前言

通過閱讀「嵌入式Hypervisor：架構、原理與應用」我對Hypervisor這個概念有了較為全面的理解。

本書探討了嵌入式Hypervisor（虛擬機監控程序）作為嵌入式系統軟件的前沿技術，重點關注其在復雜應用場景中的重要性。隨著對高性能和低功耗嵌入式系統需求的增加，嵌入式Hypervisor成為優化有限資源、實現異構操作系統安全隔離的關鍵解決方案。

盡管在多個領域已有廣泛應用，專門分析嵌入式Hypervisor的書籍仍較為匱乏。本書采用分離內核架構，結合PRTOS Hypervisor，深入剖析其設計與實現技術，并討論對實時操作系統及Linux的虛擬化支持，旨在幫助讀者理解異構操作系統開放平臺的生態優勢。

嵌入式Hypervisor是一種用于虛擬化的技術，尤其在嵌入式系統中應用廣泛。它允許多個操作系統或應用程序在同一硬件平臺上并行運行，從而提高資源利用率和系統的靈活性。

什么是Hypervisor

Hypervisor（虛擬機監控程序）是一個用于創建和管理虛擬機的軟件層。它允許在同一物理硬件上同時運行多個操作系統實例。這種技術廣泛應用于服務器虛擬化、云計算和資源隔離等場景。

傳統操作系統內核的功能是在底層硬件上提供抽象層，在多個用戶空間的應用程序之間分配和調度資源（包括CPU、內存、I/O外圍設備）?，職責是在操作系統上托管用戶空間的應用程序。Hypervisor同樣具備托管職責，但托管的是多個客戶操作系統。操作系統內核一般被稱為主管(Supervisor)，而虛擬機監控程序用來托管主管，因此被稱為超級主管，即Hypervisor。Hypervisor有時候也被稱為虛擬機管理器(Virtual Machine Manager，VMM)或者虛擬機監控器(Virtual Machine Monitor，VMM)。

Hypervisor使得單個物理硬件平臺可支持一個或者多個虛擬機，虛擬機間彼此互不干擾。即使一個虛擬機中的應用程序發生崩潰或安全性損害，其他虛擬機中的應用程序仍可正常運行。因此Hypervisor既可以提高硬件利用率和系統管理的靈活性，也可以使虛擬機之間強制隔離，從而保證整個軟件系統的安全性。故實現Hypervisor的關鍵技術（虛擬化技術）非常重要。

嵌入式Hypervisor

嵌入式 Hypervisor 是一種虛擬化技術，專門設計用于嵌入式系統中。它允許在同一硬件平臺上同時運行多個操作系統或應用程序，提供資源隔離和管理，從而提高系統的靈活性和安全性。

主要特點

（1)高效性。Hypervisor一般都力求提高效率，但嵌入式Hypervisor受到內存、外圍設備、功耗等方面的限制，必須能夠非常精簡且高效地使用硬件資源。

（2)代碼量小。應用程序的代碼量越少，就越容易查找錯誤。一些嵌入式Hypervisor的供應商就是通過數學方法驗證Hypervisor有沒有錯誤。Hypervisor是系統中唯一以特權模式運行的軟件，Hypervisor包含的錯誤越少，平臺就越安全可靠。

（3)多核系統支持。目前，新的嵌入式處理器普遍利用多核架構來提高性能，嵌入式Hypervisor可以管理底層架構，為遺留應用程序提供單處理器環境，同時有效支持多核處理器進行系統設計。

（4)實時性。具有實時性要求的虛擬機內部應用程序必須以可預測的方式執行。虛擬機應用的實時性受到底層軟件（即Hypervisor和客戶操作系統）和硬件的影響。從Hypervisor的角度來說，可預測性涉及Hypervisor所提供的服務以及虛擬機中的客戶操作系統。嵌入式Hypervisor提供給虛擬機的服務必須具有可預測性，以滿足虛擬機的確定性要求。比如對無人機系統來說，Hypervisor可以保證飛控系統和第三方應用程序（圖傳系統）共享硬件平臺并相互隔離，并保障運行飛控系統的虛擬機滿足實時性要求。

應用領域

（1)在航空領域，ARINC653標準已經是IMA（Integrated Modular Avionics，綜合模塊化航空電子設備）架構的標準應用接口，符合ARINC653標準的Ⅰ型Hypervisor是航空電子系統領域的基礎軟件。

（2)在車載領域，汽車通過在若干個互相隔離的虛擬機上分別運行車載娛樂操作系統、AUTOSAR（汽車開放系統架構）操作系統和RTOS，使得軟件系統可以在異常檢測、故障隔離方面開展更多工作，并確保一旦出現問題，故障也能夠在早期被識別和處理，避免故障向其他領域蔓延。

（3)在工業領域，目前，工業領域中的設備和傳感器越來越多地與互聯網連接，Hypervisor可以用于管理和隔離這些設備之間的不同應用程序，以確保安全性和可靠性。4)在醫療領域，安全性和隔離性至關重要。Hypervisor可以簡化功能組件的更新過程，通過在虛擬機級別進行更新，減少對整個設備的干擾；Hypervisor支持冗余配置和備份虛擬機，確保即使在硬件或軟件發生故障的情況下，設備仍然可用。

主流的嵌入式Hypervisor產品

國外RTOS廠商的Hypervisor產品

嵌入式Hypervisor在國外起步較早，在任務關鍵型和安全關鍵型嵌入式場景中已經得到了廣泛的應用。其中Wind River公司的VxWorks 653、Lynx公司的LynxOS-178B和LynxSecure、Thales公司的PikeOS、DDC-I公司的DeOS以及Green Hills軟件公司的INTEGRITY Multivisor等都是這方面的典型代表。VxWorks 653是應用在航空領域的、遵循ARINC653設計規范的Hypervisor。分區是ARINC653中的一個核心概念。采用ARINC653標準的操作系統架構分為兩級，底層是CoreOS（即Hypervisor）?，負責分區間的管理和調度；CoreOS的上層是POS（Partition OS，分區OS）?，即分區操作系統，也就是客戶操作系統。POS的上層才負責應用程序的執行。

VxWorks 653是典型的ARINC653軟件架構，如圖所示。

Lynx公司的LynxOS-178B也是面向航空領域的、遵循ARINC653設計規范的Hypervisor，其架構如圖所示。

PikeOS架構如圖所示。PikeOS主要應用于航空電子、航天、鐵路、汽車、醫療和工業自動化領域。

總結

嵌入式 Hypervisor 通過在同一硬件上提供多個獨立的虛擬環境，為嵌入式系統帶來了靈活性和安全性，是現代嵌入式設計的重要組成部分。

審核編輯 黃宇