使用虚拟化最大化多核SoC性能

无论软件开发人员喜不喜欢，也不管他们是否为此做好准备，几乎每个称职的半导体制造商都在生产多核片上系统 （SoC）。这些 SoC 通常将两个或更多 CPU 内核与额外的特定应用硬件加速器配对，以提供完整的系统。例如，Cavium Networks、NetLogic Microsystems 和 Freescale Semiconductor 生产用于网络处理的 SoC，而德州仪器和 Broadcom 则生产用于数字媒体设备的 SoC。

对于软件人员来说，这提出了一个有趣的挑战，即使应用程序能够从这些多核 SoC 环境中获得所有可用的处理能力。开发人员如何确保他们的应用程序与可用内核线性扩展，并充分利用媒体加速器和数据包引擎等其他 SoC 硬件组件？需要明确的是，对于许多应用程序来说，可扩展性问题仍然是一个真正的科学项目。然而，有一些系统要构建和产品要发布，所以开发人员不能等待理论上完美的解决方案。

在过去的一年中，MontaVista Software 研究了广泛的应用程序中的大量客户用例，包括网络处理、数字电视、车载信息娱乐、超低功耗服务器 Web 托管等。目标是了解基于 Linux 的软件解决方案如何在广泛的应用需求中充分利用底层 SoC 硬件。该研究确定了任何解决方案都必须满足的以下高级要求。

多核支持

现代嵌入式系统的需求正在加速采用多核 SoC。同时运行多个系统的要求进一步强调了这些要求；因此，该解决方案必须提供一种使用和管理多核环境的有效方式。

安全

根据定义，下载到设备的任何内容都是不安全的。该解决方案必须有效隔离从核心设备功能下载的任何内容，并且不得允许下载的应用程序污染其他应用程序。

资源拥塞

必须防止下载的应用程序占用系统资源。目标是有效地共享内存、CPU 时间和 I/O 等资源。这种共享必须允许更重要的系统功能优先于不太重要的下载应用程序。

国外系统集成

许多环境运行在 Linux 内核之上。但是，这些环境可能需要不同的用户空间库以及不同的内核补丁。例如，Android 系统有自己的设备驱动程序和内核补丁。理想情况下，系统可以运行在 Linux 内核上运行的任何用户空间。与这些环境相关的内核补丁和用户空间必须与安全性和资源共享相结合。

这种分析促成了基于 Linux 的架构的开发，该架构最大限度地发挥了当今强大的多核 SoC 的底层功能。

架构概述

要了解该软件的整体架构，有必要了解一些现代操作系统 （OS） 环境，尤其是虚拟化技术。但小心点; 围绕虚拟化有很多炒作（或者，正如我们喜欢说的，围绕虚拟机管理程序有很多炒作）。

虚拟化是一种将计算机资源划分为多个执行环境的方法。目前使用的虚拟化主要分为三大类，它们之间的主要区别在于发生虚拟化的层：

全虚拟化和半虚拟化：这些类型的虚拟化用于托管多个相互隔离的客户操作系统。虽然功能强大，但由于管理程序和多个操作系统的开销，性能（没有大量优化）非常低。示例包括 QEMU、基于内核的虚拟机 （KVM）、Zen 和 VMware。

操作系统资源虚拟化：这种类型的虚拟化用于隔离和扩展使用单个操作系统的应用程序。这里的优势是单一操作系统和较低的开销，在大多数情况下通常不到 1%。因为开销很小，所以扩展和/或优化性能的能力是一个巨大的好处。示例包括 Linux 容器和 BDS Jails。

硬件分段（非对称多处理或 AMP）：这种高性能配置将硬件专用于在用户模式下运行的特定应用程序，以获得最佳性能。这可以通过使用简单的运行时执行程序或利用操作系统资源虚拟化和处理器内核关联功能将内核和 I/O 专用于进程而几乎没有开销来实现。

这些类型的虚拟化提供不同的性能特征，需要不同的设置和维护开销，将独特级别的复杂性引入运行时环境，并解决不同的问题。

虽然业界目前专注于推动完全虚拟化的管理程序作为多核优化的万能解决方案，但现实情况是嵌入式开发人员需要一系列可针对特定应用程序需求量身定制的选项。开发人员将需要一种或多种这些虚拟化技术的某种组合，以提供符合硬件限制并满足设计性能特征的产品。简而言之，诀窍是将应用程序与正确的操作系统服务相匹配，以满足整体系统要求，包括性能、可靠性和安全性。

MontaVista 提供三种基于非专有、开源 Linux 技术的虚拟化方法，并支持多处理器架构。因为它是单个运行时，所以有一个编译器和一组工具可用于任何用例或用例组合。图 1 显示了这种方法的总体情况。这三种方法是：

KVM Hypervisor（完全虚拟化）

Linux 容器（操作系统资源虚拟化）

MontaVista Bare Metal Engine（操作系统资源虚拟化和 SoC 硬件分割）

图 1：一个编译器和一组工具可用于任何用例或使用 MontaVista 的三种虚拟化方法的组合。

微服务器用例

微服务器背后的想法是利用更小、更节能的处理器来降低一类以 Web 为中心的 IT 应用程序的物理和能源消耗足迹。对于某些工作负载，几个低功耗处理器可能比更少、更强大的处理器更高效。Cavium Octeon 处理器和其他半导体供应商的处理器非常适合在内核本身的功率效率的基础上满足微服务器概念的密度和功率效率要求。这些 SoC 还包括专用硬件来处理基于 Web 的应用程序所需的前端安全和加密/解密处理。

从软件的角度来看，MontaVista Linux Containers 和 Bare Metal Engine 技术有助于完成这幅画。容器用于提供操作系统级别的虚拟化，允许对工作负载要求进行非常有效的虚拟化。例如，容器可用于托管数千个独立网站，每个网站彼此安全隔离。容器允许精确控制分配给每个容器的运行时资源，因此每个网站都可以限制在客户购买的性能水平上。或者，更重要的是，可以使用相同的机制阻止流氓网站过度消耗资源，从而阻止拒绝服务类型的攻击。

Bare Metal Engine 为每个托管网站所需的安全和加密/解密操作提供运行时环境。例如，一个 32 核的 SoC 可以利用大部分核心进行应用程序处理，而少数专用于数据包处理，所有这些都由一个 Linux 实例控制。

Linux 提供了一个简单的解决方案

人们普遍认为，必须利用 Linux 与实时操作系统 （RTOS） 或简单的运行时环境的组合来充分实现多核处理器的高性能。助长这种误解的想法是，Linux 本身无法满足要求，因为它太大、太慢且不是实时的。这种谬误还推动了管理程序和/或虚拟化必须调解和隔离不同的运行时环境并促进它们之间的相互通信的要求。通常是 RTOS 供应商自己使这种错误信念永久化。

最后，这些对 Linux 驱动器的误解增加了开发过程的复杂性和成本。由于多个运行时和开发环境（Linux、RTOS 和可能的管理程序各一个），复杂性增加。由于专有 RTOS 和虚拟机管理程序的特许权使用费，成本增加，更不用说开发复杂性本身带来的额外成本，需要更多的开发人员在更长的时间内。

在任何地方都使用 Linux 并在可能无法满足某些要求的地方对其进行修复的方法会产生单一的操作系统环境、单一的工具链以及适用于应用程序所有方面的通用开发和调试工具。正如爱因斯坦所说，“让一切尽可能简单，但不要简单。”

作者：Jim Ready，Patrick MacCartee

审核编辑：郭婷