嵌入式應(yīng)用程序中的虛擬化與其企業(yè)和桌面等價(jià)物有很多共同之處。獨(dú)特的嵌入式用例和專門的底層技術(shù)為開發(fā)人員提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高性能和響應(yīng)能力的新機(jī)會(huì)。

在臺(tái)式機(jī)、數(shù)據(jù)中心以及現(xiàn)在的嵌入式設(shè)計(jì)中采用多核技術(shù)可以滿足類似的需求——在不提高系統(tǒng)時(shí)鐘的情況下擴(kuò)展計(jì)算容量，并為下一代設(shè)備和應(yīng)用程序獲得更高的每瓦 MIPS。

桌面和數(shù)據(jù)中心的主流多核需要來自已部署操作系統(tǒng) （OS） 的對(duì)稱多處理 （SMP） 支持。Linux 內(nèi)核已經(jīng)支持 SMP 近十年了，支持 SMP 的 Windows 和 Mac OS 版本在今天被廣泛使用。

相比之下，嵌入式操作系統(tǒng)正試圖趕上支持多核 CPU。即使操作系統(tǒng)越來越擅長在多核環(huán)境中運(yùn)行，應(yīng)用程序和中間件仍然面臨線程安全、并發(fā)和負(fù)載平衡的挑戰(zhàn)。

虛擬化軟件架構(gòu)

為了解決這些挑戰(zhàn)，出現(xiàn)了不同的虛擬化策略，從類型 I 和類型 II 開始，如圖 1 所示。在類型 I 虛擬化中，管理程序“擁有”CPU 并負(fù)責(zé)引導(dǎo)和運(yùn)行客戶操作系統(tǒng)。I 型平臺(tái)是“精益、 中庸”和成熟的，從大型機(jī)和小型機(jī)的幾代開發(fā)中出現(xiàn)，現(xiàn)在用于移動(dòng)設(shè)備。相比之下，VMware Fusion、Parallels 和 Sun VirtualBox 等平臺(tái)提供的 Type II 虛擬化側(cè)重于最終用戶體驗(yàn)，管理程序作為應(yīng)用程序在另一個(gè)操作系統(tǒng)上運(yùn)行，沒有性能保證。

圖 1： Type I 管理程序啟動(dòng)并運(yùn)行客戶操作系統(tǒng)，而 Type II 管理程序作為應(yīng)用程序在另一個(gè)操作系統(tǒng)上運(yùn)行。

嵌入式虛擬化遵循自己的范式。在路由器、交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)等基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用程序中，用例類似于企業(yè)。I 類管理程序托管 Linux 或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 實(shí)例，以支持單個(gè)硬件或冗余高可用性架構(gòu)中的虛擬備件上的虛擬設(shè)備（防火墻、深度包檢查器和其他設(shè)備）。

在移動(dòng)設(shè)備中，OEM 使用裸機(jī)虛擬化來整合多個(gè) CPU，以便在單個(gè) CPU 上運(yùn)行基帶、多媒體和應(yīng)用程序堆棧以及不同的操作系統(tǒng)（Android 或 Linux 在一個(gè)或多個(gè)虛擬機(jī)中，以及 RTOS 在另一個(gè)）以節(jié)省費(fèi)用材料成本。

走向多核

除了硬件整合之外，虛擬化還提供了一種在單個(gè)處理器中跨多個(gè)內(nèi)核分配現(xiàn)有負(fù)載的良好機(jī)制。嵌入式操作系統(tǒng)架構(gòu)師傾向于將多核芯片視為離散 CPU 的集合。大多數(shù)傳統(tǒng) RTOS 多核支持都反映了這一觀點(diǎn)，要求操作系統(tǒng)和堆棧的唯一副本在不同的內(nèi)核上準(zhǔn)協(xié)作運(yùn)行。

隨著 RTOS 供應(yīng)商開始創(chuàng)建其產(chǎn)品的多核版本，他們經(jīng)常使用負(fù)載到多核芯片中內(nèi)核的靜態(tài)映射。一些嵌入式虛擬化平臺(tái)需要靜態(tài)分配管理程序及其托管和運(yùn)行的負(fù)載（即每個(gè) CPU 內(nèi)核一個(gè)管理程序，如圖 2 所示）。

圖 2：在負(fù)載的靜態(tài)映射中，每個(gè) CPU 內(nèi)核分配一個(gè)管理程序。

物理硅到虛擬化負(fù)載的靜態(tài)映射效率低下，并且無法提供虛擬化所賦予的優(yōu)勢(shì)。一種更有效的方法是為每個(gè)客戶操作系統(tǒng)配置一個(gè)虛擬 CPU，該虛擬 CPU 可以映射到單個(gè) CPU（一對(duì)一）、共享一個(gè) CPU（多對(duì)一）或分布在多個(gè)內(nèi)核（一對(duì)多），如圖 3 所示。

圖 3：虛擬化支持負(fù)載到內(nèi)核的一對(duì)一、多對(duì)一和一對(duì)多映射。

將負(fù)載映射到虛擬 CPU 到物理內(nèi)核可以在集成時(shí)鎖定或改變以平衡負(fù)載，如以下應(yīng)用程序所示。

負(fù)載均衡

當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備——移動(dòng)電話、機(jī)頂盒、車載系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和幾乎任何類型的智能設(shè)備——都是應(yīng)用平臺(tái)，其負(fù)載與臺(tái)式計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心刀片和服務(wù)器一樣多變且復(fù)雜。多核 CPU 承諾現(xiàn)代嵌入式軟件的高吞吐量和快速響應(yīng)，但預(yù)測(cè)負(fù)載和核心利用率超過了集成來自各種來源的軟件的過程，尤其是來自應(yīng)用商店的軟件。

