嵌入式虚拟化技术与应用：ACRN开源项目实践

伴随着物联网设备的指数级增长，在需要高算力的场景，例如软件定义汽车驾驶舱、工业领域的工作负载整合，开源虚拟化技术在嵌入式系统上受到了越来越多的关注和应用。本书首先介绍虚拟化技术的基本原理，包括CPU虚拟化、内存虚拟化、中断虚拟化和设备虚拟化，对比KVM在云服务器上参考实现，重点介绍了开源嵌入式虚拟机ACRN的架构设计、原理和实现。还特别总结了虚拟化系统的实时性能调优方法和功能安全认证实践，以及嵌入式虚拟化技术的典型应用场景案例分析。本书作为嵌入式虚拟化技术入门参考书，通过对ACRN开源软件的介绍，帮助读者从代码开始了解、学习、开发虚拟机软件，掌握嵌入式虚拟化技术并应用于工程实践。

目　　录<br />推荐序一<br />推荐序二<br />前言<br />第1章　虚拟化技术概述　/ 1<br />1.1　虚拟化技术的发展历史　/ 1<br />1.2　VMM模型的分类　/ 3<br />1.3　虚拟化技术的分类　/ 4<br />1.4　云虚拟化与嵌入式虚拟化　/ 5<br />1.4.1　嵌入式虚拟化的背景与原因　/ 5<br />1.4.2　云虚拟化和嵌入式虚拟化<br />　　　的区别　/ 5<br />1.5　嵌入式虚拟化技术的挑战　/ 6<br />1.6　本章小结　/ 7<br />第2章　虚拟化技术原理　/ 8<br />2.1　通用虚拟化架构　/ 8<br />2.1.1　虚拟化的基本概念　/ 8<br />2.1.2　虚拟化技术的基本原理　/ 9<br />2.1.3　虚拟化的主要方式　/ 18<br />2.1.4　VMM的分类　/ 19<br />2.2　云虚拟化和嵌入式虚拟化对比　/ 22<br />2.3　嵌入式虚拟化的场景　/ 23<br />2.4　嵌入式虚拟化技术的特征　/ 23<br />2.5　本章小结　/ 25<br />第3章　开源虚拟化技术—KVM　/ 26<br />3.1　KVM的历史　/ 26<br />3.2　KVM的原理　/ 27<br />3.2.1　KVM的架构　/ 27<br />3.2.2　KVM API及示例　/ 28<br />3.3　KVM虚拟化实现　/ 32<br />3.3.1　KVM的初始化　/ 33<br />3.3.2　KVM虚拟机的创建　/ 35<br />3.3.3　CPU虚拟化　/ 36<br />3.3.4　内存虚拟化　/ 43<br />3.3.5　中断虚拟化　/ 56<br />3.4　设备虚拟化　/ 61<br />3.4.1　仿真设备　/ 61<br />3.4.2　半虚拟化设备　/ 62<br />3.4.3　直通设备　/ 63<br />3.4.4　KVM设备虚拟化实现　/ 64<br />3.5　本章小结　/ 68<br />第4章　嵌入式虚拟化技术—<br />　　　　ACRN实现　/ 69<br />4.1　ACRN简介　/ 69<br />4.1.1　ACRN的由来　/ 69<br />4.1.2　ACRN的关键技术特点　/ 70<br />4.1.3　许可证和社区　/ 71<br />4.2　ACRN应用场景　/ 71<br />4.3　ACRN架构设计　/ 73<br />4.3.1　ACRN 1.0整体架构　/ 73<br />4.3.2　ACRN 2.0/3.0 整体架构　/ 74<br />4.3.3　ACRN的关键组成　/ 75<br />4.3.4　ACRN Hypervisor的架构　/ 76<br />4.4　CPU虚拟化与实现　/ 77<br />4.4.1　处理器管理　/ 79<br />4.4.2　vCPU 生命周期　/ 80<br />4.4.3　vCPU调度　/ 80<br />4.4.4　VMX 初始化　/ 85<br />4.4.5　CPUID 虚拟化　/ 85<br />4.4.6　MSR虚拟化　/ 86<br />4.4.7　CR虚拟化　/ 86<br />4.4.8　IO/MMIO模拟　/ 86<br />4.4.9　指令模拟　/ 87<br />4.4.10　TSC 模拟　/ 88<br />4.4.11　