嵌入式系統(tǒng)變得越來越依賴硬件——這就是一個(gè)問題。每次安裝新硬件，都會帶來額外成本、更多故障點(diǎn)、更高的維護(hù)復(fù)雜度，以及未來升級的更艱難路徑。

虛擬化和虛擬機(jī)監(jiān)控程序提供了一條出路。通過用虛擬機(jī)（VM）替代物理上分離的平臺，多個(gè)子系統(tǒng)可以合并成單一硬件平臺——這一技術(shù)稱為工作負(fù)載整合。

這種方法解決了硬件碎片化帶來的許多挑戰(zhàn)。如今，借助預(yù)先集成工業(yè)級虛擬化與嵌入式硬件的平臺，采用比以往任何時(shí)候都更容易。

工作負(fù)載整合：一臺設(shè)備能兼容所有人

工作負(fù)載整合最直接的優(yōu)勢是節(jié)省空間和成本。硬件組件減少，系統(tǒng)耗電更少，維護(hù)需求更少，占用的物理空間也更少。例如，傳統(tǒng)上部署在不同平臺上的運(yùn)動控制和人機(jī)界面功能，可以在單一設(shè)備上并行運(yùn)行。

可靠性也有所提升。整合工作負(fù)載減少了系統(tǒng)總數(shù)，進(jìn)而增加平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。更少的組件——尤其是連接器和其他常見故障點(diǎn)——意味著停機(jī)時(shí)間更短，維護(hù)更簡單。

工作負(fù)載整合還增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。一旦建立了在單一平臺上運(yùn)行多項(xiàng)任務(wù)的能力，就可以將人工智能分析或預(yù)測性維護(hù)等額外功能與現(xiàn)有工作負(fù)載整合。這使得OEM能夠在不重新設(shè)計(jì)底層計(jì)算架構(gòu)的情況下升級設(shè)備功能。

理解虛擬化

虛擬化是實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)。虛擬化使用一種稱為虛擬機(jī)監(jiān)控程序的抽象層，將單一物理硬件轉(zhuǎn)換為多個(gè)虛擬機(jī)（VM）。每個(gè)虛擬機(jī)是一個(gè)獨(dú)立的軟件環(huán)境，可以承載自己的作系統(tǒng)（OS）。

在嵌入式環(huán)境中，它通常用于創(chuàng)建一個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)，即一個(gè)兼容實(shí)時(shí)作系統(tǒng)（RTOS）和通用作系統(tǒng)的平臺（見圖1）。

1. 實(shí)時(shí)虛擬機(jī)監(jiān)控器將硬件劃分為具有確定性性能的虛擬機(jī)。

虛擬機(jī)監(jiān)控程序通過中介對CPU、內(nèi)存和輸入輸出等資源的訪問，使這種多作系統(tǒng)配置成為可能。這可以通過賦予虛擬機(jī)專用資源——例如一組CPU核心——或以避免虛擬機(jī)間干擾的方式管理共享資源來實(shí)現(xiàn)。

虛擬機(jī)管理程序有兩種類型：

• Type 1 虛擬機(jī)監(jiān)控器（裸機(jī)）直接運(yùn)行在硬件上。

• Type 2 虛擬機(jī)監(jiān)控程序（托管）運(yùn)行在主機(jī)作系統(tǒng)之上。

只有 Type 1 虛擬機(jī)監(jiān)控程序能夠?qū)崿F(xiàn)真正的確定性，因?yàn)樗鼈兿酥鳈C(jī)作系統(tǒng)帶來的開銷。這使得它們成為安全關(guān)鍵系統(tǒng)中唯一可行的選擇。更廣泛地說，Type 1 虛擬機(jī)監(jiān)控器的可靠性能對各種嵌入式系統(tǒng)具有優(yōu)勢。

虛擬化的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是它提高了資源利用率。現(xiàn)代處理器通常擁有大量資源，無法被單一工作負(fù)載充分調(diào)用，比如多個(gè)進(jìn)程核心和各種I/O。通過在同一平臺上運(yùn)行多個(gè)工作負(fù)載，這些本來浪費(fèi)的資源可以被利用。

