Ono Sokki，一家汽車測試和測量應(yīng)用供應(yīng)商，采用了虛擬化技術(shù)，將其其中一套系統(tǒng)從六臺工業(yè)PC簡化為單一硬件平臺。同時(shí)，他們對產(chǎn)品進(jìn)行了現(xiàn)代化改造，簡化了部署。

工作負(fù)載整合技術(shù)的優(yōu)勢場景

依托工作負(fù)載整合技術(shù)簡化系統(tǒng)架構(gòu)

日本汽車和工業(yè)測試系統(tǒng)制造商小野索基的經(jīng)驗(yàn)展示了這些特點(diǎn)。公司提供多種復(fù)雜多功能系統(tǒng)，如其靈活自動(dòng)測量系統(tǒng)（FAMS），以高速數(shù)據(jù)采集、先進(jìn)的實(shí)時(shí)處理和低延遲網(wǎng)絡(luò)技術(shù)著稱（見圖1）。

1. Ono Sokki在其靈活自動(dòng)測量系統(tǒng)（FAMS）中利用工作負(fù)載整合實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理。

早期系統(tǒng)如FAMS-R5需要多臺工業(yè)電腦進(jìn)行不同測試功能，導(dǎo)致成本高昂、布線復(fù)雜且靈活性有限。隨著數(shù)據(jù)量的增長，對可擴(kuò)展的軟件定義解決方案的需求變得明顯。

通過FAMS-R6，小野索基引入了基于COM Express Type 7模塊和Intel Xeon D處理器的虛擬化架構(gòu)。利用虛擬機(jī)監(jiān)控程序技術(shù)，它在同一平臺上運(yùn)行RTOS和通用作系統(tǒng)，確保每個(gè)工作負(fù)載都能獲得所需的計(jì)算、內(nèi)存和I/O帶寬，且不受干擾。

這種整合將多達(dá)六臺工業(yè)電腦替換為一個(gè)緊湊型系統(tǒng)，降低硬件成本，簡化安裝，消除冗余布線。高速10 GbE接口支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，分布式存儲(chǔ)則確保快速、低延遲的數(shù)據(jù)交換。

虛擬機(jī)監(jiān)控程序如何降低系統(tǒng)復(fù)雜性

正如本系列第一部分所解釋的，通過使用Type-1虛擬機(jī)監(jiān)控器（裸機(jī)），可以將物理資源（如CPU、內(nèi)存或系統(tǒng)輸入/作系統(tǒng)）拆分，并分布到多個(gè)虛擬機(jī)之間，同時(shí)提供對共享資源（如網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)）的訪問。通過將核心和物理內(nèi)存以及對特定I/O的訪問進(jìn)行分區(qū)，虛擬機(jī)監(jiān)控器可以創(chuàng)建多個(gè)完整的系統(tǒng)，提供原生性能且彼此不會(huì)相互干擾（見圖2）。

2. Congatec 的虛擬機(jī)管理程序?qū)⑾到y(tǒng)的物理資源拆分，并分配到多個(gè)虛擬機(jī)中。

為了確保各種工作負(fù)載不爭奪資源，F(xiàn)AMS-R6 系統(tǒng)中使用的集成虛擬機(jī)監(jiān)控程序會(huì)邏輯上將系統(tǒng)的各個(gè)組件專門分配給各個(gè)虛擬機(jī)，采用不同的方法：

• 芯釘固定：可以為虛擬機(jī)保留特定的CPU核心，將其與其他核心隔離，以確保不會(huì)出現(xiàn)無謂的延遲尖峰。

• 內(nèi)存分區(qū)：每個(gè)虛擬機(jī)會(huì)被分配一個(gè)固定且連續(xù)的物理內(nèi)存塊，以確保一個(gè)虛擬機(jī)分區(qū)的內(nèi)存使用不會(huì)妨礙或耗盡其他分區(qū)。

