處理器開(kāi)發(fā)中的重大新聞是主要 CPU 制造商現(xiàn)在如何標(biāo)準(zhǔn)化多核處理器技術(shù)。雖然大多數(shù)軟件社區(qū)都專注于服務(wù)器應(yīng)用程序，但各種嵌入式計(jì)算應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)人員也可以從多核處理器的最新進(jìn)展中受益。

多核處理器為將新功能與舊代碼混合以及在同一系統(tǒng)上組合多個(gè)操作環(huán)境的需求提供了一種解決方案。與由多個(gè)子系統(tǒng)組成的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)相比，高度集成的系統(tǒng)可以通過(guò)在單個(gè)處理系統(tǒng)的不同內(nèi)核上運(yùn)行的實(shí)時(shí)軟件組件和人為指導(dǎo)的元素來(lái)構(gòu)建， 通過(guò)消除冗余硬件來(lái)降低系統(tǒng)制造和維護(hù)成本。

挑戰(zhàn)在于實(shí)施有效

利用新處理器芯片的軟件。今天，系統(tǒng)將處理器內(nèi)核專用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 和通用操作系統(tǒng) （GPOS） 的獨(dú)立、不同的操作環(huán)境。

以犧牲性能為代價(jià)共享 I/O

承載多個(gè)操作環(huán)境的軟件必須支持處理器硬件接口的虛擬化，以便多個(gè)軟件應(yīng)用程序可以共享多核處理器的 I/O 而不會(huì)發(fā)生沖突。在這種情況下，虛擬化的概念涉及使用軟件允許單個(gè)硬件同時(shí)為多個(gè)操作系統(tǒng)提供服務(wù)。

從歷史上看，虛擬機(jī)管理軟件模擬了整個(gè)底層機(jī)器，包括所有 I/O 設(shè)備。但是，使用完全虛擬化的機(jī)器會(huì)造成客戶操作系統(tǒng)直接與硬件交互時(shí)所沒(méi)有的性能損失。例如，圖形密集型應(yīng)用程序需要訪問(wèn)真實(shí)硬件以獲得最佳性能。虛擬幀緩沖區(qū)太慢，并且缺乏渲染 3D 運(yùn)動(dòng)圖像的應(yīng)用程序的足夠功能。這給醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)或機(jī)器人裝配機(jī)等應(yīng)用帶來(lái)了重大問(wèn)題。在此類系統(tǒng)中，渲染圖像的客戶操作系統(tǒng)需要直接訪問(wèn)物理幀緩沖區(qū)及其控制 I/O。

直接訪問(wèn) I/O 提高了響應(yīng)能力

鑒于這種性能挫折，需要一種不同的虛擬機(jī)管理方法來(lái)支持最新的 I/O 硬件

增強(qiáng)功能并在確定性處理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最高性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，虛擬機(jī)管理器（VMM，如圖 1 所示）將特定設(shè)備直接分配給控制它們的 I/O 任務(wù)。在這個(gè)系統(tǒng)中，VMM 不模擬底層機(jī)器的整個(gè) I/O接口，只模擬那些共享的設(shè)備。對(duì)于所有其他設(shè)備，它確保只有授權(quán)的操作環(huán)境才能訪問(wèn)特定的性能關(guān)鍵 I/O。例如，如圖所示，VMM 確保主操作員顯示屏只能由 GPOS 訪問(wèn)，在本例中為Windows。

圖1

這種將 I/O 專門分配給特定虛擬機(jī)的概念對(duì)于保證實(shí)時(shí)響應(yīng)能力至關(guān)重要。對(duì)響應(yīng)關(guān)鍵硬件的訪問(wèn)必須僅限于控制硬件的 RTOS；同樣，對(duì)遺留 I/O 接口的訪問(wèn)應(yīng)僅限于相應(yīng)的遺留應(yīng)用軟件。

虛擬化支持遺留代碼遷移

在其自己的處理器內(nèi)核上的虛擬實(shí)時(shí)機(jī)器中運(yùn)行舊版 RTOS，可以將舊版實(shí)時(shí)軟件從過(guò)時(shí)的硬件遷移到現(xiàn)代嵌入式平臺(tái)。由于 I/O 可以虛擬化，因此可以模擬舊的硬件設(shè)備，從而最大限度地減少重寫經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的軟件的需要。例如，通過(guò)攔截對(duì)傳統(tǒng) VMEbus I/O 的 I/O 請(qǐng)求并將它們重定向到等效的板載 I/O 設(shè)備，可以將VMEbus 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為更便宜的 SBC 系統(tǒng)。

有效的 VMM 系統(tǒng)將 VMM 可以復(fù)用的資源與必須為虛擬機(jī)獨(dú)占的資源區(qū)分開(kāi)來(lái)。例如，磁盤和企業(yè)以太網(wǎng)接口等設(shè)備可以在所有虛擬機(jī)之間多路復(fù)用和共享。但是，當(dāng)確定性和性能比平等訪問(wèn)更重要時(shí)，虛擬化軟件應(yīng)該隔離資源以供特定虛擬機(jī)及其客戶操作系統(tǒng)使用。

組合獨(dú)立子系統(tǒng)的好處

因?yàn)槎嗪诵酒梢猿休d多個(gè)操作環(huán)境，以前需要多個(gè)離散計(jì)算模塊的系統(tǒng)現(xiàn)在可以組合在單個(gè)硬件環(huán)境中。通過(guò)重用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的遺留應(yīng)用程序并支持 RTOS 和 GPOS 子系統(tǒng)之間更快的通信和協(xié)調(diào)，該技術(shù)可以降低成本、提高 可靠性和穩(wěn)健性，并節(jié)省設(shè)計(jì)、制造和維護(hù) 資源。

審核編輯：郭婷