多核及虛擬化技術(shù)在工業(yè)和安全領(lǐng)域的應(yīng)用

在嵌入式市場(chǎng)，一些顛覆性的技術(shù)正在影響著發(fā)展趨勢(shì)，并且為設(shè)備制造商帶來前所未有的機(jī)遇，對(duì)其產(chǎn)品和業(yè)務(wù)模式產(chǎn)生方向性的變革，這就是多核和虛擬化技術(shù)。通過這些技術(shù)的應(yīng)用，可以顯著改善設(shè)備性能，并通過硬件集中化來降低成本，最終在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

多核處理器日趨成熟，這就是機(jī)遇的開始。最新的Intel多核處理器不僅性能大幅提高，而且明顯改善了單個(gè)處理核的性能功耗比（Performance Per Watt）?；诙嗪颂幚砥鱽順?gòu)建自己的產(chǎn)品，也提高了應(yīng)用的可伸縮性，為適應(yīng)更高的性能需求預(yù)留了空間，從而使設(shè)備在投資保護(hù)方面有更好的表現(xiàn)。Intel公司的雙核和四核處理器銷售量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單核處理器，這個(gè)事實(shí)足以顯示多核應(yīng)用顯著增加的趨勢(shì)。

虛擬化技術(shù)是另一個(gè)重要的趨勢(shì)。借助于對(duì)底層處理器內(nèi)核、內(nèi)存和外設(shè)的抽象，這種技術(shù)使得多個(gè)虛擬機(jī)可以運(yùn)行在同一個(gè)物理板上。虛擬化提供了多操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，例如可以在同一個(gè)設(shè)備中同時(shí)運(yùn)行高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)（例如Wind River VxWorks和通用的操作系統(tǒng)（比如Wind River Linux）。如圖1所示。
通過多核處理器和虛擬化提升了單個(gè)設(shè)備的性能，從而可以把原本需要多個(gè)設(shè)備分別運(yùn)行才能完成的任務(wù)合并到單個(gè)設(shè)備上，這就是集中化（Consolidation）。這樣一來，需要使用的硬件設(shè)備減少了，能源利用率提高了，不僅在整體上需要使用的物料減少了，而且也降低了系統(tǒng)整體運(yùn)行成本。

虛擬化是由Hypervisor來實(shí)現(xiàn)的。Hypervisor具有監(jiān)管功能，可以讓多個(gè)運(yùn)行環(huán)境相互獨(dú)立，由此提供了一種隔絕機(jī)制，讓每個(gè)應(yīng)用都運(yùn)行在獨(dú)立的環(huán)境中，從而提高系統(tǒng)的可靠性、防護(hù)性和安全性。

圖1 Intel-Wind River多核虛擬架構(gòu)

隨著新功能的增加以及新的政策法規(guī)的實(shí)行，與安全相關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)越來越復(fù)雜。越來越多的工業(yè)設(shè)備需要通過網(wǎng)絡(luò)與Internet等更大的系統(tǒng)相互聯(lián)系，從車間生產(chǎn)線到企業(yè)管理層之間的聯(lián)系也越來越密切。所有的設(shè)備都必須支持規(guī)模更大的應(yīng)用軟件，例如，必須支持多種多樣與不同級(jí)別安全性相關(guān)的通信協(xié)議棧。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，政府法令也會(huì)提出更多的強(qiáng)制性要求、認(rèn)證方法和流程，以確保系統(tǒng)的安全可靠性。

多核和虛擬化技術(shù)的組合應(yīng)用可以幫助工業(yè)控制、過程自動(dòng)化、能源和交通行業(yè)的設(shè)備制造商保護(hù)其在軟件開發(fā)方面的投資。這些技術(shù)讓同一個(gè)系統(tǒng)可以安全地同時(shí)運(yùn)行更多的應(yīng)用。因此，你可以在確保性能、安全性和可伸縮性的前提下，幾乎不需要做什么修改，就可以把原本運(yùn)行在不同設(shè)備上的多種應(yīng)用集中在一套系統(tǒng)中運(yùn)行。而這些應(yīng)用的管理也不會(huì)有太多的麻煩。

下面介紹風(fēng)河和英特爾如何合作推進(jìn)多核和虛擬化技術(shù)，幫助軟件開發(fā)人員采用新的方法來解決工業(yè)控制和安全性要求極高的問題。

覆蓋整個(gè)企業(yè)的工業(yè)控制解決方案
VxWorks、Wind River Linux和Wind River Hypervisor可以運(yùn)行在多種Intel處理器上，并且是由一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)的工具鏈來支持，由此可顯著提高多核和多操作系統(tǒng)開發(fā)工作的效率。這種能力可以延伸到工業(yè)企業(yè)的所有層面，呈現(xiàn)出一種“自動(dòng)化金字塔”的層次結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖2 自動(dòng)化金字塔架構(gòu)

在企業(yè)層，也就是企業(yè)里面的最高層，通常運(yùn)行著多種混合應(yīng)用的服務(wù)器和工作站，其中可以包括協(xié)同性生產(chǎn)管理、財(cái)務(wù)和資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫。Intel Xeon處理器可以提供高性能計(jì)算能力，確保企業(yè)業(yè)務(wù)的順暢高效。在這個(gè)層次上可以同時(shí)運(yùn)行大量的企業(yè)級(jí)應(yīng)用，由高達(dá)8個(gè)或更多內(nèi)核的處理器來支撐，而且通過大規(guī)模的片上高速緩存來減少上下文相關(guān)性切換，達(dá)到極高的并行計(jì)算速度。

