嵌入式虚拟化：从概念到实现——案例研究

Ono Sokki，一家汽车测试和测量应用供应商，采用了虚拟化技术，将其其中一套系统从六台工业PC简化为单一硬件平台。同时，他们对产品进行了现代化改造，简化了部署。

工作负载整合技术的优势场景

依托工作负载整合技术简化系统架构

日本汽车和工业测试系统制造商小野索基的经验展示了这些特点。公司提供多种复杂多功能系统，如其灵活自动测量系统（FAMS），以高速数据采集、先进的实时处理和低延迟网络技术著称（见图1）。

1. Ono Sokki在其灵活自动测量系统（FAMS）中利用工作负载整合实现高速数据采集和实时处理。

早期系统如FAMS-R5需要多台工业电脑进行不同测试功能，导致成本高昂、布线复杂且灵活性有限。随着数据量的增长，对可扩展的软件定义解决方案的需求变得明显。

通过FAMS-R6，小野索基引入了基于COM Express Type 7模块和Intel Xeon D处理器的虚拟化架构。利用虚拟机监控程序技术，它在同一平台上运行RTOS和通用作系统，确保每个工作负载都能获得所需的计算、内存和I/O带宽，且不受干扰。

这种整合将多达六台工业电脑替换为一个紧凑型系统，降低硬件成本，简化安装，消除冗余布线。高速10 GbE接口支持实时数据采集，分布式存储则确保快速、低延迟的数据交换。

虚拟机监控程序如何降低系统复杂性

正如本系列第一部分所解释的，通过使用Type-1虚拟机监控器（裸机），可以将物理资源（如CPU、内存或系统输入/作系统）拆分，并分布到多个虚拟机之间，同时提供对共享资源（如网络或存储）的访问。通过将核心和物理内存以及对特定I/O的访问进行分区，虚拟机监控器可以创建多个完整的系统，提供原生性能且彼此不会相互干扰（见图2）。

2. Congatec 的虚拟机管理程序将系统的物理资源拆分，并分配到多个虚拟机中。

为了确保各种工作负载不争夺资源，FAMS-R6 系统中使用的集成虚拟机监控程序会逻辑上将系统的各个组件专门分配给各个虚拟机，采用不同的方法：

• 芯钉固定：可以为虚拟机保留特定的CPU核心，将其与其他核心隔离，以确保不会出现无谓的延迟尖峰。

• 内存分区：每个虚拟机会被分配一个固定且连续的物理内存块，以确保一个虚拟机分区的内存使用不会妨碍或耗尽其他分区。

• 输入输出分区：I/O设备，通常是PCIe外设，可以配置为绑定到特定虚拟机，从而赋予虚拟机对硬件的直接低层访问。

如果FAMS-R6系统中的虚拟机不需要极其精确且快速的实时控制，那么它不必直接且独占地连接到硬件。在这种情况下，虚拟机监控程序可以提供一个虚拟设备。

例如，单个物理网络接口卡（NIC）不需要物理专用于每个虚拟机。相反，多个虚拟机可以共享同一个物理网卡。由于没有单个虚拟机单独占用全部带宽，共享资源更经济且更高效。

对于USB设备，虚拟机监控程序可以精确控制哪个虚拟机被允许访问哪台设备。它通过他们的 USB ID，比如特定的传感器或闪存驱动器来识别它们，并相应地分配它们。此外，虚拟机监控程序还可以创建共享内存区域，多个虚拟机可以同时访问。当FAMS-R6内的不同作系统需要处理相同的传感器数据，而不必不断复制时，这非常有用。

集成解决方案平台的作用

如前所述，集成解决方案平台在简化从遗留架构向虚拟化、整合系统的过渡中发挥着关键作用。在FAMS-R6系统中，小野索基实现了COM Express Type 7模块，搭载Intel Xeon D处理器（见图3）。

3. 小野索基系统中使用的conga-B7XD服务器模块，具备高计算能力和高I/O带宽，可实时连接多个传感器。

该系统同时运行 VxWorks 实时操作系统与 Windows 通用操作系统，虚拟机之间的完全隔离设计，不仅消除了性能干扰问题，还规避了 “资源抢占” 这类常见故障。

这类集成式平台基于兼容性与互操作性设计，能够帮助用户以更低风险、更高效率完成既有应用的迁移工作。经过验证的软件栈会经过系统化测试、归档与更新，通过主动修复已知漏洞，降低系统的安全合规风险。

同样重要的是，服务器级模块平台的模块化特性，为 Ono Sokki 提供了清晰明确的技术升级路径。依托可扩展的硬件底座与功能隔离的虚拟机架构，系统可轻松完成功能更新与扩展，满足未来的业务需求。

结论

工作负载整合技术已经从理论走向实践，成为解决当下嵌入式系统设计痛点的实用方案。正如本案例所呈现的，现代化的软硬件集成方案，正在帮助原始设备制造商借助虚拟化技术，减少硬件投入、简化系统架构，并在单一平台上支撑日益复杂的工作负载。

对于那些面临性能、安全性与互联性多重挑战的原始设备制造商而言，工作负载整合技术已不再是遥远的未来目标，而是一项具备落地条件的实用设计策略。