多核虛擬化多操作系統的軟件趨勢

迎 九

摘要：本文介紹了時下關于多核的最新話題，包括多核和虛擬化之間的關系，以解多處理器和多核的不同之處，乃至當今多操作系統下的supervisor和HyPcrvisor之間的關系，最后簡要介紹了風河公司在多核和多操作系統方面的技術戰略。

關鍵詞：多核；虛擬化；多操作系統；supervisor；Hypervisor

多核和虛擬化的關系充滿詭辯

多核和虛擬化如何幫助客戶快速、低成本地進行開發?據風河公司CTO(首席技術官)Tomas Evensen介紹，其實這是充滿詭辯的問題，如果你要想用多核來提高效率，可能就需要多功能處理，因此復雜性提高，需要承擔更多的風險，所以這是機遇與風險并存的狀況。過去人們只是通過多任務處理或者并行處理，然而在開放資源系統中，可能就會遇到像風河VxWorks、Moblinf注：Intel力推的開源組織等體系，更加復雜，這時可以采用虛擬化和中間軟件等。當然，這樣運行時對于客戶可能更加高效，但也更加復雜化。

在未來三到五年中，多核虛擬化在嵌入式方面的應用主要還是面向計算量比較高的多核客戶。是否采用多核虛擬化關乎整合還是分開的問題，如果你不想用單核，你當然可以不用，但多核也更加復雜，即便說用兩核也可能會涉及到整合問題。所以你可以選用單CPU JHypervisor(如圖1，是由少量代碼組成特種OS，是在現有操作系統之下稱為hypervisor的一層，這層實現對多操作系統和虛擬化的支持。例如對于風河來說，這層可以是Vxworks或風河Linux)或多核的Supervisor(在多核和多操作系統中間有虛擬化的一層配置Supervisor，它比Hypervisor的功能低一些，因為它不需要虛擬CPU)，也可以兩者兼用，用的時候你可以把它們整合在一起，也可以把兩者分開。

從多處理器到多核

為了更清楚地理解多操作系統、多核與虛擬化趨勢，需回到多處理器系統和多核的關系上。多處理器離多核的應用只有一步之遙。不過，多核與多處理器也有不少區別，其中有一些挑戰你必須面對。首先，多處理器系統中的軟件并不能直接拿到多核系統中運行。

將原本分散的多處理器系統整合為單一多核系統并不能通過簡單地將多個系統簡單地壓縮在一個多核系統中來實現。系統架構的變化使多個系統之間的并行運行和通信協調方式發生了不小的變化。

在采用多核技術的時候，操作系統管理內核的基本方式有兩種：第一種是對稱多處理(SMP)，這是由一個操作系統來控制多個內核。只要有一個內核空閑可用，操作系統就在線程等待隊列中分配下一個線程給這個空閑內核來運行。第二種是非對稱多處理(AMP)，每個內核上都運行各自的操作系統。

因此，多核系統并不是直接把多個芯片的多處理器濃縮到單一芯片之中這么簡單。實際上，多核系統和多處理器系統之間存在著許多重要的區別，導致不能把多處理器系統上的軟件直接移植到多核系統上來。

多處理器系統和多核系統的主要區別之一就是，在多處理器系統中，CPU之間的界線是比較清晰的。在典型的多處理器情況下，多個CPU通過總線連接起來，即便是共享外部存儲器，這些CPu基本上都是獨立運行的。在多核系統中，情況就有所不同。不論采用何種架構，在多核系統中，被共享的東西非常多，例如中斷控制器、外設以及Cache(高速緩存)等。

多操作系統下的SuperviSor或Hypervisor

當你希望運行SMP(同構核)環境時，多核系統的這種特征通常表現為一種優勢，因為所有的內核都由同一個操作系統來管理。但是，當你要在多核系統中同時運行兩種以上的操作系統時，例如同時運行一套RTOS(嵌入式實時操作系統)和一套通用操作系統，就會遇到較多的困難。在這種情況下，會有兩種選擇：第一，在兩個操作系統之間進行頻繁的溝通，例如在它們之間建立主、從關系：第二，更簡便的方法是采用Supervisor或者Hypervisor，這是一些少量的代碼，負責管理協調多個操作系統。顯然，第二種方式是更徹底、靈活、具有擴展性的多核軟件架構。

Hypervisor之所以能夠有效地管理運行在其上的多個操作系統，得益于分區和虛擬化的方法。總的來說，系統中有三類資源可以被虛擬化：執行單元(CPU)、內存和設備。執行單元虛擬化是基于時間片來進行。內存虛擬化是把物理內存劃分成許多區域。設備虛擬化則是通過給設備定義接口和API調用來提高使用靈活性和利用率。

Hypervisor并不是一個全新的概念，在服務器中早已得到廣泛而且成功的應用。不過，嵌入式系統中經常用到的Hypervisor主要是對內存和設備進行虛擬化，以便在操作系統之間的資源共享得到完全的保證，而不是對執行單元進行虛擬化。這種專用的Hypervisor比較小，而且直接運行在硬件上，不像服務器中用到的Hypervisor主要運行在完整的操作系統之上并且使用宿主操作系統的資源。

在嵌入式Hypervisor中，性能和獨立性是兩大最重要的需求，而后向兼容性(可以讓從屬操作系統不經修改即可運行在宿主操作系統之上)是服務器Hypervisor中非常重要的需求。為了滿足嵌入式系統的特殊需求，這類Hypervisor應當采用以下特殊設計：

