前　言
嵌入式系統(tǒng)與虛擬化技術(shù)似乎是兩個獨立的技術(shù)領(lǐng)域，沒有交集。但隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆炸式增長和萬物互聯(lián)應(yīng)用的快速發(fā)展，嵌入式虛擬化技術(shù)這個跨界創(chuàng)新組合應(yīng)運而生，也越來越受到業(yè)界的關(guān)注和重視。本書將主要回答兩個問題：為什么嵌入式系統(tǒng)需要虛擬化技術(shù)？如何在資源受限的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)虛擬化技術(shù)？
為什么嵌入式系統(tǒng)需要虛擬化技術(shù)
因為虛擬化技術(shù)已經(jīng)來到了下一個風口—萬物互聯(lián)時代的虛擬化！
先從虛擬化技術(shù)的發(fā)展歷史說起。虛擬化技術(shù)得益于分時操作系統(tǒng)和PC的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代虛擬化技術(shù)已經(jīng)有了20多年的發(fā)展歷史。而真正催生虛擬化技術(shù)快速部署和發(fā)展的是云時代春天的到來。開源虛擬化技術(shù)和Linux催生了基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS），開啟了云計算時代的新篇章。虛擬機可以作為服務(wù)，提供一系列獨特優(yōu)勢，例如彈性資源共享、快速部署、廉價方便、集中式IT管理等。這個起始于大型電商的內(nèi)部技術(shù)革新，迅速成長為一種公共服務(wù)，構(gòu)成了云計算時代的基礎(chǔ)。云計算技術(shù)的發(fā)展使得作為標準化產(chǎn)品的虛擬機作為服務(wù)走入“尋常百姓家”。目前各大云服務(wù)廠商都不約而同地切換到基于KVM技術(shù)的云架構(gòu)上，并發(fā)展出各種各樣的應(yīng)用技術(shù)。
進入新世紀后，計算機領(lǐng)域出現(xiàn)了另一個新的虛擬化應(yīng)用場景—萬物互聯(lián)，進一步促進了虛擬化技術(shù)的應(yīng)用落地和發(fā)展。萬物互聯(lián)是把百億級別的嵌入式設(shè)備整合在一起，并通過云連接起來。虛擬化技術(shù)因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，以此整合各種單一功能設(shè)備，通過共同的網(wǎng)絡(luò)接口接入互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建更加高效、低成本的萬物互聯(lián)系統(tǒng)。這也是實現(xiàn)工業(yè)4.0的必由之路。
促使嵌入式設(shè)備支持虛擬化技術(shù)的原因有如下幾點。第一，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，摩爾定律推動硬件的性能提升，成本下降。今天的嵌入式SoC的性能甚至可能超過了昨天的服務(wù)器。第二，無處不在的CPU多核技術(shù)的發(fā)展自然地能夠支持多個系統(tǒng)。第三是業(yè)務(wù)的負載整合、數(shù)字化互聯(lián)的需求。出于節(jié)約成本考慮，系統(tǒng)整合并重用已有的軟件系統(tǒng)，降低移植工作量，減少硬件系統(tǒng)的互連，降低整體硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度，可以把多個 “異構(gòu)” 的操作系統(tǒng)和業(yè)務(wù)整合在一套硬件系統(tǒng)上。這些都需要虛擬化技術(shù)在嵌入式設(shè)備上的支持。
如何在資源受限的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)虛擬化