ART虚拟化　/ 88<br />4.4.12　XSAVE虚拟化　/ 89<br />4.5　内存虚拟化及实现　/ 90<br />4.5.1　概述　/ 90<br />4.5.2　Hypervisor物理内存管理　/ 91<br />4.5.3　Hypervisor内存虚拟化　/ 93<br />4.5.4　与EPT相关的VM Exit　/ 96<br />4.5.5　服务虚拟机内存管理　/ 96<br />4.5.6　可信　/ 97<br />4.6　中断虚拟化及实现　/ 98<br />4.6.1　概述　/ 98<br />4.6.2　物理中断　/ 100<br />4.6.3　虚拟中断　/ 105<br />4.6.4　中断重映射　/ 107<br />4.7　I/O虚拟化及实现　/ 110<br />4.7.1　I/O访问捕获路径　/ 111<br />4.7.2　Hypervisor中的I/O模拟　/ 112<br />4.7.3　I/O请求　/ 112<br />4.8　本章小结　/ 115<br />第5章　嵌入式虚拟化技术—<br />　　　　　　　ACRN设备虚拟化　/ 116<br />5.1　ACRN设备模型介绍　/ 116<br />5.2　ACRN全虚拟化设备　/ 119<br />5.2.1　PS/2控制器　/ 119<br />5.2.2　UART串口　/ 121<br />5.2.3　USB设备　/ 122<br />5.2.4　AHCI控制器　/ 125<br />5.2.5　系统时钟　/ 126<br />5.2.6　看门狗设备　/ 131<br />5.2.7　Ivshmem　/ 132<br />5.2.8　显卡设备　/ 134<br />5.3　ACRN的virtio设备　/ 135<br />5.3.1　ACRN的virtio框架实现　/ 135<br />5.3.2　virtio-net　/ 139<br />5.3.3　virtio-blk　/ 141<br />5.3.4　virtio-input　/ 143<br />5.3.5　virtio-console　/ 144<br />5.3.6　virtio-i2c　/ 146<br />5.3.7　virtio-gpio　/ 148<br />5.3.8　virtio-rnd　/ 150<br />5.3.9　virtio-gpu　/ 151<br />5.4　本章小结　/ 152<br />第6章　嵌入式虚拟化技术—<br />　　　　ACRN安装使用　/ 153<br />6.1　系统环境硬件配置　/ 153<br />6.1.1　开发环境搭建　/ 153<br />6.1.2　目标机硬件配置要求　/ 154<br />6.2　ACRN支持三种模式的场景　/ 154<br />6.2.1　共享模式的场景　/ 155<br />6.2.2　分区模式的场景　/ 156<br />6.2.3　混合模式的场景　/ 156<br />6.3　安装部署流程　/ 157<br />6.4　安装部署入门指南　/ 159<br />6.4.1　选择硬件和场景　/ 160<br />6.4.2　准备开发机环境　/ 160<br />6.4.3　准备目标机并生成目标<br />　　　平台配置文件　/ 162<br />6.4.4　编译ACRN　/ 169<br />6.4.5　在目标机上安装ACRN　/ 170<br />6.4.6　启动ACRN和服务<br />　　　　　　虚拟机　/ 171<br />6.4.7　启动用户虚拟机　/ 171<br />6.5　本章小结　/ 172<br />第7章　嵌入式虚拟化技术——实时<br />　　　　性能优化　/ 173<br />7.1　整体架构设计　/ 173<br />7.1.1　实时性的分类　/ 175<br />7.1.2　实时性的优化准则　/ 175<br />7.2　ACRN虚拟机优化　/ 177<br />7.3　CPU优化　/ 179<br />7.4　中断优化　/ 180<br />7.5　内存优化　/ 181<br />7.5.1　缓存分配技术　/ 182<br />7.5.2　软件SRAM　/ 185<br />7.6　I/O虚拟化　/ 186<br />7.6.1　GPU直通　/ 187<br />7.6.2　其他设备虚拟化　/ 188<br />7.7　客户机优化—实时操作系统　/ 188<br />7.8　工具辅助优化　/ 189<br />7.8.1　ACRNTrace介绍　/ 189<br />7.8.2　vmexit命令　/ 191<br />7.8.3　PMU的数据分析　/ 192<br />7.8.4　RTOS的实时性基准测试工具　/ 192<br />7.8.5　Intel TCC的介绍　/ 194<br />7.9　虚拟机间通信　/ 197<br />7.10　本章小结　/ 198<br />第8章　嵌入式实时操作系统　/ 199<br />8.1　RTOS介绍　/ 199<br />8.1.1　常见的RTOS　/ 199<br />8.1.2　从GPOS到RTOS的转换　/ 200<br />8.1.3　RTOS运行在虚拟机上的<br />　　　注意事项　/ 200<br />8.2　Xenomai　/ 201<br />8.2.1　Xenomai的起源　/ 201<br />8.2.2　Xenomai的特性　/ 202<br />8.2.3　Xenomai 3.1系统架构　/ 204<br />8.3　PREEMPT_RT Linux　/ 205<br />8.3.1　PREEMPT_RT Linux的起源　/ 206<br />8.3.2　PREEMPT_RT Linux的发展　/ 206<br />8.3.3　PREEMPT_RT的特性　/ 207<br />8.4　Zephyr　/ 213<br />8.4.1　Zephyr的起源　/ 213<br />8.4.2　Zephyr的特点　/ 213<br />8.4.3　Zephyr的系统架构　/ 214<br />8.4.4　Zephyr的实现　/ 219<br />8.5　本章小结　/ 224<br />第9章　嵌入式虚拟化技术赋能功能安全　/ 226<br />9.1　功能安全背景　/ 226<br />9.2　功能安全概述　/ 227<br />9.2.1　风险概念　/ 229<br />9.2.2　功能安全标准的基本<br />　　　术语与定义　/ 230<br />9.2.3　风险和安全完整性　/ 232<br />9.2.4　系统功能安全　/ 234<br />9.2.5　软件功能安全　/ 236<br />9.3　典型软件安全设计　/ 236<br />9.4　混合关键性系统　/ 239<br />9.4.1　混合关键性系统典型应用场景　/ 239<br />9.4.2　QNX Hypervisor　/ 241<br />9.5　ACRN赋能混合关键性系统　/ 243<br />9.5.1　安全目标　/ 245<br />9.5.2　系统级安全措施　/ 246<br />9.5.3　独立性相关安全措施　/ 247<br />9.5.4　安全分析　/ 248<br />9.5.5　系统化开发流程　/ 249<br />9.5.6　安全状态设计　/ 253<br />9.5.7　安全架构设计　/ 254<br />9.5.8　安全需求概述　/ 256<br />9.5.9　使用限制　/ 261<br />9.6　嵌入式虚拟化技术的功能<br />　　安全价值　/ 265<br />9.7　本章小结　/ 265<br />第10章　应用案例—智能数控<br />　　　　　系统和数字孪生　/ 266<br />10.1　行业概述　/ 266<br />10.2　行业挑战与需求　/ 266<br />10.3　解决方案　/ 267<br />10.4　具体实现　/ 268<br />10.4.1　架构设计　/ 268<br />10.4.2　虚拟机与云端应用的<br />　　　　　　 协同机制　/ 270<br />10.4.3　编译及安装　/ 271<br />10.5　方案优势　/ 272<br />10.6　本章小结　/ 273<br />第11章　