虛擬化為開發(fā)人員和集成商提供了額外的工具來優(yōu)化設(shè)備性能。嵌入式管理程序可以監(jiān)控來賓操作系統(tǒng)和主機(jī)策略軟件的負(fù)載，以相應(yīng)地分配 CPU 周期和其他資源。

多核電源管理

多核系統(tǒng)可能對(duì)針對(duì)單核系統(tǒng)優(yōu)化的電源管理方案提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是，許多多核片上系統(tǒng) （SoC） 對(duì)動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放 （DVFS） 的范圍和能力有限制：

· SoC 子系統(tǒng)和多核 CPU 通常共享電源電壓、時(shí)鐘、緩存和其他資源，這意味著 DVFS 適用于所有內(nèi)核。

· 在一個(gè) SoC 子系統(tǒng)上縮放電壓（如果可能）可以限制通過本地總線與其他子系統(tǒng)的通信，并拒絕訪問共享內(nèi)存，包括子系統(tǒng)自己的 DRAM。

· 單個(gè) SoC 子系統(tǒng)的時(shí)鐘縮放限制了互操作性，尤其是對(duì)于同步總線。

· 一些操作全速使用或根本不使用核心，但其他操作會(huì)施加不同的負(fù)載。全有或全無使用很容易管理，但多核上的動(dòng)態(tài)負(fù)載提出了更大的電源管理挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在添加多個(gè)操作系統(tǒng)。高級(jí)操作系統(tǒng)通常包括 DVFS 電源管理，例如 Linux 高級(jí)電源管理和動(dòng)態(tài)電源管理以及 Windows/BIOS 高級(jí)配置和電源接口。大多數(shù) RTOS 避免了限制實(shí)時(shí)響應(yīng)的操作，并且當(dāng)它們確實(shí)提供像 vxLib 的 vxPowerDown（） 這樣的顯式電源管理 API 時(shí)，它們?nèi)狈﹄娫垂芾聿呗?。即使一個(gè)操作系統(tǒng)能夠管理其自己域中的電源，它也不會(huì)了解同一系統(tǒng)中其對(duì)等方的功能和狀態(tài)。

DVFS 通過降低電壓和時(shí)鐘頻率來提供能源效率。支持 DVFS 的 CPU 在固定電壓和頻率下提供安全工作點(diǎn)。隨著負(fù)載/需求的增加或減少，電源管理中間件或操作系統(tǒng)會(huì)從工作點(diǎn)轉(zhuǎn)換到工作點(diǎn)，如圖 4 所示。

圖 4：通過動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放，可以跨內(nèi)核遷移負(fù)載以節(jié)省功耗。

DVFS 的一個(gè)邏輯擴(kuò)展是將電壓降低到 0 VDC 并通過僅利用兩個(gè)操作點(diǎn)（完全停止和完全節(jié)流）在可用內(nèi)核范圍內(nèi)應(yīng)用來停止 CPU 時(shí)鐘。這種巧妙的技巧只有使用虛擬 CPU（參見圖 3 和圖 4）才能實(shí)現(xiàn)，用于將負(fù)載映射到物理芯片并在 CPU 內(nèi)核之間透明地遷移運(yùn)行負(fù)載。關(guān)閉整個(gè)內(nèi)核比 DVFS 更易于管理，并導(dǎo)致線性、高度可預(yù)測(cè)的性能-能源權(quán)衡。

多核基帶

隨著高帶寬 4G 網(wǎng)絡(luò)（尤其是 LTE）的出現(xiàn)，移動(dòng)設(shè)備需要將更多的處理能力用于無線數(shù)據(jù)通信。為了以更高的并發(fā)性提高吞吐量，新出現(xiàn)的需求要求將整個(gè)內(nèi)核專用于 4G I/O 操作。這一要求使無線芯片組供應(yīng)商和傳統(tǒng) RTOS 供應(yīng)商爭先恐后地為 SMP 操作重新配置基帶操作系統(tǒng)和軟件堆棧。

更簡單的解決方案是使用移動(dòng)/嵌入式虛擬化來提高 4G 吞吐量。管理程序可以根據(jù)需要將可用內(nèi)核映射到輸入或輸出操作，并縮減該映射以支持其他 CPU 密集型操作或執(zhí)行每個(gè)內(nèi)核的電源管理，而不是將兩個(gè)、四個(gè)或更多內(nèi)核專用于基帶處理。

只有虛擬化可以擴(kuò)展

多核軟件設(shè)計(jì)既復(fù)雜又簡單。系統(tǒng)架構(gòu)師應(yīng)該抵制將遺留軟件元素批量分配給下一代嵌入式芯片上的可用內(nèi)核的誘惑。

處理器路線圖指向可用處理器內(nèi)核的進(jìn)一步倍增：今天在嵌入式 CPU 上是 2 倍，很快會(huì)達(dá)到 4 倍、8 倍甚至更高。這種過剩的硅片將很快超過用于配置和管理多核軟件負(fù)載的靜態(tài)方法。

只有嵌入式/移動(dòng)虛擬化才能提供可擴(kuò)展且靈活的機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)多核處理能力的優(yōu)勢(shì)并簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成和部署，同時(shí)使這些系統(tǒng)更加可靠和安全。

審核編輯：郭婷