• 輸入輸出分區(qū)：I/O設(shè)備，通常是PCIe外設(shè)，可以配置為綁定到特定虛擬機(jī)，從而賦予虛擬機(jī)對硬件的直接低層訪問。

如果FAMS-R6系統(tǒng)中的虛擬機(jī)不需要極其精確且快速的實(shí)時(shí)控制，那么它不必直接且獨(dú)占地連接到硬件。在這種情況下，虛擬機(jī)監(jiān)控程序可以提供一個(gè)虛擬設(shè)備。

例如，單個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）不需要物理專用于每個(gè)虛擬機(jī)。相反，多個(gè)虛擬機(jī)可以共享同一個(gè)物理網(wǎng)卡。由于沒有單個(gè)虛擬機(jī)單獨(dú)占用全部帶寬，共享資源更經(jīng)濟(jì)且更高效。

對于USB設(shè)備，虛擬機(jī)監(jiān)控程序可以精確控制哪個(gè)虛擬機(jī)被允許訪問哪臺設(shè)備。它通過他們的 USB ID，比如特定的傳感器或閃存驅(qū)動(dòng)器來識別它們，并相應(yīng)地分配它們。此外，虛擬機(jī)監(jiān)控程序還可以創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域，多個(gè)虛擬機(jī)可以同時(shí)訪問。當(dāng)FAMS-R6內(nèi)的不同作系統(tǒng)需要處理相同的傳感器數(shù)據(jù)，而不必不斷復(fù)制時(shí)，這非常有用。

集成解決方案平臺的作用

如前所述，集成解決方案平臺在簡化從遺留架構(gòu)向虛擬化、整合系統(tǒng)的過渡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在FAMS-R6系統(tǒng)中，小野索基實(shí)現(xiàn)了COM Express Type 7模塊，搭載Intel Xeon D處理器（見圖3）。

3. 小野索基系統(tǒng)中使用的conga-B7XD服務(wù)器模塊，具備高計(jì)算能力和高I/O帶寬，可實(shí)時(shí)連接多個(gè)傳感器。

該系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行 VxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與 Windows 通用操作系統(tǒng)，虛擬機(jī)之間的完全隔離設(shè)計(jì)，不僅消除了性能干擾問題，還規(guī)避了 “資源搶占” 這類常見故障。

這類集成式平臺基于兼容性與互操作性設(shè)計(jì)，能夠幫助用戶以更低風(fēng)險(xiǎn)、更高效率完成既有應(yīng)用的遷移工作。經(jīng)過驗(yàn)證的軟件棧會(huì)經(jīng)過系統(tǒng)化測試、歸檔與更新，通過主動(dòng)修復(fù)已知漏洞，降低系統(tǒng)的安全合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。

同樣重要的是，服務(wù)器級模塊平臺的模塊化特性，為 Ono Sokki 提供了清晰明確的技術(shù)升級路徑。依托可擴(kuò)展的硬件底座與功能隔離的虛擬機(jī)架構(gòu)，系統(tǒng)可輕松完成功能更新與擴(kuò)展，滿足未來的業(yè)務(wù)需求。

結(jié)論

工作負(fù)載整合技術(shù)已經(jīng)從理論走向?qū)嵺`，成為解決當(dāng)下嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)的實(shí)用方案。正如本案例所呈現(xiàn)的，現(xiàn)代化的軟硬件集成方案，正在幫助原始設(shè)備制造商借助虛擬化技術(shù)，減少硬件投入、簡化系統(tǒng)架構(gòu)，并在單一平臺上支撐日益復(fù)雜的工作負(fù)載。

對于那些面臨性能、安全性與互聯(lián)性多重挑戰(zhàn)的原始設(shè)備制造商而言，工作負(fù)載整合技術(shù)已不再是遙遠(yuǎn)的未來目標(biāo)，而是一項(xiàng)具備落地條件的實(shí)用設(shè)計(jì)策略。