無論軟件開發(fā)人員喜不喜歡，也不管他們是否為此做好準(zhǔn)備，幾乎每個(gè)稱職的半導(dǎo)體制造商都在生產(chǎn)多核片上系統(tǒng) （SoC）。這些 SoC 通常將兩個(gè)或更多 CPU 內(nèi)核與額外的特定應(yīng)用硬件加速器配對(duì)，以提供完整的系統(tǒng)。例如，Cavium Networks、NetLogic Microsystems 和 Freescale Semiconductor 生產(chǎn)用于網(wǎng)絡(luò)處理的 SoC，而德州儀器和 Broadcom 則生產(chǎn)用于數(shù)字媒體設(shè)備的 SoC。

對(duì)于軟件人員來說，這提出了一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)，即使應(yīng)用程序能夠從這些多核 SoC 環(huán)境中獲得所有可用的處理能力。開發(fā)人員如何確保他們的應(yīng)用程序與可用內(nèi)核線性擴(kuò)展，并充分利用媒體加速器和數(shù)據(jù)包引擎等其他 SoC 硬件組件？需要明確的是，對(duì)于許多應(yīng)用程序來說，可擴(kuò)展性問題仍然是一個(gè)真正的科學(xué)項(xiàng)目。然而，有一些系統(tǒng)要構(gòu)建和產(chǎn)品要發(fā)布，所以開發(fā)人員不能等待理論上完美的解決方案。

在過去的一年中，MontaVista Software 研究了廣泛的應(yīng)用程序中的大量客戶用例，包括網(wǎng)絡(luò)處理、數(shù)字電視、車載信息娛樂、超低功耗服務(wù)器 Web 托管等。目標(biāo)是了解基于 Linux 的軟件解決方案如何在廣泛的應(yīng)用需求中充分利用底層 SoC 硬件。該研究確定了任何解決方案都必須滿足的以下高級(jí)要求。

多核支持

現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的需求正在加速采用多核 SoC。同時(shí)運(yùn)行多個(gè)系統(tǒng)的要求進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了這些要求；因此，該解決方案必須提供一種使用和管理多核環(huán)境的有效方式。

安全

根據(jù)定義，下載到設(shè)備的任何內(nèi)容都是不安全的。該解決方案必須有效隔離從核心設(shè)備功能下載的任何內(nèi)容，并且不得允許下載的應(yīng)用程序污染其他應(yīng)用程序。

資源擁塞

必須防止下載的應(yīng)用程序占用系統(tǒng)資源。目標(biāo)是有效地共享內(nèi)存、CPU 時(shí)間和 I/O 等資源。這種共享必須允許更重要的系統(tǒng)功能優(yōu)先于不太重要的下載應(yīng)用程序。

國(guó)外系統(tǒng)集成

許多環(huán)境運(yùn)行在 Linux 內(nèi)核之上。但是，這些環(huán)境可能需要不同的用戶空間庫(kù)以及不同的內(nèi)核補(bǔ)丁。例如，Android 系統(tǒng)有自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核補(bǔ)丁。理想情況下，系統(tǒng)可以運(yùn)行在 Linux 內(nèi)核上運(yùn)行的任何用戶空間。與這些環(huán)境相關(guān)的內(nèi)核補(bǔ)丁和用戶空間必須與安全性和資源共享相結(jié)合。

這種分析促成了基于 Linux 的架構(gòu)的開發(fā)，該架構(gòu)最大限度地發(fā)揮了當(dāng)今強(qiáng)大的多核 SoC 的底層功能。

架構(gòu)概述

要了解該軟件的整體架構(gòu)，有必要了解一些現(xiàn)代操作系統(tǒng) （OS） 環(huán)境，尤其是虛擬化技術(shù)。但小心點(diǎn); 圍繞虛擬化有很多炒作（或者，正如我們喜歡說的，圍繞虛擬機(jī)管理程序有很多炒作）。

虛擬化是一種將計(jì)算機(jī)資源劃分為多個(gè)執(zhí)行環(huán)境的方法。目前使用的虛擬化主要分為三大類，它們之間的主要區(qū)別在于發(fā)生虛擬化的層：

全虛擬化和半虛擬化：這些類型的虛擬化用于托管多個(gè)相互隔離的客戶操作系統(tǒng)。雖然功能強(qiáng)大，但由于管理程序和多個(gè)操作系統(tǒng)的開銷，性能（沒有大量?jī)?yōu)化）非常低。示例包括 QEMU、基于內(nèi)核的虛擬機(jī) （KVM）、Zen 和 VMware。

操作系統(tǒng)資源虛擬化：這種類型的虛擬化用于隔離和擴(kuò)展使用單個(gè)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序。這里的優(yōu)勢(shì)是單一操作系統(tǒng)和較低的開銷，在大多數(shù)情況下通常不到 1%。因?yàn)殚_銷很小，所以擴(kuò)展和/或優(yōu)化性能的能力是一個(gè)巨大的好處。示例包括 Linux 容器和 BDS Jails。

硬件分段（非對(duì)稱多處理或 AMP）：這種高性能配置將硬件專用于在用戶模式下運(yùn)行的特定應(yīng)用程序，以獲得最佳性能。這可以通過使用簡(jiǎn)單的運(yùn)行時(shí)執(zhí)行程序或利用操作系統(tǒng)資源虛擬化和處理器內(nèi)核關(guān)聯(lián)功能將內(nèi)核和 I/O 專用于進(jìn)程而幾乎沒有開銷來實(shí)現(xiàn)。

