背景：混合關(guān)鍵性系統(tǒng)

在嵌入式場(chǎng)景中，雖然 Linux 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但并不能覆蓋所有需求，例如高實(shí)時(shí)、高可靠、高安全的場(chǎng)合。這些場(chǎng)合往往是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的用武之地。有些應(yīng)用場(chǎng)景需要 Linux 的管理能力、豐富的生態(tài)又需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)、高可靠、高安全，那么一種典型的設(shè)計(jì)是采用一顆性能較強(qiáng)的處理器運(yùn)行 Linux 負(fù)責(zé)富功能，一顆微控制器/ DSP /實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制或者信號(hào)處理，兩者之間通過(guò) I/O、網(wǎng)絡(luò)或片外總線的形式通信。這種方式存在的問(wèn)題是，硬件上需要兩套系統(tǒng)、集成度不高，通信受限與片外物理機(jī)制的限制如速度、時(shí)延等，軟件上 Linux 和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)兩者之間是割裂的，在靈活性上、可維護(hù)性上存在改進(jìn)空間。

受益于硬件技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的硬件能力越來(lái)越強(qiáng)大，如單核能力不斷提升、單核到多核、異構(gòu)多核乃至眾核的演進(jìn)，虛擬化技術(shù)和可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，未來(lái)先進(jìn)封裝技術(shù)會(huì)帶來(lái)更高的集成度等等，使得在一個(gè)片上系統(tǒng)中（SoC）部署多個(gè) OS 具備了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。

同時(shí)，受應(yīng)用需求的推動(dòng)，如物聯(lián)網(wǎng)化、智能化、功能安全與信息安全等等，整個(gè)嵌入式軟件系統(tǒng)也越發(fā)復(fù)雜，全部由單一 OS 承載所有功能所面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。解決方式之一就是不同系統(tǒng)負(fù)責(zé)各自所擅長(zhǎng)的功能，如 Windows 的 UI、Linux 的網(wǎng)絡(luò)通信與管理、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)與高可靠等，而且還要易于開(kāi)發(fā)、部署、擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)的形式可以是容器、虛擬化等。

面對(duì)上述硬件和應(yīng)用的變化，結(jié)合自身原有的特點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)未來(lái)演進(jìn)的方向之一就是「混合關(guān)鍵性系統(tǒng)（MCS，Mixed Criticality System）」， 這可以從典型的嵌入式系統(tǒng)——汽車電子的最近發(fā)展趨勢(shì)略見(jiàn)一斑。

「圖 1」 openEuler Embedded 中的混合關(guān)鍵性系統(tǒng)大致架構(gòu)

從 openEuler Embedded 的角度，混合關(guān)鍵性系統(tǒng)的大致架構(gòu)如圖 1 所示，所面向的硬件是具有同構(gòu)或異構(gòu)多核的片上系統(tǒng)，從應(yīng)用的角度看會(huì)同時(shí)部署多個(gè) OS /運(yùn)行時(shí)，例如 Linux 負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理與服務(wù)、1 個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制、1 個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)可靠、1 個(gè)裸金屬運(yùn)行時(shí)運(yùn)行專用算法，全系統(tǒng)的功能是由各個(gè) OS /運(yùn)行時(shí)協(xié)同完成。中間的「混合部署框架」和「嵌入式虛擬化」是具體的支撐技術(shù)。關(guān)鍵性（Criticality）狹義上主要是指功能安全等級(jí)，參考泛功能安全標(biāo)準(zhǔn) IEC-61508，Linux 可以達(dá)到 SIL1 或 SIL2 級(jí)別，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以達(dá)到最高等級(jí) SIL3；廣義上，關(guān)鍵性可以擴(kuò)展至實(shí)時(shí)等級(jí)、功耗等級(jí)、信息安全等級(jí)等目標(biāo)。

