物聯(lián)網(wǎng)市場的應(yīng)用場景日益復(fù)雜，越來越多的上網(wǎng)設(shè)備需要支持更多的硬件資源、操作系統(tǒng)、軟件工具及應(yīng)用程序，現(xiàn)有的解決方案顯然無法為數(shù)量龐大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供相應(yīng)的靈活性，這使開發(fā)者們面臨巨大的設(shè)計(jì)壓力。虛擬化技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵。不過，現(xiàn)有的虛擬化解決方案并不能滿足物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的輕量級和靈活性的特殊要求。為了滿足當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)市場的發(fā)展趨勢，Linux基金會推出了開源項(xiàng)目－－－ACRN，

ACRN到底具有哪些強(qiáng)大的功能，它又是怎么實(shí)現(xiàn)的？今天我們就從架構(gòu)到應(yīng)用對ACRN進(jìn)行詳細(xì)分析，讓開發(fā)者們快速上手使用ACRN進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

ACRN是一個(gè)專為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的hypervisor，包括如下兩部分：一套hypervisor的參考軟件和架構(gòu)，通過虛擬機(jī)監(jiān)視器（Virtual Machine Manager）可以在同一個(gè)物理硬件上安全地同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。另外，它還為設(shè)備虛擬化模擬定義了一套參考設(shè)計(jì)框架，稱為“ACRN設(shè)備模型”。

ACRN hypervisor是一個(gè)Type－I的hypervisor，可以直接運(yùn)行在物理硬件上，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備解決方案。ACRN hypervisor解決了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心hypervisor和partitioning hypervisor之間存在的差距。ACRN hypervisor設(shè)計(jì)時(shí)把系統(tǒng)分為不同的功能域，并為物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備精心挑選的用戶操作系統(tǒng)進(jìn)行共享優(yōu)化。

汽車應(yīng)用案例

ACRN hypervisor的一個(gè)有趣的案例是用于汽車場景。ACRN hypervisor可以用于構(gòu)建軟件定義駕駛艙（SDC）或者車載娛樂系統(tǒng)（IVE）。作為參考實(shí)現(xiàn)，ACRN可以為嵌入式hypervisor廠商的解決方案提供一個(gè)很好的基礎(chǔ)，以及一套I／O設(shè)備虛擬化的參考設(shè)計(jì)。

在這種場景下，汽車SDC系統(tǒng)由儀表盤（IC）系統(tǒng)、車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）和一個(gè)或多個(gè)后座娛樂系統(tǒng)（RSE）組成。為了整體系統(tǒng)安全性考慮，每個(gè)系統(tǒng)都作為獨(dú)立的虛擬機(jī)運(yùn)行。

儀表盤系統(tǒng)（IC）用于顯示和駕駛員相關(guān)的車輛的駕駛操作信息，如：

汽車的速度、燃油、行駛里程和其它駕駛信息；

投影在擋風(fēng)玻璃上的抬頭顯示，用以警告缺油或胎壓報(bào)警；

顯示后視攝像頭影像和車身的周邊攝像頭信息，用于輔助停車；

車載娛樂系統(tǒng)（IVI）的功能包括：

導(dǎo)航系統(tǒng)、收音機(jī)和其它娛樂系統(tǒng)；

連接到移動設(shè)備，可以打電話，播放音樂或者通過語音識別來控制應(yīng)用程序；

通過手勢識別或觸控進(jìn)行交互；

后座娛樂系統(tǒng)（RSE）可以運(yùn)行：

娛樂系統(tǒng)；

虛擬辦公；

連接到前排座椅的IVI系統(tǒng)和移動設(shè)備（云連接）；

連接到移動設(shè)備，可以打電話，播放音樂或者通過語音識別來控制應(yīng)用程序；

通過手勢識別或觸控進(jìn)行交互；

ACRN hypervisor可以支持Linux＊和Android＊虛擬機(jī)作為用戶操作系統(tǒng)（UOS），UOS由ACRN hypervisor進(jìn)行管理。開發(fā)者和OEM廠商可以在ACRN hypervisor之上運(yùn)行自己的虛擬機(jī)，以及IC、IVI和RSE VM。Service OS是作為VM0運(yùn)行（在Xen＊ hypervisor中被稱為Dom0，在KVM＊ hypervisor中被稱為Host OS），User OS用戶操作系統(tǒng)作為VM1運(yùn)行（也被稱為DomU）。