虛擬化還可以提升安全性和可靠性。由于虛擬機(jī)彼此隔離運(yùn)行，安全漏洞或軟件故障可能僅限于一臺虛擬機(jī)，而不會危及整個(gè)系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)虛擬機(jī)在工作負(fù)載整合中的作用

工作負(fù)載整合長期以來的一個(gè)擔(dān)憂是，在共享平臺上運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序可能會降低實(shí)時(shí)性能。開發(fā)者通常擔(dān)心通用工作負(fù)載可能會干擾確定性任務(wù)，帶來延遲或抖動，從而削弱系統(tǒng)可靠性。

實(shí)時(shí)虛擬機(jī)監(jiān)控器通過時(shí)間和空間隔離來解決這些問題。時(shí)間隔離確保實(shí)時(shí)進(jìn)程按時(shí)完成，不受其他工作負(fù)載干擾。空間隔離通過為特定虛擬機(jī)分配專用的CPU核心、內(nèi)存和I/O設(shè)備來強(qiáng)制物理隔離。這些技術(shù)共同防止資源爭用并保持確定性性能。

例如，這使得RTOS的運(yùn)動控制能夠與運(yùn)行在通用作系統(tǒng)上的人機(jī)界面（HMI）共存。在這里，虛擬機(jī)監(jiān)控器可以對系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，使運(yùn)動控制獲得絕對優(yōu)先權(quán)。

實(shí)時(shí)虛擬機(jī)監(jiān)控器可通過利用Intel VT-x和AMD-V等硬件輔助虛擬化技術(shù)，進(jìn)一步減少抖動并確保低延遲響應(yīng)時(shí)間。這些技術(shù)加速上下文切換，減少虛擬化開銷，并支持直接設(shè)備分配（稱為“直通”）以提升I/O性能。

硬件輔助還增強(qiáng)了對系統(tǒng)資源的細(xì)致控制，例如CPU核心分配、設(shè)備直通和調(diào)度策略。因此，高性能且時(shí)間緊迫的應(yīng)用程序可以在共享平臺上可靠運(yùn)行。

通過解決方案平臺實(shí)現(xiàn)整合

雖然虛擬化有助于工作負(fù)載整合，但從零開始實(shí)施可能既復(fù)雜又耗時(shí)。OEM必須集成硬件、虛擬機(jī)監(jiān)控程序、作系統(tǒng)和工業(yè)I/O，每個(gè)設(shè)備都有其獨(dú)特的配置需求和潛在風(fēng)險(xiǎn)。

為了簡化采用，有解決方案平臺可以預(yù)先將這些組件集成到一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的系統(tǒng)中（見圖2）。這些平臺結(jié)合了硬件、虛擬機(jī)監(jiān)控器和專為虛擬化工作負(fù)載設(shè)計(jì)的軟件棧，確保兼容性并減少集成工作量。對于OEM來說，這使重點(diǎn)能夠從低層系統(tǒng)集成轉(zhuǎn)向高價(jià)值應(yīng)用開發(fā)。

2. 像congatec的conga-COM/mRLP預(yù)集成硬件和虛擬機(jī)監(jiān)控程序這樣的平臺。

此外，使用預(yù)集成的解決方案平臺加快上市時(shí)間，降低性能瓶頸或集成錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。通過與經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商合作，OEM能夠獲得專家支持和可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，為未來擴(kuò)展做好準(zhǔn)備。

通過工作負(fù)載整合降低成本和復(fù)雜性

現(xiàn)代工作負(fù)載整合為OEM提供了一種強(qiáng)大的方式，通過在單一平臺上運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序，降低成本、簡化系統(tǒng)架構(gòu)并提升靈活性。實(shí)時(shí)虛擬機(jī)監(jiān)控程序在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保即使在復(fù)雜混合工作負(fù)載環(huán)境中也能保持性能和確定性。

要充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，必須選擇能夠無縫協(xié)作的硬件和軟件平臺。預(yù)集成解決方案平臺提供了經(jīng)過驗(yàn)證的前進(jìn)路徑，最大限度地減少集成挑戰(zhàn)并加快上市時(shí)間。

隨著工業(yè)系統(tǒng)日益復(fù)雜，對新功能需求的增加，擁抱工作負(fù)載整合的OEM將更有能力提供可擴(kuò)展、高效且具有競爭力的解決方案。