現(xiàn)需要擴展的實時功能，并在Windows上運行多個RTOS。

在考慮將遺留應(yīng)用程序集成到利用RTOS和GPOS的虛擬化方案中時，除了確定性問題之外，另一個問題是管理環(huán)境之間的有效通信。要將舊版應(yīng)用程序從多平臺環(huán)境遷移到單平臺、多核、多操作系統(tǒng)環(huán)境，虛擬化時間不嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)資源（用于引導(dǎo)的磁盤服務(wù)、用于日志記錄的串行終端服務(wù)以及 Windows 虛擬通信服務(wù)，如虛擬以太網(wǎng)和虛擬串行互連）是值得的， 同時避免虛擬化對提供確定性至關(guān)重要的 I/O（例如，運動控制接口和視覺子系統(tǒng)）。為了以最少的數(shù)據(jù)丟失實現(xiàn)最大性能（典型要求為無），確定性地處理中斷至關(guān)重要。

使遺留軟件在嵌入式虛擬環(huán)境中輕松工作的另一個方面是為軟件加載提供支持。嵌入式 VMM 平臺應(yīng)允許每個來賓操作系統(tǒng)像在電腦上一樣正常啟動，而無需更改，而不是要求使用特殊的主板支持包 （BSP） 修改每個來賓操作系統(tǒng)以使軟件在 VMM 中正常運行。這消除了對軟件修改的需要，可以大大降低成本并簡化嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)。

通過嵌入式虛擬化利用多核芯片

嵌入式虛擬化使OEM廠商有機會在RTOS和GPOS所在的平臺中充分利用新的多核處理器芯片，在不犧牲確定性的情況下降低系統(tǒng)成本并保留遺留代碼。對于軍事嵌入式系統(tǒng)市場來說，這項新技術(shù)來得正是時候，因為所有原始設(shè)備制造商都在尋找提高效率的方法。

審核編輯：郭婷