虚拟化技术介绍

虚拟化（Virtualization）技术最早出现在20世纪60年代的IBM大型机系统，在70年代的System 370系列中逐渐流行起来。这些机器通过一种叫虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）的程序在物理硬件之上生成许多可以运行独立操作系统软件的虚拟机（Virtual Machine）实例。

随着近年计算机技术的进步，无论是服务器市场、桌面市场，还是嵌入式市场，处理器的频率和核心数目都出现了巨大的进步，从而带来了处理能力的迅速增长，使得虚拟化技术再次迅速发展起来，并从最初的的 裸机虚拟化 技术开始，演化出 主机虚拟化 、 混合虚拟化 等更复杂的虚拟化模型，并在此基础山发展出了当下最热门的 云虚拟化 技术，极大地降低了IT成本，增强了系统的安全性，可靠性和扩展性。

在计算机领域，虚拟化是一个广义的概念。简而言之，虚拟化是指对计算机资源的抽象。虚拟机最初被Popek和Goldberg定义为物理机器的一个或多个隔离的有效复制[16]。J.E. Smith和RaviNair给出了一个更具体化的定义：虚拟机是通过在物理平台上添加的软件给出的一个或多个不同的平台。一个虚拟机可以有一个操作系统和指令集，或者两者都有，可以不同于底下的真实的硬件。

虚拟化技术的本质在于对计算机系统软硬件资源的划分和抽象。计算机系统的高度复杂性是通过各种层次的抽象来控制，每一层都通过层与层之间的接口对底层进行抽象，隐藏底层具体实现而向上层提供较简单的接口。

计算机系统包括五个抽象层：硬件抽象层，指令集架构层，操作系统层，库函数层和应用程序层。相应地，虚拟化可以在每个抽象层来实现。无论是在哪个抽象层实现，其本质都是一样的，那就是它使用某些手段来管理分配底层资源，并将底层资源反映给上层。操作系统上传统的进程模型就利用了虚拟化的思想，操作系统通过对物理内存的划分和抽象，给每个进程呈现出远超出物理内存空间的4G空间，并且使得每个进程实现了有效的隔离，从而一个进程的崩溃不会影响到其它进程的正常运行。

虚拟化平台是操作系统层虚拟化的实现。在系统虚拟化中，虚拟机（VM）是在一个硬件平台上模拟一个或者多个独立的和实际底层硬件相同的执行环境。每个虚拟的执行环境里面可以运行不同的操作系统，即客户机操作系统（Guest OS）。Guest OS通过虚拟机监控器提供的抽象层来实现对物理资源的访问和操作。目前存在各种各样的虚拟机，但基本上所有虚拟机都基于"计算机硬件 + 虚拟机监视器（VMM）+ 客户机操作系统（Guest OS）"的模型。

虚拟机监控器是计算机硬件和Guest OS之间的一个抽象层，它运行在最高特权级，负责将底层硬件资源加以抽象，提供给上层运行的多个虚拟机使用，并且为上层的虚拟机提供多个隔离的执行环境，使得每个虚拟机都以为自己在独占整个计算机资源。虚拟机监控器可以将运行在不同物理机器上的操作系统和应用程序合并到同一台物理机器上运行，减少了管理成本和能源损耗，并且便于系统的迁移。

根据虚拟机监视器在虚拟化平台中的位置，可以将其分为以下3种模型：

虚拟机监视器采用的虚拟化技术分为以下4种：

嵌入式系统是虚拟化技术的新方向和重要分支。

嵌入式处理器的迅速发展使得嵌入式系统在更多方面得到了广泛的应用。而嵌入式设备应用的普及导致其对软硬件的需求也越来越高。硬件体现在不断增强的计算能力和多种多样的外部设备，软件体现在愈加复杂的新功能特性。这些问题导致嵌入式开发变得复杂和软件维护成本的增加。原来的SMP和AMP等多核操作系统方案无法满足安全隔离、硬件资源分配和复用等日益复杂的要求。因此，服务器和桌面系统上的虚拟化技术被引入了嵌入式操作系统领域，并借助于硬件辅助虚拟化技术，解决了虚拟化技术带来的便利性与嵌入式系统得实时性要求之间的矛盾，使得以Linux KVM、Xen等嵌入式虚拟化平台得到了迅速发展。

虚拟化平台在硬件和操作系统之间引入了一个新的抽象层次，称为虚拟机监控器(Virtual Machine Monitor，简称VMM)，由它接管所有的硬件，并管理运行其上的所有虚拟机(Virtual Machine，简称VM)，而每个虚拟机中可以运行各自的操作系统。

虚拟化的优点在于实现了资源的重用，使得一个物理平台上面可以同时运行多个不同的操作系统。通过利用系统虚拟化技术，可以在嵌入式设备中同时运行实时操作系统和通用操作系统，分别发挥各自的优势——实时操作系统处理实时任务，通用操作系统提供丰富的应用程序，它们彼此分工协作，发挥各自的优势，同时满足各种不同的需求。

但与此同时，虚拟化平台技术也引入了新问题。不少嵌入式系统对实时性能都有比较高的要求，而虚拟机与虚拟机监控器间的切换导致处理器操作模式的切换和上下文的切换，会增加系统的响应时间，从而增加实时系统的时间不确定性，影响了实时系统的性能。虚拟机对运行于其上的应用程序的隔离又增加了虚拟机监控器的精确调度的难度，目前的虚拟机监控器也只能基于虚拟机的优先级或者时间片分配而进行粗粒度的调度。此外，现存的虚拟化平台技术主要基于X86等通用计算机平台，对ARM、MIPS等嵌入式处理器支持不够，在功能性和稳定性上都有所缺失。

综上所述，虚拟化可以解决嵌入式系统目前面临的不少问题，带来很多方便，但由于现存虚拟化解决方案（如KVM和XEN）在设计之初并没有考虑嵌入式系统的特殊需求，从导致功能性、实时性、稳定性都有所缺失。

一、什么是虚拟化

虚拟化是一个广义的术语，是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行，是一个为了简化管理，优化资源的解决方案。如同空旷、通透的写字楼，整个楼层几乎看不到墙壁，用户可以用同样的成本构建出更加自主适用的办公空间，进而节省成本，发挥空间最大利用率。这种把有限的固定的资源根据不同需求进行重新规划以达到最大利用率的思路，在IT领域就叫做虚拟化技术。

虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。

虚拟化技术也与VMware Workstation等同样能达到虚拟效果的软件不同，是一个巨大的技术进步，具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面。

虚拟化技术有很多定义，下面就给出了一些这样的定义。

“虚拟化是以某种用户和应用程序都可以很容易从中获益的方式来表示计算机资源的过程，而不是根据这些资源的实现、地理位置或物理包装的专有方式来表示它们。换句话说，它为数据、计算能力、存储资源以及其他资源提供了一个逻辑视图，而不是物理视图。” —— Jonathan Eunice， Illuminata Inc。

“虚拟化是表示计算机资源的逻辑组（或子集）的过程，这样就可以用从原始配置中获益的方式访问它们。这种资源的新虚拟视图并不受实现、地理位置或底层资源的物理配置的限制。” —— Wikipedia

“虚拟化：对一组类似资源提供一个通用的抽象接口集，从而隐藏属性和操作之间的差异，并允许通过一种通用的方式来查看并维护资源。” —— Open Grid Services Architecture Glossary of Terms。

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