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嵌入式系統的虛擬化怎么實(shí)現
運行在 UltraScale+ ™ MPSoC 上的 Xen 管理程序，可提供穩健可靠的硬件加速虛擬化和易用性，有助于嵌入式系統設計人員最大化硬件投資回報。那么怎么在在嵌入式系統上實(shí)現虛擬化呢?下面yjbys為大家分享嵌入式系統虛擬化的方法，希望對大家學(xué)習嵌入式有所幫助!
虛擬化對桌面系統已是司空見(jiàn)慣，但對嵌入式系統設計人員來(lái)說(shuō)，卻一直是一個(gè)棘手的問(wèn)題，因為嵌入式系統設計人員需要優(yōu)化 SoC 系統的利用率和性能。
傳統上，虛擬化難以用于嵌入式領(lǐng)域，是因為缺乏既可簡(jiǎn)化解決方案實(shí)現工作，又能提供滿(mǎn)意性能的合適硬件資源。因此，需要在同一處理器上運行異構軟件協(xié)議棧的系統不得不依賴(lài)于人工管理各種軟件協(xié)議棧，或不得不接受未加速虛擬化所帶來(lái)的更大時(shí)延和性能特性下降等缺陷。
位于每個(gè) Zynq UltraScale+ MPSoC 核心的 ARM® v8 架構能確保真正的硬件加速虛擬化，克服這些實(shí)現障礙。此外，Xen 管理程序提供的易用性為在嵌入式系統中實(shí)現桌面級性能和生產(chǎn)力奠定了基礎。運行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 上的 Xen 管理程序為系統設計人員提供完整的解決方案，能充分釋放嵌入式系統設計的全部潛力。
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虛擬化通過(guò)讓多個(gè)軟件協(xié)議棧同時(shí)運行在同一處理器上，已經(jīng)征服了桌面系統，現在將進(jìn)軍嵌入式系統。VMWare 和 VirtualBox 這樣的常用套件已經(jīng)讓虛擬化成為桌面用戶(hù)司空見(jiàn)慣的做法。這類(lèi)軟件被視為臺式電腦生產(chǎn)力增強器，不過(guò)賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 等嵌入式片上系統 (SoC) 也可運用同一原理充分發(fā)揮最大潛能。
虛擬化的作用隨系統發(fā)生變化。對某些設計人員來(lái)說(shuō)，虛擬化能夠讓處理器始終保持滿(mǎn)負載狀態(tài)，從而節省電力，最大化性能。對其他系統，虛擬化可對各個(gè)軟件協(xié)議棧進(jìn)行分區，實(shí)現隔離或冗余。
傳統上，虛擬化難以用于嵌入式領(lǐng)域，是因為缺乏既可簡(jiǎn)化解決方案實(shí)現工作，又能提供滿(mǎn)意性能的合適硬件資源。因此，需要在同一處理器上運行異構軟件協(xié)議棧的系統不得不依賴(lài)于人工管理各種軟件協(xié)議棧，或不得不接受未加速虛擬化所帶來(lái)的更大時(shí)延和性能特性下降等缺陷。
位于每個(gè) Zynq UltraScale+ MPSoC 核心的 ARM® v8 架構能確保真正的硬件加速虛擬化，克服這些實(shí)現障礙。此外，Xen 管理程序提供的易用性為在嵌入式系統中實(shí)現桌面級性能和生產(chǎn)力奠定了基礎。運行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 上的 Xen 管理程序為系統設計人員提供完整的解決方案，能充分釋放嵌入式系統設計的全部潛力。
為什么要虛擬化嵌入式系統?
