基于 Xen 管理程序实现虚拟化的具体分析和优点

摘要：虚拟化对桌面系统已是司空见惯，但对嵌入式系统设计人员来说，却一直是一个棘手的问题，因为嵌入式系统设计人员需要优化 SoC 系统的利用率和性能。

传统上，虚拟化难以用于嵌入式领域，是因为缺乏既可简化解决方案实现工作，又能提供满意性能的合适硬件资源。因此，需要在同一处理器上运行异构软件协议栈的系统不得不依赖于人工管理各种软件协议栈，或不得不接受未加速虚拟化所带来的更大时延和性能特性下降等缺陷。

位于每个 Zynq UltraScale+ MPSoC 核心的 ARM®v8 架构能确保真正的硬件加速虚拟化，克服这些实现障碍。此外，Xen 管理程序提供的易用性为在嵌入式系统中实现桌面级性能和生产力奠定了基础。运行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 上的 Xen 管理程序为系统设计人员提供完整的解决方案，能充分释放嵌入式系统设计的全部潜力。

简介

虚拟化通过让多个软件协议栈同时运行在同一处理器上，已经征服了桌面系统，现在将进军嵌入式系统。VMWare 和 VirtualBox 这样的常用套件已经让虚拟化成为桌面用户司空见惯的做法。这类软件被视为台式电脑生产力增强器，不过赛灵思 Zynq UltraScale+ MPSoC 等嵌入式片上系统(SoC) 也可运用同一原理充分发挥最大潜能。

虚拟化的作用随系统发生变化。对某些设计人员来说，虚拟化能够让处理器始终保持满负载状态，从而节省电力，最大化性能。对其他系统，虚拟化可对各个软件协议栈进行分区，实现隔离或冗余。

传统上，虚拟化难以用于嵌入式领域，是因为缺乏既可简化解决方案实现工作，又能提供满意性能的合适硬件资源。因此，需要在同一处理器上运行异构软件协议栈的系统不得不依赖于人工管理各种软件协议栈，或不得不接受未加速虚拟化所带来的更大时延和性能特性下降等缺陷。

位于每个 Zynq UltraScale+ MPSoC 核心的 ARM®v8 架构能确保真正的硬件加速虚拟化，克服这些实现障碍。此外，Xen 管理程序提供的易用性为在嵌入式系统中实现桌面级性能和生产力奠定了基础。运行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 上的 Xen 管理程序为系统设计人员提供完整的解决方案，能充分释放嵌入式系统设计的全部潜力。

为什么要虚拟化嵌入式系统？

是否需要虚拟化一般由下列三大系统设计特征之一决定的：

• 处理器必须能根据性能规范要求尽量保持满载。
• 应安全、可扩展性和/ 或可靠性的要求需要进行软件隔离或分区。
• 为满足可靠性要求，需要进行缩放或提供冗余。

硬件加速的虚拟化位于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的 ARMv8 架构的核心位置。这种协同架构不仅能满足上述每一项要求，实际上它还能简化实现工作。之所以能这样，是因为它为每个客户软件协议栈提供一个隔离的沙盒。没有这样的硬件加速，这些系统会变得复杂得多，给实现和管理带来切实的问题。

经优化的系统加载

对系统加载进行精心管理是嵌入式系统的共通难题，在没有管理程序辅助时还会造成一系列严峻的运行问题。Linux 等传统操作系统非常擅长于处理对称多处理 (SMP) 任务，此时所有处理器核都处在它的控制之下。但是如果不是每一个处理器都有任务会怎么样？ Linux 会让没有使用的处理器处于待机状态。

Linux 的多个实例可按原样虚拟化（即对 Linux 不做修改），每个实例都运行自己的一组任务。可以根据需要将 Linux 的新实例投入使用。相反如果需求较低，这些 Linux 实例可以关闭。因此处理器可以根据需要激活或待机，但系统总体上能保持近乎持续的繁忙。另外，管理多个不同的软件协议栈也可采用类似的方法。这样无需要求所有的虚拟操作系统相同，从而提高最终系统的灵活性和模块化水平。

经优化的软件隔离与分区

软件隔离和分区是另一个能给非托管环境带来严峻挑战的常见用例。这个问题与系统加载问题类似，但是包含一项额外的要求，即每个软件协议栈不能与任何同时运行的软件协议栈发生干扰。这种情况的最简单的例子是两个并行运行的实时操作系统。满足这些需求的传统方法会增大软件的复杂性，以确保每个 RTOS 只与分配给自己的有限资源交互。相比之下，虚拟化系统采用的沙盒模式能让每个 RTOS 完全控制其沙盒中可用的资源。它把这个沙盒视为完整系统，在使用时无需了解是否有其他软件可能在系统上运行。这种沙盒模式能极大地减少绑定到特定硬件平台的资源，提高代码的可移植性。此外，该 RTOS无需感知系统中的任何其他软件，让它能大幅得到简化。这种脱离依赖性的方法，对开发人员来说是一个巨大的福音，因为他们只需编写一次代码，就能将它部署到众多的不同系统上。

经优化的缩放与冗余