引言

工業(yè)負載整合是指通過技術手段將傳統(tǒng)工業(yè)中分散在多個工控機上的負載集中部署到單一硬件平臺上，以優(yōu)化硬件性能并降低成本。在傳統(tǒng)工業(yè)場景中，上位機負責人機交互、數(shù)據(jù)分析或視覺檢測，下位機負責實時任務如運動控制和傳感器數(shù)據(jù)收集。通過負載整合方案，可以將上位機和下位機的功能集成到同一硬件平臺上，充分利用x86平臺的強大硬件資源，實現(xiàn)多機任務的集中處理。

圖1.工業(yè)負載整合架構圖

虛擬化技術在工業(yè)負載整合解決方案中起到了至關重要的作用。借助虛擬化，SMP架構的x86平臺能夠同時運行多個操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)可以共享或獨占物理核，從而支持不同工作負載的部署，實現(xiàn)工業(yè)負載的高效整合。

英特爾從芯片層面推動虛擬化在工業(yè)領域的應用落地。其VT-x技術支持CPU和內存虛擬化（EPT），而VT-d和SR-IOV技術則為I/O設備虛擬化提供全面的硬件支持。為滿足工業(yè)領域的嚴格實時性要求，英特爾在特定芯片上還提供了專門的硬件技術支持和配置，如Intel Resource Direct Technology (RDT) 等。

Acontis虛擬化負載整合解決方案概述

在工業(yè)自動化和人機交互領域，Linux和Windows是最常用的操作系統(tǒng)。為滿足客戶對Windows用戶體驗和實時控制的需求，Acontis公司基于多年技術積累，推出了成熟、可靠且高效的實時虛擬化擴展方案。

針對不同場景的要求，Acontis提供了兩種選擇：RTOSVisor（類型I的Hypervisor）與LxWin（類型II的Hypervisor）。類型I Hypervisor直接運行于物理硬件層以保障高確定性響應，獨立的虛擬機之間隔離性好，也無需依賴宿主機操作系統(tǒng)。而類型II Hypervisor則依托宿主操作系統(tǒng)來管理硬件資源，實現(xiàn)開發(fā)效率與實時性平衡。

LxWin（類型II的Hypervisor ）

LxWin Hypervisor采用類型II虛擬化技術，使實時Linux子系統(tǒng)能夠在Windows操作系統(tǒng)下并行運行。通過英特爾虛擬化技術（VT-x/VT-d），它將Windows應用程序和實時Linux控制任務分配到同一硬件平臺的不同CPU核心，實現(xiàn)硬件資源隔離，確保實時任務不受Windows非實時進程的干擾。即使Windows發(fā)生藍屏，實時Linux仍能繼續(xù)運行，且實時性能不受影響，從而保障了實時任務的可靠性。該方案兼容現(xiàn)有的Linux驅動程序和工業(yè)軟件（如EtherCAT主站），用戶可直接復用現(xiàn)有代碼，無需額外適配。為簡化部署流程，Acontis提供預配置的實時Linux操作系統(tǒng)鏡像，大幅縮短部署周期。

圖2. 類型 II Hypervisor 系統(tǒng)架構圖

RTOSVisor（類型I的Hypervisor）

Acontis RTOSVisor是一款直接運行于硬件層的類型I實時Hypervisor解決方案，專為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣控制器及多任務整合場景設計。該方案通過實時虛擬機框架（VMF, Virtual Machine Framework）與基于內核的虛擬化模塊（KVM, Kernel-based Virtual Machine）協(xié)同工作，以滿足高復雜度工業(yè)應用的需求。實時子系統(tǒng)由VMF驅動，直接管理硬件中斷、PCIe設備（如EtherCAT主站卡）及實時操作系統(tǒng)（如實時Linux），消除虛擬化層性能損耗，實現(xiàn)微秒級確定性響應（英特爾 酷睿 i7平臺實測中斷延遲＜20μs）。KVM模塊負責托管Windows/Linux等通用操作系統(tǒng)，通過PCIe/USB設備直通（如為HMI界面分配獨立顯卡資源）與半虛擬化技術（如VirtIO虛擬存儲控制器）優(yōu)化非實時任務的吞吐效率。兩類子系統(tǒng)基于Intel VT-x/VT-d技術實現(xiàn)物理資源隔離，確保實時任務不受通用系統(tǒng)干擾。此架構已成功應用于半導體晶圓搬運、汽車焊裝線等場景，支持7×24小時無中斷作業(yè)。

