多核處理器和虛擬化在工業(yè)領(lǐng)域安全性和可靠性中的應(yīng)用分析

在嵌入式市場，一些顛覆性的技術(shù)正在影響著發(fā)展趨勢，并且為設(shè)備制造商帶來前所未有的機遇，對其產(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，最終在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)取得最佳的經(jīng)濟效益。

多核處理器日趨成熟，這就是機遇的開始。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處理核的性能功耗比（Performance PerWatt）?；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，這個事實足以顯示多核應(yīng)用顯著增加的趨勢。

虛擬化技術(shù)是另一個重要的趨勢。借助于對底層處理器內(nèi)核、內(nèi)存和外設(shè)的抽象，這種技術(shù)使得多個虛擬機可以運行在同一個物理板上。虛擬化提供了多操作系統(tǒng)的運行環(huán)境，例如可以在同一個設(shè)備中同時運行高實時性操作系統(tǒng)（例如Wind River VxWorks和通用的操作系統(tǒng)（比如WindRiver Linux）。如圖1所示。

通過多核處理器和虛擬化提升了單個設(shè)備的性能，從而可以把原本需要多個設(shè)備分別運行才能完成的任務(wù)合并到單個設(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)整體運行成本。

虛擬化是由Hypervisor來實現(xiàn)的。Hypervisor具有監(jiān)管功能，可以讓多個運行環(huán)境相互獨立，由此提供了一種隔絕機制，讓每個應(yīng)用都運行在獨立的環(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，政府法令也會提出更多的強制性要求、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)讓同一個系統(tǒng)可以安全地同時運行更多的應(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，就可以把原本運行在不同設(shè)備上的多種應(yīng)用集中在一套系統(tǒng)中運行。而這些應(yīng)用的管理也不會有太多的麻煩。

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。

覆蓋整個企業(yè)的工業(yè)控制解決方案

VxWorks、Wind River Linux和Wind RiverHypervisor可以運行在多種Intel處理器上，并且是由一個開放標(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“自動化金字塔”的層次結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖2 自動化金字塔架構(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、財務(wù)和資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫。IntelXeon處理器可以提供高性能計算能力，確保企業(yè)業(yè)務(wù)的順暢高效。在這個層次上可以同時運行大量的企業(yè)級應(yīng)用，由高達(dá)8個或更多內(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)到極高的并行計算速度。

在單元與控制層（Cell/ControlLayer）包含了實時控制與人機交互（HMI）功能，設(shè)備的安全可靠性要求十分關(guān)鍵。在這里，Wind RiverHypervisor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 2Duo處理器有兩個處理器內(nèi)核，一個內(nèi)核可用來專門運行關(guān)鍵性的實時控制功能，另一個內(nèi)核則用來運行HMI和其他操作控制臺等普通的功能。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/數(shù)據(jù)層（field/data）對車間生產(chǎn)線進(jìn)行控制，連接傳感器和控制機制，實現(xiàn)生產(chǎn)制造流程。在這一層最典型的要求就是節(jié)能，而IntelAtom處理器則非常適合于嵌入式應(yīng)用。其特別的節(jié)能設(shè)計使功耗降到了2W，為小型控制器和嵌入式控制裝置提供了Intelarchitecture架構(gòu)的獨特功能。

利用這樣的“自動化金字塔”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，選擇不同的性能水平，卻采用相同的軟件代碼基礎(chǔ)，從而獲得長期生命周期內(nèi)的支持。設(shè)備制造商也會發(fā)現(xiàn)，維護(hù)通用處理器中的軟件比那些針對不同應(yīng)用專門設(shè)計的硬件系統(tǒng)容易得多，因為Intel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 CommunicationsAlliance）的成員之一，WindRiver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實現(xiàn)虛擬化

Wind Riverhypervisor提供了將一個物理板劃分成多個虛擬板的分區(qū)（partition）能力（如圖3所示）。每個虛擬板既可以運行一個操作系統(tǒng)，也可以運行一個最小執(zhí)行。你可以用配置工具來對板上的處理器內(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虛擬板，或者通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法來由多個虛擬板來共享。內(nèi)存也可以進(jìn)行分區(qū)，以便每個虛擬板擁有其專用的內(nèi)存空間，從而不會打擾或影響其他的虛擬板。為了實現(xiàn)各個虛擬板之間的通信，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虛擬板或者由多個虛擬板共享。

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行通用的商業(yè)化操作系統(tǒng)，這就為企業(yè)從私有平臺向商業(yè)化平臺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)境升級到新的硬件環(huán)境提供了途徑。

Wind RiverHypervisor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 RiverHypervisor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)對未來安全與性能的需求

多核和虛擬化的組合運用為工業(yè)設(shè)備和交通運輸設(shè)備制造商應(yīng)對未來的安全與計算性能需求提供了絕佳的途徑。也正是通過這個途徑，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)化的方法來實現(xiàn)硬件資源在時間和空間的分隔管理和使用。Intel獨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廠商在爭取獲得IEC61508-Part3或者其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證時，也將從Wind River與IntelArchitecture處理器的組合中受益匪淺。這樣的組合為實時虛擬環(huán)境的安全性和可靠性提供了堅實的保證。

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