盟通技術(shù)干貨：通過(guò)Hypervisor技術(shù)在對(duì)稱多處理（SMP）處理器上實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)部署

SMP和AMP不同的特點(diǎn)

隨著多核處理器的出現(xiàn)，為了提高整個(gè)系統(tǒng)性能，誕生了不同的可部署技術(shù)。多處理主要有兩種類型：對(duì)稱多處理（SMP）和非對(duì)稱多處理（AMP）。

在SMP中，所有處理器或CPU內(nèi)核都被認(rèn)為是平等的，可以分享相同的系統(tǒng)資源，例如：操作系統(tǒng)、主存的地址空間、I/O和外部設(shè)備等；而AMP中，每個(gè)處理器或CPU有它們自己的軟件，它們獨(dú)立于其他處理器或內(nèi)核來(lái)處理應(yīng)用程序。

AMP的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于，每個(gè)CPU在處理特定的應(yīng)用程序時(shí)，不會(huì)被其他CPU的任務(wù)打斷。正如前面所說(shuō)，在AMP中每個(gè)處理器都有自己?jiǎn)为?dú)的內(nèi)核處理邏輯。這樣的設(shè)計(jì)更適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性需求。

詳細(xì)的內(nèi)容可以看文末最后對(duì)SMP和AMP不同架構(gòu)的討論。

而我們提出了一種新的解決方案，通過(guò)Hypervisor技術(shù)對(duì)SMP架構(gòu)的CPU進(jìn)行資源劃分，讓其每個(gè)分割部分運(yùn)行獨(dú)立的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，同時(shí)保證其不會(huì)被其他CPU的任務(wù)打斷。

在SMP架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)部署

SMP架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)單操作系統(tǒng)——Linux使用多個(gè)CPU內(nèi)核

在SMP中，大多數(shù)情況下一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)單一的操作系統(tǒng)，如Linux。操作系統(tǒng)可以利用多個(gè)處理器或CPU內(nèi)核來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)中的各種應(yīng)用程序。

02

SMP架構(gòu)CPU采用共享內(nèi)存

在SMP中各個(gè)CPU通過(guò)共享內(nèi)存空間的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所有的處理器都可以平等地訪問(wèn)內(nèi)存、I/O和外部中斷。

03

SMP架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)部署——實(shí)時(shí)Linux使用多個(gè)CPU內(nèi)核

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)上，單個(gè)計(jì)算系統(tǒng)上部署多個(gè)操作系統(tǒng)變得越來(lái)越普遍。在使用SMP的管理程序解決方案中，多個(gè)不同的操作系統(tǒng)(例如Windows + real-time Linux)可以各自獨(dú)立地利用一組多個(gè)處理器或CPU內(nèi)核。

Hypervisor技術(shù)可以很好的管理這些CPU內(nèi)核，正如之前所述的SMP的兩大特性：多核心處理單任務(wù)及共享內(nèi)存。在工業(yè)控制中為了保證實(shí)時(shí)性，必須確保運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)的CPU不被其他應(yīng)用占用；必須保證實(shí)時(shí)任務(wù)的內(nèi)存不被其他應(yīng)用占用。這些都需要Hypervisor在底層邏輯上將其完全劃分開(kāi)。通過(guò)Hypervisor技術(shù)，我們可以將專用的CPU和內(nèi)存分配給實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。讓其他操作系統(tǒng)的應(yīng)用不能”觸碰“這些資源，

相比于直接使用異構(gòu)的CPU，SMP+Hypervisor的優(yōu)勢(shì)還在于可以按需分配整個(gè)設(shè)備資源，而AMP的異構(gòu)則是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就固定的了。比如說(shuō)，我的實(shí)際應(yīng)用需要更強(qiáng)大的非實(shí)時(shí)應(yīng)用，需要更多相關(guān)資源。相比之下，AMP在異構(gòu)實(shí)現(xiàn)上就有很大的限制，無(wú)法按需分配，有時(shí)候不得不對(duì)應(yīng)用做減法。而SMP+Hypervisor則可以靈活的傾斜更多資源給非實(shí)時(shí)應(yīng)用，而給實(shí)時(shí)應(yīng)用的資源可能只需要整個(gè)CPU核心的10%。

Hypervisor技術(shù)不僅僅可以構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，他還可以構(gòu)建多個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，只要硬件的資源足夠豐富，多個(gè)不同的操作系統(tǒng)部署在同一個(gè)硬件上面是完全可行的。

