虛擬化和性能優(yōu)化 - 嵌入式虛擬化簡(jiǎn)化Android遷移

　　嵌入式開(kāi)發(fā)人員總是不信任“阻擋其與硬件親密接觸”的軟件。 在智能設(shè)備發(fā)展初期，面向硬件的開(kāi)發(fā)人員不喜歡使用高級(jí)語(yǔ)言，而偏好匯編代碼，以期從“裸機(jī)”中獲取更多性能。不久，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)便成了一種“感知瓶頸”。再之后，Linux和Android之類(lèi)的應(yīng)用操作系統(tǒng)進(jìn)一步加深了癡迷性能的工程師、產(chǎn)品??理和最終用戶(hù)的不快。

　　而如今，移動(dòng)/嵌入式虛擬化又形成了一個(gè)抽象層。它雖然提高了生產(chǎn)效率，但卻使開(kāi)發(fā)人員及其代碼進(jìn)一步“遠(yuǎn)離”底層硬件，使開(kāi)發(fā)人員無(wú)法深入發(fā)掘他認(rèn)為的通過(guò)“裸機(jī)執(zhí)行所具有的性能優(yōu)勢(shì)”。

　　說(shuō)起來(lái)也許令人難以置信，但在許多應(yīng)用方面，虛擬化不僅只產(chǎn)生極小的性能開(kāi)銷(xiāo)，而且還能夠提高吞吐量和響應(yīng)速度，這主要得益于內(nèi)存利用率的提升和對(duì)microvisor IPC的利用。使用了GTKPerf基準(zhǔn)測(cè)試套件針對(duì)常見(jiàn)GTK+ UI框架執(zhí)行的測(cè)試結(jié)果如表1所示。GTKPerf提供了一個(gè)通用測(cè)試平臺(tái)，運(yùn)行預(yù)定義的GTK+窗口小部件(打開(kāi)組合框、切換按鈕、滾動(dòng)文本等)來(lái)衡量設(shè)備或平臺(tái)的運(yùn)行速度。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://gtkperf.sourceforge.net/。

　　下表是我們?cè)谠辑h(huán)境和虛擬化環(huán)境中運(yùn)行GTKPerf時(shí)得到的實(shí)際耗時(shí)及開(kāi)銷(xiāo)結(jié)果。對(duì)于Android圖形及平臺(tái)中的其他子系統(tǒng)，結(jié)果應(yīng)該與此類(lèi)似。

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　　表1：原始環(huán)境與虛擬化環(huán)境下的GTK執(zhí)行性能。

　　下面我們來(lái)探討一些更深入的microvisor實(shí)現(xiàn)示例，這些實(shí)現(xiàn)真實(shí)提高了Android等客戶(hù)操作系統(tǒng)的性能，這種性能提升在ARM9系列低成本芯片上尤為明顯。

　　快速地址空間切換

　　像OKL4這樣設(shè)計(jì)精良的microvisor并不依賴(lài)于其托管的客戶(hù)操作系統(tǒng)，并且能夠在不同客戶(hù)機(jī)和客戶(hù)機(jī)進(jìn)程間提供快速、低延遲的上下文切換。Android軟件架構(gòu)構(gòu)建于相互隔離的組件之上，這些組件借助自定義IPC機(jī)制進(jìn)行通信。與傳統(tǒng)基于Linux的環(huán)境相比，該架構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更多的進(jìn)程間通信，每次切換進(jìn)程上下文都需要刷新全部緩存。如果常規(guī)Linux中的上下文切換會(huì)產(chǎn)生延遲和內(nèi)存總線(xiàn)占用，那么Android的情形可想而知。

　　為提高Android的性能，OKL4會(huì)維護(hù)此類(lèi)上下文切換的相關(guān)高速緩存狀態(tài)，以提高高速緩存利用率，這樣不僅縮短了上下文切換延遲，而且還提高了整體性能。

　　將內(nèi)存占用降至最小

　　OKL4 Microvisor針對(duì)性能和內(nèi)存使用進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于Android與Linux或OKL4 Microvisor這類(lèi)基于微內(nèi)核的環(huán)境，直接比較滿(mǎn)棧占用的內(nèi)存大小非常困難。顯然，Android與Linux就連提供的服務(wù)范圍都各不相同。

　　不過(guò)，值得注意的是，OKL4微內(nèi)核本身只占用幾十KB，而Android和Linux的內(nèi)核都是以MB來(lái)衡量的。雖然OKL4與生俱來(lái)的小尺寸并不能將系統(tǒng)占用降至最小，但是這個(gè)小尺寸基礎(chǔ)平臺(tái)與一系列附加組件相互集成就形成了一個(gè)輕量級(jí)準(zhǔn)虛擬化平臺(tái)──OK:Android。與Xen或KVM之類(lèi)的企業(yè)和桌面hypervisor(包含整個(gè)Linux內(nèi)核)相比，OKL4真的非常小巧。

　　擴(kuò)展架構(gòu)及其應(yīng)用

　　本文介紹的系統(tǒng)架構(gòu)旨在演示在虛擬化環(huán)境中運(yùn)行Android及相關(guān)軟件的簡(jiǎn)單和實(shí)用之處。這一結(jié)構(gòu)有可能為Android以外的其他客戶(hù)操作系統(tǒng)提供同樣的支持。 為方便操作系統(tǒng)集成，OK Labs提供了多種常見(jiàn)移動(dòng)/嵌入式操作系統(tǒng)的準(zhǔn)虛擬化版本，其中包括OK:Linux和OK:Symbian，以及協(xié)助開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)虛擬化幾乎任何開(kāi)源操作系統(tǒng)的工具和服務(wù)。

　　除此以外，該設(shè)計(jì)類(lèi)型并不局限于移動(dòng)應(yīng)用或Beagle Board。為方便在廣泛的移動(dòng)設(shè)備上使用，OKL4支持ARMv5、ARMv6和ARMv7架構(gòu)。這種廣泛支持使得能夠輕松將Android及其他受支持操作系統(tǒng)遷移到其他CPU和SoC，以及Beagle Board開(kāi)發(fā)環(huán)境或移動(dòng)應(yīng)用以外的設(shè)備類(lèi)型;如今，已有超過(guò)5億部設(shè)備采用了OKL4。

　　由于OKL4使用了相同的虛擬化架構(gòu)，因此能夠輕松地支持在以下設(shè)備上運(yùn)行的高級(jí)操作系統(tǒng)(如Android、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及針對(duì)特定目的構(gòu)建的平臺(tái))：上網(wǎng)本，Webpad、機(jī)頂盒與數(shù)字錄像機(jī)、高清電視、車(chē)載系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備──實(shí)際上是支持任何基于ARM的設(shè)備。

　　本文小結(jié)

　　借助虛擬化設(shè)計(jì)，OEM及開(kāi)發(fā)人員不但能夠簡(jiǎn)化遷移和集成，還能夠享受軟件組件之間高度隔離所帶來(lái)的穩(wěn)定性和安全性。在Beagle Board上，OKL4 Microvisor提供了一個(gè)穩(wěn)定、可靠托管Android這一流行平臺(tái)的捷徑。請(qǐng)盡情暢想，它能夠?yàn)槟南乱辉O(shè)計(jì)帶來(lái)哪些令人贊嘆的功能。