多核、虛擬化、多操作系統(tǒng)的軟件趨勢

　　將原本分散的多處理器系統(tǒng)整合為單一多核系統(tǒng)并不能通過簡單地將多個系統(tǒng)簡單地壓縮在一個多核系統(tǒng)中來實現(xiàn)。系統(tǒng)架構(gòu)的變化使多個系統(tǒng)之間的并行運行和通信協(xié)調(diào)方式發(fā)生了不小的變化。

　　在采用多核技術(shù)的時候，操作系統(tǒng)管理內(nèi)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(tǒng)來控制多個內(nèi)核。只要有一個內(nèi)核空閑可用，操作系統(tǒng)就在線程等待隊列中分配下一個線程給這個空閑內(nèi)核來運行。第二種是非對稱多處理(AMP)，每個內(nèi)核上都運行各自的操作系統(tǒng)。

　　因此，多核系統(tǒng)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(tǒng)和多處理器系統(tǒng)之間存在著許多重要的區(qū)別，導(dǎo)致不能把多處理器系統(tǒng)上的軟件直接移植到多核系統(tǒng)上來。

　　多處理器系統(tǒng)和多核系統(tǒng)的主要區(qū)別之一就是，在多處理器系統(tǒng)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(tǒng)中，情況就有所不同。不論采用何種架構(gòu)，在多核系統(tǒng)中，被共享的東西非常多，例如中斷控制器、外設(shè)以及Cache(高速緩存)等。

　　多操作系統(tǒng)下的Supervisor或Hypervisor

　　當你希望運行SMP(同構(gòu)核)環(huán)境時，多核系統(tǒng)的這種特征通常表現(xiàn)為一種優(yōu)勢，因為所有的內(nèi)核都由同一個操作系統(tǒng)來管理。但是，當你要在多核系統(tǒng)中同時運行兩種以上的操作系統(tǒng)時，例如同時運行一套RTOS(嵌入式實時操作系統(tǒng))和一套通用操作系統(tǒng)，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(tǒng)之間進行頻繁的溝通，例如在它們之間建立主、從關(guān)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(xié)調(diào)多個操作系統(tǒng)。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(gòu)。

　　Hypervisor 之所以能夠有效地管理運行在其上的多個操作系統(tǒng)，得益于分區(qū)和虛擬化的方法。總的來說，系統(tǒng)中有三類資源可以被虛擬化：執(zhí)行單元(CPU)、內(nèi)存和設(shè)備。執(zhí)行單元虛擬化是基于時間片來進行。內(nèi)存虛擬化是把物理內(nèi)存劃分成許多區(qū)域。設(shè)備虛擬化則是通過給設(shè)備定義接口和API調(diào)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(wù)器中早已得到廣泛而且成功的應(yīng)用。不過，嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常用到的Hypervisor主要是對內(nèi)存和設(shè)備進行虛擬化，以便在操作系統(tǒng)之間的資源共享得到完全的保證，而不是對執(zhí)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(wù)器中用到的Hypervisor主要運行在完整的操作系統(tǒng)之上并且使用宿主操作系統(tǒng)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(tǒng)不經(jīng)修改即可運行在宿主操作系統(tǒng)之上)是服務(wù)器Hypervisor中非常重要的需求。為了滿足嵌入式系統(tǒng)的特殊需求，這類Hypervisor應(yīng)當采用以下特殊設(shè)計：

　　•設(shè)備盡可能直接映射給從屬操作系統(tǒng)，以便獲得最高的性能，以及實現(xiàn)最佳的隔離性。

　　•應(yīng)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。