圖3. 類型I Hypervisor System Architecture

英特爾技術對Acontis方案的加持

英特爾芯片廣泛應用于各類工業(yè)領域，從運動控制、視覺計算到當前熱門的AI和具身智能。英特爾提供完整的產品系列，以滿足不同行業(yè)的多樣化需求：從英特爾凌動 處理器，英特爾 酷睿 處理器到英特爾 至強 處理器，憑借其強大的計算性能和高可靠性，可用于工業(yè)網(wǎng)關、人機界面（HMI）、自動化控制、機器人、工業(yè)PC（IPC）、工業(yè)服務器等場景，提供卓越的計算能力，支持確定性實時控制以及復雜的數(shù)據(jù)處理、機器視覺和AI推理。此外，在虛擬化技術方面，英特爾為Acontis Hypervisor提供了全面的底層支持和保障。

1. Intel VT (Intel Virtualization Technology) 技術

SMI（System Management Interrupt，系統(tǒng)管理中斷）是實時性和確定性的主要障礙。為應對SMI的復雜干擾特性，Acontis利用英特爾硬件平臺的Intel VT技術開發(fā)了專用監(jiān)控驅動，以減輕SMI對實時任務的影響。在啟用Intel VT技術支持時，Windows運行于VMX（Virtual Machine Extension）非根操作模式下，Hypervisor框架（VMF，作為管理程序的一部分）能夠控制特定操作的允許或禁止。如果Windows嘗試執(zhí)行可能引發(fā)系統(tǒng)管理中斷的操作，Hypervisor可以攔截這些操作以避免觸發(fā)SMI，從而有效降低SMI對實時任務的干擾。這一優(yōu)化策略為工業(yè)客戶提供了更高水平的實時性保障。

2. Intel RDT (Intel Resource Director Technology) 技術

英特爾 資源調配技術（Resource Director Technology，RDT）：英特爾資源導向技術RDT提供對共享資源（如緩存、內存帶寬）的監(jiān)控與分配能力，確保關鍵實時應用的QoS（Quality of Service, 服務質量）。

高速緩存分配技術（Cache Allocation Technology，CAT）：RDT的子技術之一，EC-Win 7.0通過CAT優(yōu)化緩存分配策略，隔離實時應用與Windows環(huán)境的緩存爭用，顯著提升運行時確定性。

內存帶寬監(jiān)控（Memory Bandwidth Allocation，MBA）：RDT的子技術之一，EC-Win 7.0使用MBA限制非實時系統(tǒng)的內存帶寬占用，降低實時任務的性能抖動，保障執(zhí)行穩(wěn)定性。

英特爾 RDT技術棧（CAT/MBA）深度整合于EC-Win 7.0，為工業(yè)場景提供全面的資源隔離與確定性保障。

英特爾工業(yè)控制產品路線圖

英特爾在工業(yè)控制領域的產品路線圖涵蓋了從高性能英特爾酷睿系列到低功耗英特爾Atom系列的多種處理器選型，以滿足不同應用場景需求。通過這些先進處理器，英特爾致力于推動工業(yè)自動化和智能化的發(fā)展，為客戶提供強大的計算能力和靈活的解決方案。

圖4. 英特爾工業(yè)控制產品路線圖

客戶解決方案選擇指南

測試數(shù)據(jù)

*注：

- 測試中Windows執(zhí)行Burn-In Test加壓負載：100% CPU負載, 100% RAM負載, 100% 2D負載, 100% 3D負載, 100% Video負載，100% 網(wǎng)絡負載。

- 實驗室測試結果，實際可能不同。本圖表測試數(shù)據(jù)由盟通提供，測試工具由Acontis提供。

- 硬件：ATOM系列N97為卓信創(chuàng)馳 E7201, CORE i7系列12700為信步ECS-C6270

公司簡介

Acontis Technologies GmbH是一家總部位于德國南部的工業(yè)自動化技術公司，成立于2001年。公司專注于EtherCAT技術、Windows實時軟件和實時虛擬化技術（RealTime Hypervisor），是行業(yè)領先的解決方案供應商。經(jīng)過多年的技術積累和現(xiàn)場客戶的驗證，Acontis的核心產品圍繞工業(yè)實時通信與操作系統(tǒng)搭建出兩大類產品：一是EtherCAT主站協(xié)議棧和各種配套工具；二是實時Hypervisor技術。

盟通科技有限公司成立于2013年，是專注于工業(yè)自動化領域的高新技術企業(yè)，核心業(yè)務涵蓋實時現(xiàn)場總線技術及工業(yè)通訊技術的研發(fā)、推廣與技術服務。與歐洲多家頭部自動化企業(yè)包括Acontis、emotas、HMS等戰(zhàn)略合作，聚焦工業(yè)4.0框架下的通訊解決方案，提供標準化與定制化產品。國內客戶涉及機器人、半導體制造、醫(yī)療設備、航空航天等多個領域。盟通科技是Acontis多年來的中國合作伙伴，擁有豐富的項目落地與應用經(jīng)驗。