注：Android＊虛擬機(jī)的支持將在未來版本發(fā)布。

圖1顯示了一個(gè)使用ACRN hypervisor的實(shí)例框圖。

圖1：SOS和UOS運(yùn)行在ACRN hypervisor之上

從ACRN hypervisor的架構(gòu)圖中可以看到：

ACRN hypervisor直接位于bootloader之上，因而具備快速啟動的能力；

部分資源進(jìn)行partitioning，以確保安全關(guān)鍵性應(yīng)用和非安全關(guān)鍵業(yè)務(wù)可以共存在同一平臺上；

豐富的I／O設(shè)備虛擬化提供在多個(gè)VM之間的I／O設(shè)備共享，從而提供全面的用戶體驗(yàn)；

通過高效的虛擬化，一個(gè)SoC可以支持多個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行；

圖1中的黃色部分是ACRN項(xiàng)目的軟件棧。該架構(gòu)框圖中列出的某些功能還沒有完全實(shí)現(xiàn)，歡迎社區(qū)共同參與開發(fā)實(shí)現(xiàn)。另外，圖中的其他模塊來自于別的開源項(xiàng)目，這里僅供參考。

例如，Service OS和Guest Linux來源于https：／／clearlinux．org上的Clear Linux項(xiàng)目，而未來Guest Android的支持將會來自https：／／01．org／android－ia項(xiàng)目。

當(dāng)前ACRN所支持的功能列表，請參照發(fā)布說明。

許可證

ACRN hypervisor和ACRN Device Model軟件采用的都是自由許可證的BSD－3－Clause，它允許以“源代碼和二進(jìn)制再次發(fā)布和使用，無論是否進(jìn)行了修改”， 許可證中也注明了完整版權(quán)聲明和免責(zé)聲明。

ACRN Device Model， Service OS， and User OS

為了使ACRN hypervisor代碼盡可能精悍且高效，用于實(shí)現(xiàn)I／O設(shè)備共享的device model代碼運(yùn)行在Service OS中而非ACRN Hypervisor。哪些I／O設(shè)備被共享以及其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)將在下面的pass－through章節(jié)具體介紹。

Service OS在所有虛擬機(jī)里，以最高優(yōu)先權(quán)運(yùn)行，以滿足那些對時(shí)間響應(yīng)要求很高的需求和系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的需求（QoS）。具體到Service OS中的任務(wù)（task），他們的優(yōu)先級則有高有低。例如響應(yīng)User OS請求的回調(diào)函數(shù)，其運(yùn)行在Service OS的軟件（或者mediator）就會繼承User OS的優(yōu)先級。另外，在Service OS中還有一些在后臺運(yùn)行的任務(wù)也是低優(yōu)先級。

在上述的車載系統(tǒng)示例中，User OS是駕駛控制和車內(nèi)娛樂的中心樞紐。它能提供收音機(jī)和各種娛樂選項(xiàng)、車內(nèi)空調(diào)和通風(fēng)控制、車輛導(dǎo)航顯示等支持。它可以讓第三方設(shè)備使用USB、藍(lán)牙或者WiFi等連接技術(shù)與車載系統(tǒng)進(jìn)行交互，例如：Android Auto＊ 或者 Apple CarPlay＊， 還能提供許多其它功能。

啟動步驟

在圖2中，我們展示了在一個(gè)采用英特爾架構(gòu)平臺的NUC上使用UEFI驗(yàn)證啟動的步驟。

Figure 2 ACRN Hypervisor Boot Flow

啟動引導(dǎo)順序執(zhí)行如下：

1 UEFI驗(yàn)證和啟動ACRN hypervisor和Service OS的引導(dǎo)加載程序；

2 UFEI（或Service OS的引導(dǎo)加載程序）驗(yàn)證并啟動Service OS內(nèi)核；

3 Service OS的內(nèi)核通過dm－verity驗(yàn)證并且加載ACRN Device Model和虛擬引導(dǎo)加載程序；

4 虛擬引導(dǎo)加載程序啟動用戶端的驗(yàn)證啟動進(jìn)程；

ACRN Hypervisor架構(gòu)