是否需要虛擬化一般由下列三大系統設計特征之一決定的 ：
處理器必須能根據性能規范要求盡量保持滿(mǎn)載。
應安全、可擴展性和 / 或可靠性的要求需要進(jìn)行軟件隔離或分區。
為滿(mǎn)足可靠性要求，需要進(jìn)行縮放或提供冗余。
硬件加速的虛擬化位于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的 ARMv8 架構的核心位置。這種協(xié)同架構不僅能滿(mǎn)足上述每一項要求，實(shí)際上它還能簡(jiǎn)化實(shí)現工作。之所以能這樣，是因為它為每個(gè)客戶(hù)軟件協(xié)議棧提供一個(gè)隔離的沙盒。沒(méi)有這樣的硬件加速，這些系統會(huì )變得復雜得多，給實(shí)現和管理帶來(lái)切實(shí)的問(wèn)題。
經(jīng)優(yōu)化的系統加載
對系統加載進(jìn)行精心管理是嵌入式系統的共通難題，在沒(méi)有管理程序輔助時(shí)還會(huì )造成一系列嚴峻的運行問(wèn)題。Linux 等傳統操作系統非常擅長(cháng)于處理對稱(chēng)多處理 (SMP) 任務(wù)，此時(shí)所有處理器核都處在它的控制之下。但是如果不是每一個(gè)處理器都有任務(wù)會(huì )怎么樣? Linux 會(huì )讓沒(méi)有使用的處理器處于待機狀態(tài)。
Linux 的多個(gè)實(shí)例可按原樣虛擬化(即對 Linux 不做修改)，每個(gè)實(shí)例都運行自己的一組任務(wù)�？梢愿鶕枰獙� Linux 的新實(shí)例投入使用。相反如果需求較低，這些 Linux 實(shí)例可以關(guān)閉。因此處理器可以根據需要激活或待機，但系統總體上能保持近乎持續的繁忙。另外，管理多個(gè)不同的軟件協(xié)議棧也可采用類(lèi)似的方法。這樣無(wú)需要求所有的虛擬操作系統相同，從而提高最終系統的靈活性和模塊化水平。
經(jīng)優(yōu)化的軟件隔離與分區
軟件隔離和分區是另一個(gè)能給非托管環(huán)境帶來(lái)嚴峻挑戰的常見(jiàn)用例。這個(gè)問(wèn)題與系統加載問(wèn)題類(lèi)似，但是包含一項額外的要求，即每個(gè)軟件協(xié)議棧不能與任何同時(shí)運行的軟件協(xié)議棧發(fā)生干擾。這種情況的最簡(jiǎn)單的例子是兩個(gè)并行運行的實(shí)時(shí)操作系統。滿(mǎn)足這些需求的傳統方法會(huì )增大軟件的復雜性，以確保每個(gè) RTOS 只與分配給自己的有限資源交互。相比之下，虛擬化系統采用的沙盒模式能讓每個(gè) RTOS 完全控制其沙盒中可用的資源。它把這個(gè)沙盒視為完整系統，在使用時(shí)無(wú)需了解是否有其他軟件可能在系統上運行。這種沙盒模式能極大地減少綁定到特定硬件平臺的資源，提高代碼的可移植性。此外，該 RTOS 無(wú)需感知系統中的任何其他軟件，讓它能大幅得到簡(jiǎn)化。這種脫離依賴(lài)性的方法，對開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的福音，因為他們只需編寫(xiě)一次代碼，就能將它部署到眾多的不同系統上。
經(jīng)優(yōu)化的縮放與冗余
對于嵌入式系統，縮放與冗余需求會(huì )隨著(zhù) SoC 的性能和功能的增強而提升。
縮放要求加載在處理器上的軟件量隨系統需求增長(cháng)而增加。例如高性能計算環(huán)境要求將更多 Linux 操作系統實(shí)例投入使用，滿(mǎn)足用戶(hù)提出的更多請求。通過(guò)運用虛擬化，能夠根據需要將 Linux 的相同復本投入使用。隨后，隨著(zhù)系統上的需求減少，這些 Linux 的實(shí)例可被關(guān)閉。
冗余要求特定服務(wù)保持可用，甚至是在系統處于非常時(shí)期的時(shí)候也一樣。例如 RTOS 能提供對特定系統功能的關(guān)鍵監測。如果該 RTOS 因某種原因失效呢?使用虛擬化，系統監控器能檢測到故障，還能重新啟動(dòng)該 RTOS，或者啟動(dòng)該 RTOS 的一個(gè)新實(shí)例，從而最大限度地降低或消除這些關(guān)鍵系統服務(wù)的停機時(shí)間。
為什么選擇 Xen?
在選擇管理程序解決方案的時(shí)候，重要的是讓它穩健和可靠。此外，它必須通過(guò)積極主動(dòng)的開(kāi)發(fā)來(lái)跟上它周?chē)澜绨l(fā)生的變化的步伐。Xen 管理程序就是這樣的一種解決方案。
Xen 最初是上個(gè)世紀 90 年代晚期在劍橋大學(xué)作為更大的 Xenoserver 項目的子項目開(kāi)始的。它于 2000 年代早期發(fā)布給開(kāi)源社區，并在 2013 年得到 Linux 基金會(huì )的支持。在 Linux 基金會(huì )的鼎力支持下，Xen 已經(jīng)成為基于 Linux 的操作系統的事實(shí)管理程序解決方案。
雖然 Xen 的傳統架構一直是兼容 x86，近期的主機開(kāi)發(fā)使之也成為 ARM 架構上的穩健解決方案。Xen 能充分發(fā)揮包括系統存儲器管理單元 (SMMU) 在內的 ARMv8 底層虛擬硬件的作用。
Xen 免費提供，并配套標準的 GPLv2 許可證，有活躍的用戶(hù)社區開(kāi)發(fā)新特性，以及豐富的技術(shù)支持資源。對需要商業(yè)化維護和支持的集成商而言，有 DornerWorks 這樣的廠(chǎng)商為 Xen 提供專(zhuān)業(yè)支持和結構。
在選擇管理程序解決方案時(shí)，軟件支持也是一個(gè)關(guān)鍵的差異化因素。Xen 本身是一種 I 類(lèi)管理程序，即它能直接在底層硬件上運行，而不像 II 類(lèi)管理程序 VMWare 或 VirtualBox 運行在主機操作系統上。