·設備盡可能直接映射給從屬操作系統，以便獲得最高的性能，以及實現最佳的隔離性。

·應當具有更強的可伸縮性，可以自主選擇對哪些部分進行虛擬化，也可以自主選擇虛擬化的目的是提高性能還是提高隔離性。

因此，嵌入式Hypervisore的實現會依照硬件支持的程度存在非常大的差異。即便是在沒有任何硬件支持的情況下，Hypervisor也可以運行得非常快，關鍵是要做到適當水平的準虛擬化(Paravirtualization)。

多核與多操作系統的組合配置

綜上所述，多核與多操作系統的組合配置非常多樣，這就會給軟件工程方法帶來很多變化和挑戰。不過，我們還是可以總結歸納出幾種最典型、最常見的情形，并針對這些情形找到最適當的解決方案。

與多處理器系統的軟件開發一樣，你首先會面臨的挑戰是對軟件代碼進行分隔以便可以并行運行。除此之外，在多核系統中，還會遇到另外一些挑戰，例如：1)獲得適當的操作系統配置、資源共享和系統引導的Run-time支持；2)處理好內核以及資源分區之間的通信；3)擁有能夠支持多核產品配置、原型化、分析、診斷和測試的開發工具。對于上述每個方面的問題與挑戰，用戶都必須得到適當的答案，才能在市場允許的時間范

圍內開發出像樣的產品。

值得注意的是，雖然開放源碼社區也有多核開發工具，但是多核軟件開放所遇到的挑戰顯然更為復雜，僅僅靠自己去探索未必有效。更重要的是，當你在高度競爭的商業環境中從事設備軟件開發，必然會在時間、成本和產品可靠性等諸多方面受到更嚴苛的要求。因此，用戶不僅需要擁有高效率的工具，而且需要有專業人員在最短的時間內指導和幫助你解決問題，這些相關的技術支持與服務都是商業化開發工具的組成部分。可見，不僅包括軟件開發工具，而且包括配套的技術支持與服務，這樣的商業化解決方案才是整體效率最高、整體成本最低的方法。

嵌入式軟件的制高點：平臺

嵌入式軟件的制高點是在操作系統之上的平臺，并非操作系統本身。過去的用戶可能會先選硬件，再選操作系統，選桌面軟件，最后選工具，對平臺軟件考慮得還不太多。但是隨著用戶對平臺的進一步認識，以及平臺的進一步發展、用戶在做決定的時候可能會考慮平臺方面來做出最終的決定。

風河的發展方向是平臺化，并滿足不同的芯片制造商。風河方案可支持市場上所有的主流芯片架構和多樣化的操作系統平臺，已經預先置入了虛擬化機制，并且針對SMP、AMP和supervised AMp等多種多核配置的硬件平臺和應用領域做了優化。客戶可以在三個層次上自由地選擇：(1)自由選擇操作系統；(2)自由選擇sMp、AMP、supervlsed AMP和虛擬化等多核配置；(3)在基于風河Workbench開發環境中選擇自己需要的配置。相應地，風河Hypervtsor可以針對航空航天國防、汽車、消費電子、工業控制和網絡通信等多種應用領域實現設備的虛擬化。風河下一步的重點是工業領域和醫療領域應用。

在操作系統層面，風河Linux正蓬勃發展，但風河Linux不會完全取代vxworks，一些傳統的應用例如國防、航空航天和一些工業領域，VxWorks的銷售額還在穩步上升。

TI 6核DSP陣列C6472

DSP群列的意義

芯片的運行頻率越來越接近硬件的物理極限。多核技術最初的初衷是可以實現信息處理負載的分散均衡，為完成設備性能的提高找到新的出路，實際上，多核技術的意義遠不止此，一方面，即便是對性能要求不高的應用。如果將原本由多個處理器系統承擔的負栽整合為單一多核系統，也可以降低設備成本和功耗，使電子產品獲得更高的性價比。

以DSP為倒，DSP陣列的方式也有多種，一種是在高效DSP的基礎上增加高速接口，變成一個分列的DSP陣列(編者按：多處理器架構)，但這又碰到另外一個瓶頸一系統的功耗和尺寸有限。因此TI就誕生了多核DSP(編者按：多核架構)概念，目的之一是要實現最佳的電源效率。

多核技術在客戶應用中有哪些方向呢?比如通訊基站，需要能夠有更多的通道和容量；在工業應用中，他們需要有更強大的擴展的功能；醫療方面，性能還需要進一步地提高。

C6472

TI于2009年11月推出了新平臺一TMS320C6472。一年前TI曾推出了三核TMS320C6474，每個核是1GHz的DSP；此次的C6472并不是c6474的一個縮減版，特色在于芯片內部有6個C64+核。在功耗方面。TI達到了一個新的極限一即每個MIPS的功耗為0.15mw(每核主頻500MHz的產品)，同時實現3GHz的性能。具體來說，c6472每核的主頻最低是500MHz，最高700MHz，中間有625MHz。

該多核500MHz解決方案比6顆500MHzC6415 DSP的功耗降低4()％，DSP成本降低2/3。板極的空間可節省80％。

C6472內部有6個DSP的核。每個C64x+核配備L1數據和L1程序高速緩存(圖1)，這樣每個核就可以并行運算。除此之外，還有一一對應的L2存儲器。為了使它們協調工作，特別在C6472的架構中加了一個共享的L2存儲器。另外對DsP和處理器來說，外設之間的交換數據也是很重要的，EDMA3.0是TI特別的一個數據交換的方式。

再有就是配備了一些接口。諸如HPI(主機接口)，如果有復雜的控制就要由高性能的cPu來管理這顆DSp。還有Utopia II光口、TSIP電信串口、存儲器用DDK-2接口等，尤其sK／O(串行Rapid(o)是一個高速的、可以做級聯的接口。通過sRlo可以把多個DSP集合成DsP陣列，如果有更高的這種需求時，可以把多片C6472集聯在一起，由此可以想象這是多高的運算速度。