在這樣的系統(tǒng)中，需要解決如下幾個(gè)問(wèn)題：

「高效地混合部署問(wèn)題」：如何高效地實(shí)現(xiàn)多 OS 協(xié)同開(kāi)發(fā)、集成構(gòu)建、獨(dú)立部署、獨(dú)立升級(jí)。

「高效地通信與協(xié)作問(wèn)題」：系統(tǒng)的整體功能由各個(gè)域協(xié)同完成，因此如何高效地實(shí)現(xiàn)不同域之間高效、可擴(kuò)展、實(shí)時(shí)、安全的通信。

「高效地隔離與保護(hù)問(wèn)題」：如何高效地實(shí)現(xiàn)多個(gè)域之間的強(qiáng)隔離與保護(hù)，使得出故障時(shí)彼此不互相影響，以及較小的可信基（Trust Compute Base）。

「高效地資源共享與調(diào)度問(wèn)題」：如何在滿足不同目標(biāo)約束下（實(shí)時(shí)、功能安全、性能、功耗），高效地管理調(diào)度資源，從而提升硬件資源利用率。

對(duì)于上述問(wèn)題，openEuler Embedded 的當(dāng)前思路是「混合關(guān)鍵性系統(tǒng) = 部署 + 隔離 + 調(diào)度」，即首先實(shí)現(xiàn)多 OS 的混合部署，再實(shí)現(xiàn)多 OS 之間的隔離與保護(hù)，最后通過(guò)混合關(guān)鍵性調(diào)度提升資源利用率，具體可以映射到「混合部署框架」和「嵌入式虛擬化」。混合部署框架解決「高效地混合部署問(wèn)題」和「高效地通信與協(xié)作問(wèn)題」，嵌入式虛擬化解決「高效地隔離與保護(hù)問(wèn)題」和「高效地資源共享與調(diào)度問(wèn)題」。

多 OS 混合部署框架

openEuler Embedded 中多 OS 混合部署框架的架構(gòu)圖如下所示，引入了開(kāi)源框架 OpenAMP［1］作為基礎(chǔ)，并結(jié)合自身需要進(jìn)一步創(chuàng)新。

「圖 2」 多 OS 混合部署框架的基礎(chǔ)架構(gòu)

在上述架構(gòu)中，libmetal 提供屏蔽了不同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)提供了統(tǒng)一的抽象，virtio queue 相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的 MAC 層提供高效的底層通信機(jī)制，rpmsg 相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的傳輸層提供了基于端點(diǎn)（endpoint）與通道（channel）抽象的通信機(jī)制，remoteproc 提供生命周期管理功能包括初始化、啟動(dòng)、暫停、結(jié)束等。

在 openEuler Embedded 22.03 中，集成了 OpenAMP 相關(guān)支持，并與 openEuler 的 SIG Zephyr［2］ 合作實(shí)現(xiàn)了 openEuler Embedded 與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) Zephyr［3］ 在 QEMU 平臺(tái)上的混合部署，具體可以參考

多 OS 混合部署 Demo［4］

在此基礎(chǔ)上，openEuler Embedded 的混合部署框架還會(huì)繼續(xù)演進(jìn)，包括對(duì)接更多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如國(guó)產(chǎn)開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RT-Thread［5］，實(shí)現(xiàn)如圖 3 所示的多 OS 服務(wù)化部署并適時(shí)引入基于虛擬化技術(shù)的嵌入式彈性底座。

「圖 3」 多 OS 服務(wù)化部署架構(gòu)

在上述多 OS 服務(wù)化部署架構(gòu)中，openEuler Embedded 是中心，主要對(duì)其他 OS 提供管理、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)等通用服務(wù)，其他 OS 可以專注于其所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，并通過(guò) shell、log 和 debug 等通道與 Linux 豐富而強(qiáng)大維測(cè)體對(duì)接從而簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工作。

原文標(biāo)題：Embedded SIG | 多 OS 混合部署框架

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