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備，幾乎每個稱職的半導(dǎo)體制造商都在生產(chǎn)多核片上系統(tǒng) （SoC）。這些 SoC 通常將兩個或更多 CPU 內(nèi)核與額外的特定應(yīng)用硬件加速器配對，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。

對于軟件人員來說，這提出了一個有趣的挑戰(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，對于許多應(yīng)用程序來說，可擴展性問題仍然是一個真正的科學(xué)項目。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。同時運行多個系統(tǒng)的要求進一步強調(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。目標是有效地共享內(nèi)存、CPU 時間和 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。

國外系統(tǒng)集成

許多環(huán)境運行在 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以及不同的內(nèi)核補丁。例如，Android 系統(tǒng)有自己的設(shè)備驅(qū)動程序和內(nèi)核補丁。理想情況下，系統(tǒng)可以運行在 Linux 內(nèi)核上運行的任何用戶空間。與這些環(huán)境相關(guān)的內(nèi)核補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)揮了當今強大的多核 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; 圍繞虛擬化有很多炒作（或者，正如我們喜歡說的，圍繞虛擬機管理程序有很多炒作）。

虛擬化是一種將計算機資源劃分為多個執(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相互隔離的客戶操作系統(tǒng)。雖然功能強大，但由于管理程序和多個操作系統(tǒng)的開銷，性能（沒有大量優(yōu)化）非常低。示例包括 QEMU、基于內(nèi)核的虛擬機 （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展使用單個操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序。這里的優(yōu)勢是單一操作系統(tǒng)和較低的開銷，在大多數(shù)情況下通常不到 1%。因為開銷很小，所以擴展和/或優(yōu)化性能的能力是一個巨大的好處。示例包括 Linux 容器和 BDS Jails。

硬件分段（非對稱多處理或 AMP）：這種高性能配置將硬件專用于在用戶模式下運行的特定應(yīng)用程序，以獲得最佳性能。這可以通過使用簡單的運行時執(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 專用于進程而幾乎沒有開銷來實現(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)置和維護開銷，將獨特級別的復(fù)雜性引入運行時環(huán)境，并解決不同的問題。

雖然業(yè)界目前專注于推動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)實情況是嵌入式開發(fā)人員需要一系列可針對特定應(yīng)用程序需求量身定制的選項。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)計性能特征的產(chǎn)品。簡而言之，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)。因為它是單個運行時，所以有一個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。對于某些工作負載，幾個低功耗處理器可能比更少、更強大的處理器更高效。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)級別的虛擬化，允許對工作負載要求進行非常有效的虛擬化。例如，容器可用于托管數(shù)千個獨立網(wǎng)站，每個網(wǎng)站彼此安全隔離。容器允許精確控制分配給每個容器的運行時資源，因此每個網(wǎng)站都可以限制在客戶購買的性能水平上?；蛘?，更重要的是，可以使用相同的機制阻止流氓網(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 為每個托管網(wǎng)站所需的安全和加密/解密操作提供運行時環(huán)境。例如，一個 32 核的 SoC 可以利用大部分核心進行應(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 Linux 實例控制。

Linux 提供了一個簡單的解決方案

人們普遍認為，必須利用 Linux 與實時操作系統(tǒng) （RTOS） 或簡單的運行時環(huán)境的組合來充分實現(xiàn)多核處理器的高性能。助長這種誤解的想法是，Linux 本身無法滿足要求，因為它太大、太慢且不是實時的。這種謬誤還推動了管理程序和/或虛擬化必須調(diào)解和隔離不同的運行時環(huán)境并促進它們之間的相互通信的要求。通常是 RTOS 供應(yīng)商自己使這種錯誤信念永久化。

最后，這些對 Linux 驅(qū)動器的誤解增加了開發(fā)過程的復(fù)雜性和成本。由于多個運行時和開發(fā)環(huán)境（Linux、RTOS 和可能的管理程序各一個），復(fù)雜性增加。由于專有 RTOS 和虛擬機管理程序的特許權(quán)使用費，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)人員在更長的時間內(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其進行修復(fù)的方法會產(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，“讓一切盡可能簡單，但不要簡單。”

作者：Jim Ready，Patrick MacCartee

審核編輯：郭婷