“云”虛擬化和“物”虛擬化兩種技術(shù)雖然同根同源，但是嵌入式虛擬化技術(shù)和傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)還是有很多不同的地方，例如應(yīng)用場景和目標定位不同、可用的資源多寡不同、支持的物理硬件設(shè)備和外設(shè)不同、軟件發(fā)布的模式不同、各自的生態(tài)系統(tǒng)不同。為此，本書專門選擇了Linux開源基金會下支持Intel x86平臺的開源嵌入式虛擬機管理程序ACRN進行架構(gòu)剖析和代碼實現(xiàn)的解讀。主要原因有兩點。第一，在嵌入式虛擬機市場上大多都是閉源的商用軟件，以支持Arm平臺為主，開源的、專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計的虛擬機在市面上并不多見。第二，ACRN具有如下特點：在x86平臺上支持實時操作系統(tǒng)；小尺寸，額外開銷小；能通過工業(yè)IEC 61508 功能安全認證；具有BSD 3.0友好的許可證，完全開源。
虛擬化技術(shù)主要包括四部分核心內(nèi)容：CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、中斷虛擬化和設(shè)備虛擬化。本書圍繞這四個方面，以ACRN為例介紹如何在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)一個完整的虛擬機管理程序（VMM或者Hypervisor）。本書首先介紹最基本的、通用的虛擬化技術(shù)原理�？紤]到云虛擬化技術(shù)和KVM的廣泛流行，再以主流開源KVM為例來介紹其CPU、內(nèi)存、中斷和設(shè)備虛擬化的實現(xiàn)。有了這兩章的鋪墊，當讀者隨后讀到ACRN的架構(gòu)設(shè)計和代碼實現(xiàn)時，可以一邊比較KVM，一邊理解嵌入式系統(tǒng)上虛擬化技術(shù)實現(xiàn)的要點。本書還有兩章是針對ACRN的高級技術(shù)的，分別是性能調(diào)優(yōu)和功能安全認證。因為嵌入式虛擬機Hypervisor是運行在嵌入式硬件和實時操作系統(tǒng)之間的薄薄的軟件層，Hypervisor的出現(xiàn)會對整機的實時性能帶來額外的開銷，對于如何最大限度地減少Hypervisor自身引入的實時開銷，讀者可以閱讀性能調(diào)優(yōu)相關(guān)章節(jié)。ACRN還有另外一個獨特優(yōu)點，它是第一個能支持IEC 61508安全認證的開源虛擬機。以前只有商用虛擬機軟件才能夠完成的安全認證，開源虛擬機也能做到。本書討論安全認證實現(xiàn)的章節(jié)將從技術(shù)和流程兩個方面“解密”如何實現(xiàn)這一目標。
目標讀者
在某種程度上可以將嵌入式系統(tǒng)的虛擬化技術(shù)看作一門跨領(lǐng)域的交叉技術(shù)。虛擬化技術(shù)本身涉及操作系統(tǒng)、計算機體系結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域知識。當把虛擬化技術(shù)“嫁接”到嵌入式系統(tǒng)上時，除了虛擬化技術(shù)背景之外，工作人員還必須具有良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗。Hyper-visor要運行在資源受限的硬件平臺上，性能調(diào)優(yōu)又必須是整機系統(tǒng)（硬件+虛擬機+實時操作系統(tǒng)+應(yīng)用程序）的調(diào)優(yōu)，所以工作人員還需要一些“螺螄殼里做道場”的系統(tǒng)調(diào)優(yōu)能力。
另外，本書并沒有定位成一本純理論的學術(shù)書籍，而是一本綜合了虛擬化原理知識和技術(shù)實踐的圖書。本書定位的讀者包括：
從事嵌入式虛擬化領(lǐng)域開發(fā)的研發(fā)人員或?qū)�業(yè)技術(shù)人員。
從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，但是對虛擬化技術(shù)感興趣的研發(fā)人員。
