基于虛擬化技術(shù)的嵌入式linux實(shí)時性研究

摘 要：隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣。嵌入式硬件的快速發(fā)展給系統(tǒng)帶來了高性能，同時也給虛擬化技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了曙光。如今，虛擬化技術(shù)在桌面，服務(wù)器市場已經(jīng)趨于成熟，但是嵌入式領(lǐng)域還處于探索研究中。虛擬化技術(shù)使得同一個硬件平臺可以運(yùn)行多個OS，例如可以整合同一個硬件平臺的GPOS和RTOS。虛擬化技術(shù)采用了雙內(nèi)核方式改善嵌入式linux的實(shí)時性問題，它可以滿足硬實(shí)時需求。

關(guān)鍵詞：嵌入式linux；實(shí)時性；虛擬化

中圖分類號：TP316.81

1 研究背景和目的

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。和傳統(tǒng)的PC機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)有其獨(dú)特的特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)有系統(tǒng)內(nèi)核小，專用性強(qiáng)，系統(tǒng)精簡，高實(shí)時性O(shè)S，軟件開發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化，需要開發(fā)工具和環(huán)境的特點(diǎn)。虛擬化技術(shù)使得在一個物理平臺上可以運(yùn)行多個操作系統(tǒng)，它提供了比操作系統(tǒng)更高的獨(dú)立性。由于市場需求的擴(kuò)大，虛擬化的發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，這也在相當(dāng)一部分程度上催生了軟件和硬件廠商聯(lián)手進(jìn)軍虛擬化。按照不同的方式，虛擬化可以分為很多種，它可以根據(jù)需求應(yīng)用在不同的場合。一般針對硬件級平臺虛擬化，虛擬化分為泛虛擬化（PV）和全虛擬化（HVM）兩種。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬化起源于大型機(jī)，興盛于服務(wù)器和pc領(lǐng)域，在嵌入式領(lǐng)域尚不成熟，但發(fā)展勢頭迅猛。如今國外已有很多嵌入式虛擬化解決方案，但是大多屬于不開源系統(tǒng)，研究相對困難，國內(nèi)在這方面的發(fā)展也比較滯后。

常見的嵌入式虛擬化解決方案有開源社區(qū)的xen on arm，KVM for ARM，virtual logic的VLX，Open Kernel Lab的OKL4 Microvisor，VMware的MVP，Red Bend Software，Trango，Green Hills Software的INTEGRITY secure virtualization，Wind River Hypervisor等。除了xen，KVM外，其余均不開源，且除了Green Hills，KVM，Wind River Hypervisor外，其余均為半虛擬化，只有OKL4可以看到性能測試數(shù)據(jù)。

和國外的研究相比，國內(nèi)的研究尚屬于起步階段，暫未看到值得關(guān)注的研究或產(chǎn)品。雖然現(xiàn)有的研究取得了一定的研究成果，但仍存在很多不足，如實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、可維護(hù)性差等。本文將在已有的研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究通過虛擬化技術(shù)改善嵌入式linux的實(shí)時性問題。

3 嵌入式linux的實(shí)時問題研究

3.1 實(shí)時嵌入式系統(tǒng)介紹

3.1.1 嵌入式系統(tǒng)

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域劃分，嵌入式應(yīng)用可分為工業(yè)自動化，商業(yè)軟件，視頻游戲，通信（包括所有互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)），醫(yī)療軟件和軍事軟件。

關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義有多個版本。IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。在國內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)最為普遍接受的的定義是指“以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。一般從廣義上認(rèn)為，除了通用的計算機(jī)系統(tǒng)外，所有的智能電子設(shè)備均屬于嵌入式設(shè)備。嵌入性，專用性，計算機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的三大要素。嵌入式系統(tǒng)的嵌入性是指嵌入式設(shè)備需要嵌入到某個對象體系中，它對對象環(huán)境有要求。專用性是指嵌入式系統(tǒng)的軟硬件需要根據(jù)對象要求進(jìn)行裁剪。嵌入式系統(tǒng)的專用性很強(qiáng)，由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件結(jié)合緊密，一般情況下需要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。

3.1.2 實(shí)時嵌入式系統(tǒng)

在嵌入式系統(tǒng)中，有很多系統(tǒng)需要滿足實(shí)時性需求，所以很多嵌入式系統(tǒng)往往是實(shí)時系統(tǒng)。值得注意的是，并非所有的嵌入式系統(tǒng)都是實(shí)時系統(tǒng)。雖然并非所有的嵌入式系統(tǒng)都是使用實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計，但是實(shí)時操作系統(tǒng)已經(jīng)成為許多嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵。一個好的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)必須滿足一些公共屬性，包括可靠，可預(yù)測，高性能，緊湊和可裁剪。

實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)必須是可靠的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)對可靠性的程度要求不同。實(shí)際中，實(shí)時系統(tǒng)本身不能經(jīng)過測量確定系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)中所有元素的集合，包括硬件，BSP（板級支持包），實(shí)時操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序共同決定了系統(tǒng)的可靠性。

