在单一硬件平台上执行多个工作负载

嵌入式系统变得越来越依赖硬件——这就是一个问题。每次安装新硬件，都会带来额外成本、更多故障点、更高的维护复杂度，以及未来升级的更艰难路径。

虚拟化和虚拟机监控程序提供了一条出路。通过用虚拟机（VM）替代物理上分离的平台，多个子系统可以合并成单一硬件平台——这一技术称为工作负载整合。

这种方法解决了硬件碎片化带来的许多挑战。如今，借助预先集成工业级虚拟化与嵌入式硬件的平台，采用比以往任何时候都更容易。

工作负载整合：一台设备能兼容所有人

工作负载整合最直接的优势是节省空间和成本。硬件组件减少，系统耗电更少，维护需求更少，占用的物理空间也更少。例如，传统上部署在不同平台上的运动控制和人机界面功能，可以在单一设备上并行运行。

可靠性也有所提升。整合工作负载减少了系统总数，进而增加平均故障间隔时间（MTBF）。更少的组件——尤其是连接器和其他常见故障点——意味着停机时间更短，维护更简单。

工作负载整合还增强了系统的灵活性。一旦建立了在单一平台上运行多项任务的能力，就可以将人工智能分析或预测性维护等额外功能与现有工作负载整合。这使得OEM能够在不重新设计底层计算架构的情况下升级设备功能。

理解虚拟化

虚拟化是实现这一切的基础。虚拟化使用一种称为虚拟机监控程序的抽象层，将单一物理硬件转换为多个虚拟机（VM）。每个虚拟机是一个独立的软件环境，可以承载自己的作系统（OS）。

在嵌入式环境中，它通常用于创建一个异构系统，即一个兼容实时作系统（RTOS）和通用作系统的平台（见图1）。

1. 实时虚拟机监控器将硬件划分为具有确定性性能的虚拟机。

虚拟机监控程序通过中介对CPU、内存和输入输出等资源的访问，使这种多作系统配置成为可能。这可以通过赋予虚拟机专用资源——例如一组CPU核心——或以避免虚拟机间干扰的方式管理共享资源来实现。

虚拟机管理程序有两种类型：

• Type 1 虚拟机监控器（裸机）直接运行在硬件上。

• Type 2 虚拟机监控程序（托管）运行在主机作系统之上。

只有 Type 1 虚拟机监控程序能够实现真正的确定性，因为它们消除了主机作系统带来的开销。这使得它们成为安全关键系统中唯一可行的选择。更广泛地说，Type 1 虚拟机监控器的可靠性能对各种嵌入式系统具有优势。

虚拟化的一个关键优势是它提高了资源利用率。现代处理器通常拥有大量资源，无法被单一工作负载充分调用，比如多个进程核心和各种I/O。通过在同一平台上运行多个工作负载，这些本来浪费的资源可以被利用。

虚拟化还可以提升安全性和可靠性。由于虚拟机彼此隔离运行，安全漏洞或软件故障可能仅限于一台虚拟机，而不会危及整个系统。

实时虚拟机在工作负载整合中的作用

工作负载整合长期以来的一个担忧是，在共享平台上运行多个应用程序可能会降低实时性能。开发者通常担心通用工作负载可能会干扰确定性任务，带来延迟或抖动，从而削弱系统可靠性。

实时虚拟机监控器通过时间和空间隔离来解决这些问题。时间隔离确保实时进程按时完成，不受其他工作负载干扰。空间隔离通过为特定虚拟机分配专用的CPU核心、内存和I/O设备来强制物理隔离。这些技术共同防止资源争用并保持确定性性能。

例如，这使得RTOS的运动控制能够与运行在通用作系统上的人机界面（HMI）共存。在这里，虚拟机监控器可以对系统进行分区，使运动控制获得绝对优先权。

实时虚拟机监控器可通过利用Intel VT-x和AMD-V等硬件辅助虚拟化技术，进一步减少抖动并确保低延迟响应时间。这些技术加速上下文切换，减少虚拟化开销，并支持直接设备分配（称为“直通”）以提升I/O性能。

硬件辅助还增强了对系统资源的细致控制，例如CPU核心分配、设备直通和调度策略。因此，高性能且时间紧迫的应用程序可以在共享平台上可靠运行。

通过解决方案平台实现整合

虽然虚拟化有助于工作负载整合，但从零开始实施可能既复杂又耗时。OEM必须集成硬件、虚拟机监控程序、作系统和工业I/O，每个设备都有其独特的配置需求和潜在风险。

为了简化采用，有解决方案平台可以预先将这些组件集成到一个经过验证的系统中（见图2）。这些平台结合了硬件、虚拟机监控器和专为虚拟化工作负载设计的软件栈，确保兼容性并减少集成工作量。对于OEM来说，这使重点能够从低层系统集成转向高价值应用开发。

2. 像congatec的conga-COM/mRLP预集成硬件和虚拟机监控程序这样的平台。

此外，使用预集成的解决方案平台加快上市时间，降低性能瓶颈或集成错误的风险。通过与经验丰富的供应商合作，OEM能够获得专家支持和可扩展的设计，为未来扩展做好准备。

通过工作负载整合降低成本和复杂性

现代工作负载整合为OEM提供了一种强大的方式，通过在单一平台上运行多个应用程序，降低成本、简化系统架构并提升灵活性。实时虚拟机监控程序在实现这一目标中发挥关键作用，确保即使在复杂混合工作负载环境中也能保持性能和确定性。

要充分发挥这些优势，必须选择能够无缝协作的硬件和软件平台。预集成解决方案平台提供了经过验证的前进路径，最大限度地减少集成挑战并加快上市时间。

随着工业系统日益复杂，对新功能需求的增加，拥抱工作负载整合的OEM将更有能力提供可扩展、高效且具有竞争力的解决方案。