從事虛擬化領(lǐng)域開發(fā)，但是希望擴展到嵌入式領(lǐng)域的研發(fā)人員。
全書結(jié)構(gòu)
本書的邏輯主線是按照如下思路來組織的：為什么需要嵌入式虛擬化技術(shù)→如何實現(xiàn)嵌入式虛擬化→嵌入式虛擬化和主流的云虛擬化在實現(xiàn)上有何不同→嵌入式虛擬化技術(shù)在哪些領(lǐng)域可以帶來價值。各章具體內(nèi)容簡介如下。
第1章主要介紹虛擬化技術(shù)的發(fā)展歷史、虛擬機的三種模型、虛擬化技術(shù)的分類，并分析當前嵌入式虛擬化技術(shù)所面臨的發(fā)展和挑戰(zhàn)。
第2章介紹虛擬化技術(shù)的通用概念，并描述處理器虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化的實現(xiàn)，比較“云”虛擬化和“物”虛擬化，以及嵌入式虛擬化技術(shù)的特征和必要性。
第3章主要介紹在服務(wù)器領(lǐng)域廣泛使用的KVM的基本原理，并探討其與嵌入式領(lǐng)域虛擬化技術(shù)的不同之處。通過實現(xiàn)一個極簡版的用戶態(tài)VMM，進而描述KVM的主要功能實現(xiàn)：CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、中斷虛擬化和設(shè)備虛擬化。
第4章介紹一個Linux基金會下的專門為資源受限的嵌入式設(shè)備而設(shè)計的虛擬機ACRN。它尺寸小，額外開銷小，專門為實時系統(tǒng)進行了設(shè)計和優(yōu)化，同時具有完全開源、友好的許可證。該章將深入介紹ACRN嵌入式虛擬機的具體實現(xiàn)，包括CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、中斷虛擬化和I/O虛擬化的框架支持，并提供設(shè)計框圖及部分流程圖。
第5章繼續(xù)介紹ACRN中的設(shè)備虛擬化。豐富的I/O設(shè)備虛擬化支持是ACRN的另一個優(yōu)勢，也是專門為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計實現(xiàn)的。
第6章主要介紹ACRN系統(tǒng)的使用和環(huán)境搭建過程，并配有完整的安裝部署入門指南，方便讀者了解和具體操作ACRN。
第7章介紹嵌入式虛擬機如何能夠支持實時性，以及如何做到性能調(diào)優(yōu)，并結(jié)合Intel硬件平臺和ACRN虛擬機介紹幾種常用的實時優(yōu)化思路及工具。
第8章介紹嵌入式實時操作系統(tǒng)。雖然本書主要介紹嵌入式虛擬機，但是也需要對運行在Hypervisor之上的嵌入式操作系統(tǒng)進行介紹，因為兩者需要配合在一起才能實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的實時性能。ACRN是在x86硬件平臺上實現(xiàn)的，所以該章主要介紹三個比較流行的x86平臺上的開源實時操作系統(tǒng)。
ACRN是第一個能夠通過功能安全認證的開源的虛擬機Hypervisor。第9章主要從流程和技術(shù)兩方面來分享ACRN的功能安全的工程實踐。
第10章介紹智能數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)字孿生的實現(xiàn)。借助虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)智能數(shù)控系統(tǒng)，可以把傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備端側(cè)的各個分離的單獨控制器整合到同一平臺上，還可以通過數(shù)字孿生技術(shù)在云中構(gòu)建設(shè)備的數(shù)字實例。
第11章介紹如何使用虛擬化技術(shù)進行工作負載整合。通過把機器視覺和機器控制整合在一個物理硬件平臺上運行，可以使工業(yè)設(shè)備裝上“眼睛”和“手臂”，既可以看到需要識別的物品，又可以使用機器控制執(zhí)行相應(yīng)的操作。