应用案例—基于机器视觉和机器<br />　　　　　控制的工作负载整合　/ 274<br />11.1　行业概述　/ 274<br />11.1.1　迈向工业4.0　/ 274<br />11.1.2　物联网中的工作负载整合　/ 275<br />11.1.3　现代工业物联网模型　/ 275<br />11.2　行业挑战与需求　/ 276<br />11.2.1　工业自动化需要数字化转型　/ 276<br />11.2.2　软件定义的基础设施帮助<br />　　　　工业数字化转型　/ 277<br />11.2.3　将软件定义的基础设施应用于<br />　　　　工业自动化　/ 277<br />11.2.4　在工业领域进行工作负载整合<br />　　　　的需求　/ 279<br />11.2.5　工业控制领域的工作负载<br />　　　　整合案例—机器视觉和<br />　　　　机器控制　/ 280<br />11.3　解决方案　/ 281<br />11.3.1　负载整合技术方案—虚拟化<br />　　　　和容器化　/ 281<br />11.3.2　通过虚拟化技术实现工作<br />　　　　负载整合　/ 282<br />11.4　具体实现　/ 284<br />11.4.1　机器视觉—运行在人机交互<br />　　　　虚拟机里　/ 284<br />11.4.2　机器控制—运行在实时<br />　　　　虚拟机里　/ 285<br />11.4.3　服务虚拟机—为整机系统<br />　　　　提供后台服务　/ 285<br />11.4.4　嵌入式虚拟机管理程序—<br />　　　　ACRN Hypervisor　/ 286<br />11.4.5　硬件资源和I/O设备的分配　/ 286<br />11.4.6　虚拟机间通信　/ 287<br />11.4.7　物理硬件平台—基于x86的<br />　　　　工控机　/ 287<br />11.4.8　性能调优　/ 287<br />11.4.9　安装步骤示例　/ 288<br />11.5　方案优势　/ 288<br />11.6　本章小结　/ 289<br />第12章　应用案例—自主移动机器人　/ 290<br />12.1　行业概述　/ 290<br />12.2　行业挑战与需求　/ 290<br />12.3　解决方案　/ 291<br />12.4　具体实现　/ 292<br />12.5　安装步骤示例　/ 295<br />12.6　方案优势　/ 295<br />12.7　本章小结　/ 296<br />第13章　应用案例—软件定义汽车<br />　　　　　驾驶舱　/ 297<br />13.1　行业概述　/ 297<br />13.1.1　多个独立ECU的实现　/ 298<br />13.1.2　软件定义驾驶舱　/ 299<br />13.2　行业挑战与需求　/ 300<br />13.3　解决方案　/ 302<br />13.4　具体实现　/ 303<br />13.4.1　基于x86架构的SoC　/ 304<br />13.4.2　ACRN Hypervisor　/ 304<br />13.4.3　仪表盘系统—服务<br />　　　　虚拟机　/ 304<br />13.4.4　中控娱乐系统—用户<br />　　　　虚拟机　/ 304<br />13.4.5　Intel GVT-g图形显卡共享　/ 305<br />13.5　编译及安装　/ 306<br />13.6　方案优势　/ 307<br />13.7　软件定义驾驶舱的未来展望　/ 307<br />13.8　本章小结　/ 308<br />附录　/ 309<br />附录A　Xenomai及其应用程序的<br />　　　　编译和安装　/ 309<br />附录B　PREEMPT_RT Linux的<br />　　　　编译和安装　/ 316<br />附录C　Zephyr的编译和安装　/ 319<br />附录D　在ACRN上安装运行两个<br />　　　　虚拟机　/ 323<br />附录E　ROS 2安装与使用示例　/ 331<br />技术术语表　/ 335<br />参考文献　/ 342