工控獨(dú)家 | 實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)是什么？

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用需滿足極為嚴(yán)苛的時(shí)間約束和可預(yù)測(cè)性標(biāo)準(zhǔn)。為了迎合這些高標(biāo)準(zhǔn)需求，實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，專為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供虛擬化支持，同時(shí)確保其實(shí)時(shí)性能不受影響。本文深入探討了實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)在實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)策略。

實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

虛擬化管理

實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)普遍采用類虛擬機(jī)管理程序（VMM）架構(gòu)，其中實(shí)時(shí)VMM作為底層軟件直接運(yùn)行于硬件之上，肩負(fù)起虛擬機(jī)調(diào)度、資源分配及硬件虛擬化等多重職責(zé)。該實(shí)時(shí)VMM往往基于硬件虛擬化擴(kuò)展（例如Intel VT-x或AMD-V）構(gòu)建，并針對(duì)實(shí)時(shí)工作負(fù)載進(jìn)行了深度優(yōu)化。

在實(shí)時(shí)VMM的支撐下，實(shí)時(shí)虛擬機(jī)（RTVM）得以運(yùn)行，為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供一個(gè)獨(dú)立且隔離的環(huán)境。實(shí)時(shí)VMM精心管理和調(diào)度RTVMs，確保它們嚴(yán)格遵守時(shí)間約束。

實(shí)時(shí)調(diào)度

實(shí)時(shí)調(diào)度是實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)的核心構(gòu)成部分。實(shí)時(shí)VMM傾向于采用諸如率單調(diào)調(diào)度（RMS）或最高優(yōu)先級(jí)調(diào)度（HPF）等實(shí)時(shí)調(diào)度算法，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)間約束得以滿足。

在RMS機(jī)制下，每個(gè)RTVM被分配一個(gè)固定的CPU帶寬，實(shí)時(shí)VMM依據(jù)這些帶寬值進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)度。而在HPF機(jī)制中，實(shí)時(shí)VMM則根據(jù)RTVMs的優(yōu)先級(jí)來安排調(diào)度，始終賦予優(yōu)先級(jí)最高的RTVM運(yùn)行權(quán)限。

為了進(jìn)一步縮減虛擬機(jī)切換所帶來的開銷，實(shí)時(shí)VMM還融入了諸如中斷虛擬化、內(nèi)存映射優(yōu)化以及設(shè)備直通等多種優(yōu)化技術(shù)。

實(shí)時(shí)內(nèi)存管理

對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，內(nèi)存管理的重要性不言而喻。實(shí)時(shí)VMM通常采用諸如伙伴系統(tǒng)、slab分配器或預(yù)留內(nèi)存池等專門的內(nèi)存管理策略，以確保內(nèi)存分配和回收的可預(yù)測(cè)性，有效防止內(nèi)存碎片化和延遲波動(dòng)。

此外，實(shí)時(shí)VMM還支持直通內(nèi)存映射功能，使RTVMs能夠直接訪問物理內(nèi)存，從而規(guī)避了額外的內(nèi)存復(fù)制開銷。

實(shí)時(shí)設(shè)備虛擬化

實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)需要確保設(shè)備訪問的實(shí)時(shí)性能，主要通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：

設(shè)備直通：將硬件設(shè)備直接分配給特定的RTVM，由其直接訪問。這種方式能夠提供最佳的實(shí)時(shí)性能，但前提是硬件需支持直通功能。

實(shí)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：在實(shí)時(shí)VMM中實(shí)現(xiàn)專用的實(shí)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通過這些驅(qū)動(dòng)程序來訪問硬件設(shè)備。這種方式在設(shè)備隔離和安全性方面表現(xiàn)更佳，但可能會(huì)帶來一定的性能開銷。

實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)示例

在實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)中，存在多種實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案：

Real-Time KVM（RT-KVM）：基于KVM虛擬化技術(shù)構(gòu)建的實(shí)時(shí)虛擬化解決方案。通過對(duì)KVM進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在Linux系統(tǒng)上運(yùn)行RTVMs。RT-KVM引入了實(shí)時(shí)調(diào)度和內(nèi)存管理機(jī)制，并支持設(shè)備直通和實(shí)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它還提供了實(shí)時(shí)內(nèi)存映射和中斷虛擬化等優(yōu)化技術(shù)，以顯著提升性能和可預(yù)測(cè)性。

實(shí)時(shí)Xen（RT-Xen）：將Xen虛擬機(jī)管理程序與實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)相結(jié)合，提供實(shí)時(shí)虛擬化支持。RT-Xen對(duì)Xen的調(diào)度程序和內(nèi)存管理模塊進(jìn)行了修改，以滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需求。它支持多種實(shí)時(shí)調(diào)度算法，如RMS和HPF，并提供了實(shí)時(shí)內(nèi)存管理和設(shè)備直通功能。此外，它還采用了諸如中斷虛擬化和實(shí)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等多種優(yōu)化技術(shù)，以提升實(shí)時(shí)性能。

實(shí)時(shí)QEMU（RT-QEMU）：RT-QEMU 是一個(gè)理論概念，目前并沒有正式的、廣泛應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。QEMU 是一個(gè)通用的開源模擬器和虛擬化工具，通常與 KVM 配合使用。盡管部分研究團(tuán)隊(duì)嘗試對(duì) QEMU 進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，但這些實(shí)現(xiàn)大多是實(shí)驗(yàn)性的，未發(fā)展為正式項(xiàng)目。

結(jié)論

實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)在實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)涉及多個(gè)核心組件，包括實(shí)時(shí)調(diào)度、實(shí)時(shí)內(nèi)存管理和實(shí)時(shí)設(shè)備虛擬化。盡管不同的實(shí)現(xiàn)方案采用了各異的架構(gòu)和技術(shù)，但它們的共同目標(biāo)都是滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)所提出的嚴(yán)格時(shí)間約束和可預(yù)測(cè)性要求。

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