SMP和AMP不同架構(gòu)的討論

對(duì)稱多處理（SMP）

SMP通常用于高端計(jì)算，這些計(jì)算環(huán)境需要大量的計(jì)算能力去執(zhí)行應(yīng)用程序任務(wù)和進(jìn)程，許多多處理系統(tǒng)使用SMP架構(gòu)。SMP最適用于分時(shí)（timesharing）和多線程時(shí)間共享系統(tǒng)。分時(shí)是指將計(jì)算資源同時(shí)分配給多個(gè)用戶。類似地，多線程是中央處理器(CPU)的一個(gè)特性，它允許單個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。更具體地說(shuō)，多線程允許指令的多個(gè)線程獨(dú)立執(zhí)行，所有線程共享相同的處理資源。分時(shí)操作系統(tǒng)也使用SMP。這是因?yàn)橛?jì)算資源可以分配給多個(gè)用戶，多個(gè)進(jìn)程可以并行運(yùn)行。SMP支持該進(jìn)程，SMP旨在在不同的處理單元上運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。出于同樣的原因，SMP也是多線程的。這是因?yàn)槎嗑€程同時(shí)處理多個(gè)進(jìn)程，而SMP在每個(gè)處理器之間劃分線程。但是，SMP通常不會(huì)用于那些未針對(duì)多線程編程進(jìn)行修改的pc或應(yīng)用程序。應(yīng)用程序和程序集應(yīng)該設(shè)計(jì)成允許多線程。允許在不同的并行處理器上調(diào)度線程。

? SMP架構(gòu)CPU采用共享內(nèi)存

不對(duì)稱多處理(AMP)

傳統(tǒng)的單處理器系統(tǒng)提供的執(zhí)行環(huán)境與非對(duì)稱多處理的工作方式非常相似。它提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方式來(lái)移植代碼，并提供了一種控制CPU使用的直接機(jī)制。在大多數(shù)情況下，你可以使用標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試工具和技術(shù)。AMP系統(tǒng)可以是同構(gòu)的(每個(gè)CPU運(yùn)行相同類型和版本的操作系統(tǒng))或異構(gòu)的(每個(gè)CPU運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)或相同操作系統(tǒng)的不同版本)。此外，AMP最有可能用于不同的CPU架構(gòu)對(duì)特定應(yīng)用的優(yōu)化，如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和微控制器(MCU)。在AMP系統(tǒng)中，可以在每個(gè)處理器或CPU內(nèi)核上部署不同的操作系統(tǒng)。

如果你的操作系統(tǒng)支持特定的分布式編程模型，則可以充分利用同構(gòu)環(huán)境中的多個(gè)cpu。在特定CPU上運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)⒛軌蚺c其他CPU上的應(yīng)用程序和系統(tǒng)服務(wù)(例如，協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等)透明地通信，而不需要傳統(tǒng)的處理器間通信所帶來(lái)的高CPU負(fù)載。在異構(gòu)系統(tǒng)中，必須選擇兩個(gè)共享公共基礎(chǔ)資源(最常見(jiàn)的是基于ip的)的操作系統(tǒng)，或者為處理器間的通信實(shí)現(xiàn)專有的通信方案。操作系統(tǒng)還應(yīng)該提供訪問(wèn)共享硬件組件的機(jī)制，以幫助避免資源沖突。使用AMP，應(yīng)用程序使用的共享硬件資源必須在CPU之間分配。外設(shè)、物理內(nèi)存以及中斷處理等資源通常是在啟動(dòng)時(shí)靜態(tài)分配的。

動(dòng)態(tài)分配資源會(huì)導(dǎo)致CPU之間復(fù)雜的協(xié)調(diào)。在AMP系統(tǒng)中，即使其他CPU空閑，一個(gè)進(jìn)程也總是運(yùn)行在同一個(gè)CPU上。因此，CPU可能會(huì)輕負(fù)荷或過(guò)載。為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)可以允許應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)地從一個(gè)CPU遷移到另一個(gè)CPU。然而，這可能涉及復(fù)雜的狀態(tài)信息檢查，如果應(yīng)用程序在一個(gè)CPU上停止，而在另一個(gè)CPU上重新啟動(dòng)，可能會(huì)中斷服務(wù)。此外，如果cpu運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，這樣的遷移即使不是不可能，也是非常困難的。

? 使用AMP在不同的cpu上分區(qū)內(nèi)存和I/O

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