實(shí)時嵌入式系統(tǒng)具有可預(yù)測性，因為實(shí)時系統(tǒng)必須在某種程度上是可預(yù)測的。開發(fā)人員可以用一些基準(zhǔn)程序確認(rèn)實(shí)時操作系統(tǒng)的確定性，例如某些特定調(diào)用的響應(yīng)時間。

關(guān)于實(shí)時嵌入式的性能測試，有許多衡量指標(biāo)。系統(tǒng)的軟件和硬件都會影響到系統(tǒng)的性能。例如可以用MIPS（每秒百萬次指令）衡量系統(tǒng)的CPU性能。一般來說，吞吐量可以用來衡量軟硬件組合在一起的系統(tǒng)整體性能。

實(shí)時嵌入式系統(tǒng)具有緊湊性。因為嵌入式系統(tǒng)中，硬件資源有限，所以實(shí)時操作系統(tǒng)必須小巧并且有效，這與尺寸和費(fèi)用相關(guān)。

由于實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用在各類嵌入式系統(tǒng)中，所以系統(tǒng)必須能夠裁剪以滿足特定應(yīng)用需求?？刹眉粜杂袝r也會影響到整個系統(tǒng)的花費(fèi)。

3.2 基于虛擬化技術(shù)改善linux的實(shí)時性

虛擬化技術(shù)使得在一個硬件平臺運(yùn)行多個OS（操作系統(tǒng)）成為可能，采用虛擬化技術(shù)改善linux的實(shí)時性，其本質(zhì)依然是雙內(nèi)核方式，即在linux內(nèi)核和硬件之間增加額外的一層用于管理實(shí)時任務(wù)。

虛擬化方式的商用代表是Virtual Logic公司的VLX，開源代表為ADEOS。虛擬化技術(shù)方式花費(fèi)少（cheap）并且可以安全過渡到linux。它可以切換到含有豐富應(yīng)用的linux上，并且允許保留RTOS的實(shí)時任務(wù)。另外，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度，虛擬化可以分為硬件仿真，完全虛擬化和半虛擬化。

硬件仿真技術(shù)是虛擬化實(shí)現(xiàn)中最復(fù)雜的一種，它通過對虛擬機(jī)運(yùn)行時的特權(quán)指令進(jìn)行掃描捕獲，之后對指令重寫即仿真。由于其性能損失較大，對系統(tǒng)的硬件要求較高，不適合采用該方式改善linux的實(shí)時性。

完全虛擬化中特權(quán)指令由底層硬件進(jìn)行處理，它最大的特點(diǎn)是guest os不需要修改，但是需要硬件支持，例如較新的ARM處理器已經(jīng)集成了該功能。所以采用此方式改善linux實(shí)時性對硬件平臺的限制較大。

半虛擬化需要需要修改guest os，由guest os處理特權(quán)指令，其性能相對較高。目前，采用這種方式的嵌入式虛擬化解決方案較多。

嵌入式linux的實(shí)時性解決方案VLX的實(shí)現(xiàn)中，VLX虛擬機(jī)之上需要運(yùn)行一個RTOS和linux，而xtimes的實(shí)現(xiàn)則不同。虛擬機(jī)xtimes自身實(shí)現(xiàn)了實(shí)時系統(tǒng)的基本功能，因此僅需虛擬機(jī)xtimes和修改過的linux內(nèi)核就可以實(shí)現(xiàn)雙內(nèi)核方式增強(qiáng)linux的實(shí)時性。下一章是嵌入式虛擬機(jī)xtimes的具體實(shí)現(xiàn)。

嵌入式系統(tǒng)無處不在，它改變了我們的工作、生活和學(xué)習(xí)方式。嵌入式系統(tǒng)中，往往有實(shí)時需求，因此很多嵌入式系統(tǒng)同時又是實(shí)時操作系統(tǒng)，即實(shí)時嵌入式系統(tǒng)。此外，linux作為一個開源，低成本，而且經(jīng)時間檢驗是一個比較成熟的操作系統(tǒng)，在生活中已得到廣泛的應(yīng)用。如果能利用已有的linux操作系統(tǒng)優(yōu)勢，服務(wù)于嵌入式系統(tǒng)將是一個雙贏的結(jié)果。

然而，目前廣泛運(yùn)用的Linux系統(tǒng)，由于其在開發(fā)時作為GPOS設(shè)計，并非RTOS，沒有全面考慮嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時需求，因此在系統(tǒng)的實(shí)時性方面仍需改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]毛德操，胡希明.嵌入式系統(tǒng)——采用公開源代碼和Strong ARM/XScale處理器[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003.

作者簡介：王慧敏（1983.11-），女，講師，本科，研究方向：計算機(jī)軟件應(yīng)用。

作者單位：甘肅武威職業(yè)學(xué)院，甘肅武威 733000