Xen 管理程序把客戶(hù)操作系統劃分為域。它使用特殊的管理接口 Dom0 控制管理程序的運行時(shí)操作。該域為 Xen 管理程序提供專(zhuān)用軟件基礎架構。這種運行結構對 Xen 的正常工作是必須的。Dom0 使用其內核內的專(zhuān)用軟件以及能夠直接訪(fǎng)問(wèn)底層硬件的專(zhuān)用管理驅動(dòng)程序。最常見(jiàn)的 Dom0 操作系統之一是 Linux，它能夠有力地支持 Zynq UltraScale+ MPSoC。
所有存在于非專(zhuān)用域內的標準客戶(hù)操作程序都被集中稱(chēng)之 DomU。包括 Linux 這樣的高級操作系統、FreeRTOS 這樣的實(shí)時(shí)操作系統乃至裸機代碼等各種客戶(hù)軟件都在底層受 Xen 支持用于 DomU。任何主機與客戶(hù)的組合都完全受系統設計人員的需求驅動(dòng)。相比之下，大部分商業(yè)管理程序解決方案只支持有限數量的客戶(hù)而且是在極為具體的配置中，一般是管理程序提供方自己開(kāi)發(fā)的配置中。
將 Xen 管理程序與 Zynq UltraScale+ MPSoC 集成簡(jiǎn)便易行
即便管理程序解決方案使用最出色的技術(shù)組件，如果不能簡(jiǎn)單直觀(guān)地實(shí)施在用戶(hù)系統中，也基本上沒(méi)有什么用處。通過(guò)極為貼近 Linux 內核，Xen 在這方面能提供很多便利。實(shí)現 Xen 管理程序功能與在 Linux 內核中實(shí)現任何其他特性沒(méi)有區別。此外。管理 DomU 沙盒既可以手動(dòng)處理，也可以通過(guò)稱(chēng)為 Xen 工具的工具套件處理。
對于將 Linux 用作 Dom0 的設計人員，通過(guò)命令行就能簡(jiǎn)單易行地安裝 Xen 工具。Xen 工具可使用源代碼構建和安裝，也可借助 RPM 或 APT 等通用封裝管理器構建和安裝。
安裝完成后，Xen 工具能從 Linux 用戶(hù)空間用名為 xl 的工具創(chuàng )建、管理和損壞 DomU 環(huán)境。
創(chuàng )建新的虛擬機與創(chuàng )建描述虛擬化環(huán)境的明文 ASCII 配 置文件一樣簡(jiǎn)單。該文件設定如下的詳細內容 ：
為虛擬機分配的存儲器數量
虛擬化的 CPU 的數量
聯(lián)網(wǎng)詳情
磁盤(pán)鏡像文件
配置文件還可以借助文本解析工具和版本控制軟件輕松地加以管理。請參閱如下的實(shí)例代碼 ：
# This configures an HVM rather than PV guest
builder = "hvm"
# Guest name
name = "My Virtual Machine"
# Initial memory allocation (MB)
memory = 128
# Number of VCPUs
vcpus = 2
# Disk Devices
# A list of 'diskspec' entries as described in
# docs/misc/xl-disk-configuration.txt
disk = ['/dev/vg/guest-volume, raw, xvda, rw']
用于管理虛擬機的命令被稱(chēng)為 xl。該命令可讓設計人員管理 Xen 虛擬機從啟動(dòng)到關(guān)斷的整個(gè)生命周期。要根據已有的配置文件創(chuàng )建新的虛擬機實(shí)例，設計人員可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的單行命令創(chuàng )建 Xen 管理程序 ：
xl create
在虛擬機的生命周期中，其他 xl 選項如 list、reboot 和 shutdown 都可以用于管理任務(wù)。
結 論
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多類(lèi)系統都能從虛擬化獲益。許多采用其他方法會(huì )變得復雜化和高勞動(dòng)強度的系統需求，也能夠使用 Xen 實(shí)現在多處理器平臺上，如擁有 ARMv8 處理器的賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC。使用虛擬化能夠實(shí)現下面這些想實(shí)現而且往往相當關(guān)鍵的特性 ：
分區
隔離
可靠性
冗余
虛擬化不僅能夠實(shí)現這些系統，還能讓實(shí)現工作相當簡(jiǎn)單。系統設計人員應該在評估自己的設計時(shí)，考慮使用虛擬化解決方案來(lái)確保最優(yōu)異、最具成本效益的結果。采用 ARMv8 多處理器的賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 對 Xen 管理程序和 Xen 工具集而言是理想的設計平臺。
對軟件開(kāi)發(fā)人員而言，虛擬化能讓軟件協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)可移植、可靠，采用最少的膠合邏輯就能讓它們按要求運行。此外，在 Linux 基金的鼎力支持下，Xen 相當穩健，能跨越多種類(lèi)型的操作系統和軟件協(xié)議棧提供穩健的集成和支持。最后，基于 Xen 的虛擬機的管理使用易于使用的命令行界面和適合版本控制的明文 ASCII 文本配置，相當簡(jiǎn)單。
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