第12章主要介紹如何通過虛擬化方案使移動機器人、復(fù)合機器人的設(shè)計變得更從容，同時可以從控制器的體積、成本、功耗、性能、安全等角度滿足機器人開發(fā)所需，為多樣化的上層應(yīng)用打好基礎(chǔ)。
第13章介紹虛擬化技術(shù)在智能駕駛艙中的解決方案。通過虛擬化技術(shù)，數(shù)字儀表盤系統(tǒng)及車載娛樂系統(tǒng)現(xiàn)在可以同時運行在一顆SoC處理器上，從而降低整機成本和平臺的集成復(fù)雜性。
如何閱讀本書
本書大體上介紹了5部分技術(shù)內(nèi)容，讀者可以針對自己的興趣點來閱讀。
希望了解虛擬化技術(shù)基礎(chǔ)知識的讀者，可以閱讀第1、2章。
希望了解服務(wù)器上常用的KVM虛擬機實現(xiàn)的讀者，可以閱讀第3章。
希望了解如何實現(xiàn)一個完整的嵌入式虛擬機的讀者，可以閱讀第4～6章。
希望了解如何進行實時性能調(diào)優(yōu)的讀者，可以閱讀第7章。
希望了解常用x86平臺的開源實時操作系統(tǒng)的讀者，可以閱讀第8章。
希望了解功能安全認證的讀者，可以閱讀第9章。
希望了解嵌入式虛擬機的應(yīng)用場景和實際案例的讀者，可以閱讀第10～13章。
致謝
本書的作者都是英特爾公司的工程師。他們有的是來自開源技術(shù)中心部門的虛擬化開發(fā)工程師，有的是來自物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部的開發(fā)工程師或市場經(jīng)理。他們大都在虛擬化領(lǐng)域、嵌入式領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域沉浸和工作多年，具有豐富的技術(shù)實踐經(jīng)驗。
寫作本書主要有三個原因。第一，虛擬化技術(shù)的發(fā)展。在2008年，英特爾開源軟件技術(shù)中心的虛擬化團隊和復(fù)旦大學并行處理研究所合作并出版了《系統(tǒng)虛擬化—原理與實現(xiàn)》一書。十幾年過去了，虛擬化技術(shù)依然發(fā)展迅猛，不僅使云計算資源唾手可得，而且伴隨著萬物互聯(lián)時代的春風，虛擬化技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域也迎來了新的大發(fā)展。所以，團隊認為很有必要再續(xù)寫一本書，來專門介紹新的嵌入式虛擬化技術(shù)的原理與實現(xiàn)。第二，本書的作者除了日常的技術(shù)開發(fā)工作，也負責客戶的技術(shù)推廣和產(chǎn)品落地，在與OEM、ODM、車企、設(shè)備制造廠商打交道時，他們深刻體會到我國制造行業(yè)的“一手硬、一手軟”，即硬件制造優(yōu)勢領(lǐng)先，但軟件設(shè)計開發(fā)能力卻缺乏技術(shù)積累，水平有待提高。所以也希望本書能扮演一個虛擬化技術(shù)入門和普及的“敲門磚”的角色。雖然它不能使人“21天學會虛擬化”，但是通過ACRN開源軟件的介紹（ACRN只有3萬多行代碼），卻可以讓人們有機會從第一行代碼來了解、學習虛擬化技術(shù)，甚至開發(fā)自己的虛擬機管理程序，從而能掌握嵌入式和虛擬化技術(shù)的要點。第三，本書的策劃編輯專門為團隊提供了讀者需求、業(yè)界熱點技術(shù)分析，并給出了寫作方向。
本書的作者分工如下：第1章由董耀祖、沈溢合作撰寫；第2章由王穩(wěn)超撰寫；第3章由王穩(wěn)超、鄧杰合作撰寫；第4章由曹明貴、高世青、單峻俊合作撰寫；第5章由鄧杰撰寫；第6章由鄒皓、江燕婷合作撰寫；第7章由曹明貴撰寫；第8章由曹劍波、楊湘、陳鵬、陳紅展合作撰寫；第9章由吳向陽撰寫；第10章由沈溢、李世奇合作撰寫；第11章由王洪波撰寫；第12章由瞿好聰、楊洪、李世奇合作撰寫；第13章由張泉撰寫。王洪波、曹明貴、王穩(wěn)超、鄧杰、高世青對全書做了審校。感謝本書的技術(shù)顧問茅俊杰、王禹、孫捷。還要感謝機械工業(yè)出版社的編輯進行了細致的審稿，并提出了寶貴的修改建議，最終促成了本書的出版。
最后，感謝你在茫茫書海中選擇了本書，并衷心祝愿你能從中受益。

編者
2023年5月