ACRN hypervisor是Type 1的虛擬機(jī)管理程序，能夠直接運(yùn)行在硬件系統(tǒng)上。它是一個(gè)混合的VMM架構(gòu)，采用一個(gè)運(yùn)行在特權(quán)級的Service OS來管理和協(xié)調(diào)I／O設(shè)備的使用。它能支持多個(gè)用戶虛擬機(jī)，其中每個(gè)虛擬機(jī)都可以運(yùn)行Linux或者安卓操作系統(tǒng)作為用戶操作系統(tǒng)。

在虛擬機(jī)內(nèi)運(yùn)行的操作系統(tǒng)是與其它虛擬機(jī)內(nèi)的系統(tǒng)或應(yīng)用程序相互隔離的，從而縮小了潛在的被攻擊可能性，最大限度地減小安全隱患。當(dāng)然由于系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬機(jī)內(nèi)也可能會給其應(yīng)用程序的運(yùn)行帶來額外的延遲。

圖3顯示了ACRN hypervisor、車載系統(tǒng)中的Instrumental Cluster （IC） VM和Service VM一起協(xié)同工作的架構(gòu)圖。Service OS（SOS）負(fù)責(zé)包括平臺設(shè)備在內(nèi)的大部分設(shè)備的管理，并提供I／O的協(xié)調(diào)功能。某些PCIe設(shè)備可以通過VM配置直通給User OS使用。IC應(yīng)用程序和虛擬機(jī)特定的應(yīng)用程序都運(yùn)行在SOS中，例如：ACRN device model和ACRN VM管理器。

ACRN hypervisor內(nèi)還有ACRN虛機(jī)管理器，用來收集User OS的運(yùn)行信息，并控制用戶虛擬機(jī)的開始、停止和暫停，還能暫?；蛘呋謴?fù)執(zhí)行單個(gè)虛擬CPU。

圖3 ACRN Hypervisor 架構(gòu)圖

ACRN hypervisor采用了英特爾虛擬化技術(shù)（Intel VT），其運(yùn)行在虛擬機(jī)擴(kuò)展模式（VMX）的root模式下，也稱為主機(jī)模式或VMM模式。其他所有的用戶虛擬機(jī)包括UOS和SOS都運(yùn)行在VMX non－root模式或guest模式下。（以下為了簡略，我們將繼續(xù)使用術(shù)語VMM模式和guest模式）。

VMM模式下有4種權(quán)限的ring模式，但ACRN hypervisor僅在ring 0的特權(quán)模式下運(yùn)行，其余ring 1－3并未使用。運(yùn)行在guest模式下的用戶系統(tǒng)（包括SOS和UOS）也有自己的4個(gè)ring模式（ring 0－3）。用戶系統(tǒng)的內(nèi)核運(yùn)行在guest模式下的ring 0，而用戶系統(tǒng)的應(yīng)用程序則在guest模式下運(yùn)行于ring 3（ring 1和ring 2一般不被商業(yè)操作系統(tǒng)所使用）。

圖4 VMX 簡介

如圖4所示，VMM模式和guest模式通過VM Exit和VM Entry進(jìn)行切換。當(dāng)引導(dǎo)加載程序?qū)⒖刂茩?quán)交給ACRN hypervisor時(shí)，處理器還未啟動VMX模式。ACRN hypervisor首先需要通過VMXON指令啟用VMX模式。啟用VMX后，處理器處于VMM模式，它可以通過VM resume指令進(jìn)入guest模式（或者通過第一次VM launch指令），然后可以通過處理器的VM exit事件回到VMM模式。一般處理器會在響應(yīng)某些指令和事件時(shí)發(fā)生VM exit。

在guest模式下，處理器的執(zhí)行是由一個(gè)虛擬機(jī)控制結(jié)構(gòu)（VMCS）所控制的。VMCS包含了虛機(jī)狀態(tài)（在VM Entry時(shí)加載并在VM Exit時(shí)保存），主機(jī)狀態(tài)（在VM exit時(shí)加載），以及虛機(jī)的控制執(zhí)行。ACRN hypervisor為每個(gè)虛擬CPU創(chuàng)建了一個(gè)VMCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并使用該VMCS來控制運(yùn)行在guest模式下處理器的行為。