這些類型的虛擬化提供不同的性能特征，需要不同的設(shè)置和維護(hù)開銷，將獨(dú)特級(jí)別的復(fù)雜性引入運(yùn)行時(shí)環(huán)境，并解決不同的問題。

雖然業(yè)界目前專注于推動(dòng)完全虛擬化的管理程序作為多核優(yōu)化的萬能解決方案，但現(xiàn)實(shí)情況是嵌入式開發(fā)人員需要一系列可針對(duì)特定應(yīng)用程序需求量身定制的選項(xiàng)。開發(fā)人員將需要一種或多種這些虛擬化技術(shù)的某種組合，以提供符合硬件限制并滿足設(shè)計(jì)性能特征的產(chǎn)品。簡(jiǎn)而言之，訣竅是將應(yīng)用程序與正確的操作系統(tǒng)服務(wù)相匹配，以滿足整體系統(tǒng)要求，包括性能、可靠性和安全性。

MontaVista 提供三種基于非專有、開源 Linux 技術(shù)的虛擬化方法，并支持多處理器架構(gòu)。因?yàn)樗菃蝹€(gè)運(yùn)行時(shí)，所以有一個(gè)編譯器和一組工具可用于任何用例或用例組合。圖 1 顯示了這種方法的總體情況。這三種方法是：

KVM Hypervisor（完全虛擬化）

Linux 容器（操作系統(tǒng)資源虛擬化）

MontaVista Bare Metal Engine（操作系統(tǒng)資源虛擬化和 SoC 硬件分割）

圖 1：一個(gè)編譯器和一組工具可用于任何用例或使用 MontaVista 的三種虛擬化方法的組合。

微服務(wù)器用例

微服務(wù)器背后的想法是利用更小、更節(jié)能的處理器來降低一類以 Web 為中心的 IT 應(yīng)用程序的物理和能源消耗足跡。對(duì)于某些工作負(fù)載，幾個(gè)低功耗處理器可能比更少、更強(qiáng)大的處理器更高效。Cavium Octeon 處理器和其他半導(dǎo)體供應(yīng)商的處理器非常適合在內(nèi)核本身的功率效率的基礎(chǔ)上滿足微服務(wù)器概念的密度和功率效率要求。這些 SoC 還包括專用硬件來處理基于 Web 的應(yīng)用程序所需的前端安全和加密/解密處理。

從軟件的角度來看，MontaVista Linux Containers 和 Bare Metal Engine 技術(shù)有助于完成這幅畫。容器用于提供操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化，允許對(duì)工作負(fù)載要求進(jìn)行非常有效的虛擬化。例如，容器可用于托管數(shù)千個(gè)獨(dú)立網(wǎng)站，每個(gè)網(wǎng)站彼此安全隔離。容器允許精確控制分配給每個(gè)容器的運(yùn)行時(shí)資源，因此每個(gè)網(wǎng)站都可以限制在客戶購(gòu)買的性能水平上。或者，更重要的是，可以使用相同的機(jī)制阻止流氓網(wǎng)站過度消耗資源，從而阻止拒絕服務(wù)類型的攻擊。

Bare Metal Engine 為每個(gè)托管網(wǎng)站所需的安全和加密/解密操作提供運(yùn)行時(shí)環(huán)境。例如，一個(gè) 32 核的 SoC 可以利用大部分核心進(jìn)行應(yīng)用程序處理，而少數(shù)專用于數(shù)據(jù)包處理，所有這些都由一個(gè) Linux 實(shí)例控制。

Linux 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

人們普遍認(rèn)為，必須利用 Linux 與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 或簡(jiǎn)單的運(yùn)行時(shí)環(huán)境的組合來充分實(shí)現(xiàn)多核處理器的高性能。助長(zhǎng)這種誤解的想法是，Linux 本身無法滿足要求，因?yàn)樗蟆⑻也皇菍?shí)時(shí)的。這種謬誤還推動(dòng)了管理程序和/或虛擬化必須調(diào)解和隔離不同的運(yùn)行時(shí)環(huán)境并促進(jìn)它們之間的相互通信的要求。通常是 RTOS 供應(yīng)商自己使這種錯(cuò)誤信念永久化。

最后，這些對(duì) Linux 驅(qū)動(dòng)器的誤解增加了開發(fā)過程的復(fù)雜性和成本。由于多個(gè)運(yùn)行時(shí)和開發(fā)環(huán)境（Linux、RTOS 和可能的管理程序各一個(gè)），復(fù)雜性增加。由于專有 RTOS 和虛擬機(jī)管理程序的特許權(quán)使用費(fèi)，成本增加，更不用說開發(fā)復(fù)雜性本身帶來的額外成本，需要更多的開發(fā)人員在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)。

在任何地方都使用 Linux 并在可能無法滿足某些要求的地方對(duì)其進(jìn)行修復(fù)的方法會(huì)產(chǎn)生單一的操作系統(tǒng)環(huán)境、單一的工具鏈以及適用于應(yīng)用程序所有方面的通用開發(fā)和調(diào)試工具。正如愛因斯坦所說，“讓一切盡可能簡(jiǎn)單，但不要簡(jiǎn)單。”

作者：Jim Ready，Patrick MacCartee

審核編輯：郭婷