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在單元與控制層(Cell/Control Layer)包含了實(shí)時(shí)控制與人機(jī)交互（HMI）功能，設(shè)備的安全可靠性要求十分關(guān)鍵。在這里，Wind River Hypervisor和Intel多核處理器擁有極佳的用武之地，既可以提供足夠高的性能，而且確保了工業(yè)和高安全應(yīng)用所要求的相互隔離性和可靠性。例如，The Intel Core 2 Duo處理器有兩個(gè)處理器內(nèi)核，一個(gè)內(nèi)核可用來專門運(yùn)行關(guān)鍵性的實(shí)時(shí)控制功能，另一個(gè)內(nèi)核則用來運(yùn)行HMI和其他操作控制臺(tái)等普通的功能。這種多核處理器擁有革命性的性能功耗比，非常適合用于體積受限的環(huán)境。

現(xiàn)場(chǎng)/數(shù)據(jù)層（field /data）對(duì)車間生產(chǎn)線進(jìn)行控制，連接傳感器和控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造流程。在這一層最典型的要求就是節(jié)能，而Intel Atom處理器則非常適合于嵌入式應(yīng)用。其特別的節(jié)能設(shè)計(jì)使功耗降到了2W，為小型控制器和嵌入式控制裝置提供了Intel architecture架構(gòu)的獨(dú)特功能。

利用這樣的“自動(dòng)化金字塔”架構(gòu)，工業(yè)控制系統(tǒng)的開發(fā)人員可以建立各種不同的平臺(tái)，選擇不同的性能水平，卻采用相同的軟件代碼基礎(chǔ)，從而獲得長(zhǎng)期生命周期內(nèi)的支持。設(shè)備制造商也會(huì)發(fā)現(xiàn)，維護(hù)通用處理器中的軟件比那些針對(duì)不同應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)容易得多，因?yàn)镮ntel處理器是由廣泛的生態(tài)體系來提供豐富而且成熟的開發(fā)工具。例如，作為Intel嵌入式和通信聯(lián)盟（Intel Embedded and Communications Alliance）的成員之一，Wind River和Intel攜手合作，確保兩家公司提供的解決方案可以在最短時(shí)間內(nèi)充分發(fā)揮Intel處理器中的全部性能特性。

以Wind River Hypervisor實(shí)現(xiàn)虛擬化
Wind River hypervisor提供了將一個(gè)物理板劃分成多個(gè)虛擬板的分區(qū)（partition）能力(如圖3所示)。每個(gè)虛擬板既可以運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)，也可以運(yùn)行一個(gè)最小執(zhí)行。你可以用配置工具來對(duì)板上的處理器內(nèi)核、內(nèi)存和外設(shè)進(jìn)行分區(qū)。處理器內(nèi)核可以被排他性地分配給一個(gè)虛擬板，或者通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法來由多個(gè)虛擬板來共享。內(nèi)存也可以進(jìn)行分區(qū)，以便每個(gè)虛擬板擁有其專用的內(nèi)存空間，從而不會(huì)打擾或影響其他的虛擬板。為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)虛擬板之間的通信，可以分配一定數(shù)量的共享內(nèi)存空間。串行通信接口和以太網(wǎng)接口也都可以指定給某個(gè)虛擬板或者由多個(gè)虛擬板共享。

圖3 Wind River hypervisor的分區(qū)功能

有了Hypervisor，就可以利用其中的虛擬板機(jī)制為那些現(xiàn)有的私有操作系統(tǒng)分配專門的虛擬板，而其他的虛擬板則運(yùn)行通用的商業(yè)化操作系統(tǒng)，這就為企業(yè)從私有平臺(tái)向商業(yè)化平臺(tái)的遷移提供了一種平滑過渡的途徑，也為企業(yè)更順暢地從舊的硬件環(huán)境升級(jí)到新的硬件環(huán)境提供了途徑。

Wind River Hypervisor是風(fēng)河多核軟件解決方案中的組成部分，其中提供了許多工業(yè)設(shè)備制造商充分利用多核潛力所必需的技術(shù)。Wind River Hypervisor既可用于Intel單核處理器，也可用于多核處理器，從而在保持應(yīng)用隔離的前提下提供了極高的性能。

應(yīng)對(duì)未來安全與性能的需求
多核和虛擬化的組合運(yùn)用為工業(yè)設(shè)備和交通運(yùn)輸設(shè)備制造商應(yīng)對(duì)未來的安全與計(jì)算性能需求提供了絕佳的途徑。也正是通過這個(gè)途徑，來自Intel和風(fēng)河兩家公司的硬件和軟件技術(shù)合為一體，共同幫助設(shè)備開發(fā)廠商，采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法來實(shí)現(xiàn)硬件資源在時(shí)間和空間的分隔管理和使用。Intel獨(dú)特的多核處理器性能和Intel Virtualization 技術(shù)為應(yīng)用提供了虛擬化的硬件環(huán)境，而風(fēng)河則提供了軟件框架，其中包括了經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的VxWorks for DO-178B 或 IEC61508操作系統(tǒng)和先進(jìn)的Wind River hypervisor。OEM廠商在爭(zhēng)取獲得IEC61508-Part 3或者其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證時(shí)，也將從Wind River與Intel Architecture處理器的組合中受益匪淺。這樣的組合為實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境的安全性和可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的保證。