當(dāng)虛機(jī)執(zhí)行到一個(gè)敏感指令時(shí)，就會觸發(fā)一次定義在VMCS配置中的VM exit事件。當(dāng)VM exit發(fā)生后，系統(tǒng)的控制權(quán)就交給了ACRN hypervisor。ACRN hypervisor會模擬虛機(jī)的指令（如果VM exit的原因是由于指令權(quán)限問題），然后恢復(fù)虛機(jī)繼續(xù)執(zhí)行它的下一條指令，或者根據(jù)VM exit的原因進(jìn)行相關(guān)處理（例如，一個(gè)虛機(jī)的存儲頁面需要建立映射關(guān)系），然后恢復(fù)虛機(jī)重新執(zhí)行該條指令。

需要注意的是用于VMM模式的地址空間和用于guest模式的地址空間是不同的。guest模式和VMM模式下使用不同的內(nèi)存映射表，因此虛機(jī)是無法訪問ACRN hypervisor的。ACRN hypervisor使用EPT來映射虛機(jī)地址，虛機(jī)頁表會將虛機(jī)的線性地址映射到虛機(jī)的物理地址， EPT表則將虛機(jī)的物理地址映射到機(jī)器物理地址或主機(jī)物理地址（HPA）。

ACRN Device Model Architecture

因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)備可能需要在不同的虛機(jī)之間被共享，虛機(jī)內(nèi)應(yīng)用程序（和操作系統(tǒng)）要對這些共享設(shè)備進(jìn)行訪問就需要借助設(shè)備模擬。一般來說，設(shè)備模擬有三種架構(gòu)：

·第一種架構(gòu)被稱為hypervisor中的設(shè)備模擬，這是在VMware＊工作站產(chǎn)品（一個(gè)基于操作系統(tǒng)的hypervisor）中實(shí)現(xiàn)的設(shè)備模擬方式。在這種方式中，hypervisor負(fù)責(zé)模擬需要在各個(gè)虛機(jī)操作系統(tǒng)之間共享的常見設(shè)備，其中包括：虛擬磁盤、虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器和其它必要的平臺資源。

·第二種架構(gòu)稱為用戶空間的設(shè)備模擬。顧名思義，不是將設(shè)備模擬的實(shí)現(xiàn)嵌入到hypervisor中，而是將其放在一個(gè)用戶空間的應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)。比如被各種獨(dú)立的hypervisor所使用的QEMU就提供了此類的設(shè)備模擬方式。這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于設(shè)備模擬的實(shí)現(xiàn)不依賴于hypervisor，所以其它hypervisor可以重用改實(shí)現(xiàn)。甚至它還可以做任意設(shè)備的模擬，而不必?fù)?dān)心其功能的實(shí)現(xiàn)會影響hypervisor（其在特權(quán)模式下運(yùn)行）。

·第三種架構(gòu)則是從基于hypervisor的設(shè)備模擬改變而來的半虛擬化驅(qū)動程序。該架構(gòu)一開始是在XEN項(xiàng)目中引入的，其中hypervisor提供物理設(shè)備驅(qū)動，每個(gè)虛機(jī)操作系統(tǒng)則需要安裝一個(gè)與能與物理驅(qū)動配合使用的hypervisor感知的驅(qū)動程序。

在以上討論的設(shè)備模擬架構(gòu)中，共享設(shè)備都需要付出代價(jià)。因?yàn)椴还茉O(shè)備模擬是在hypervisor中，還是在每個(gè)虛機(jī)內(nèi)的用戶空間中，都存在相應(yīng)的系統(tǒng)開銷。不過只要系統(tǒng)設(shè)備需要被多個(gè)虛機(jī)操作系統(tǒng)共享，這種開銷就是值得的。反之如果設(shè)備不需要被共享，那么就可以使用更有效的方法來訪問設(shè)備，例如使用“直通”。

看完以上的分析，你是否對ACRN有了更深入的了解？也是否有更多問題急需解答？ 不用著急，我們將在下期中繼續(xù)講解各種技術(shù)細(xì)節(jié)，例如ACRN設(shè)備模塊架構(gòu)、設(shè)備pass through， ACRN I／O mediator， Virtio框架結(jié)構(gòu)等一一為你展示。