利用虛擬化簡(jiǎn)化Android遷移

在不到18個(gè)月的時(shí)間里，Google Android平臺已從一名“新生兒”成長(cháng)為全球移動(dòng)市場(chǎng)乃至移動(dòng)領(lǐng)域之外其他智能設備領(lǐng)域內的重要成員。越來(lái)越多的手持設備開(kāi)始部署Android平臺，到2010年末，預計還會(huì )誕生數十種采用Android的手機設計，除此以外，Android在其他領(lǐng)域的應用也日益廣泛。

Android 平臺具有兩大吸引力：Android為OEM提供了一個(gè)功能豐富的開(kāi)源移動(dòng)操作系統，讓設備不僅做到“開(kāi)箱即用”，而且能夠支持第三方應用程序；Android Market應用程序商店中第三方應用程序的產(chǎn)品組合不斷增加，拉升了對基于A(yíng)ndroid的設備的需求，同時(shí)為整個(gè)生態(tài)系統帶來(lái)了新的商機。但另一方面，以Android為目標的設備硬件也為開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了一系列挑戰：內核對CPU及SoC的支持、驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、性能優(yōu)化、與其他系統軟件的整合等等。

本文將探討這些難題，并著(zhù)重講述移動(dòng)/嵌入式虛擬化如何能夠幫助OEM及其他開(kāi)發(fā)人員簡(jiǎn)化Android支持和遷移。特別地，本文將結合使用流行的Beagle Board與OKL4 Microvisor。此外，文中還將以安全VoIP作為應用示例，演示hypervisor技術(shù)如何幫助開(kāi)發(fā)人員構建和部署更加穩健的Android設備及運行于其上的軟件和服務(wù)。

在BeagleBoard及其他硬件上支持Android

Beagle Board (

圖1：圖中架構包含Beagle Board OMAP CPU“裸機”上運行的OKL4 Microvisor。啟動(dòng)時(shí)，系統引導進(jìn)入OKL4，然后由OKL4加載并協(xié)調Android及其他客戶(hù)機軟件的執行。

在特定安全單元(虛擬機)中，microvisor托管：

Android。該組件與其他應用關(guān)鍵型組件完全隔離，以確保添加至該開(kāi)放操作系統平臺中的軟件不會(huì )影響到整個(gè)系統的穩定性或安全性。事實(shí)上，即使Android發(fā)生崩潰或死鎖，OKL4仍可以重新加載/重新啟動(dòng) Android，而不影響其他安全單元中正在運行的軟件(如Linphone)。

Linphone(或其他VoIP棧和應用程序)。在我們的參考設計中，我們移植了Linphone以便直接在OKL4 Microvisor上運行，但如果資源允許的話(huà)，Linphone可以駐留在安全單元中的Linux實(shí)例上。我們的設計有意地將Linphone與 Android隔離開(kāi)來(lái)，以確保Linphone的穩定性和安全性；另一方面，將Linphone托管在OKL4 Microvisor之上還能夠節約內存并提高性能。

音頻及串口驅動(dòng)程序。Android與Linphone共享音頻驅動(dòng)程序，即使用戶(hù)禁用了Android，該驅動(dòng)程序仍能夠為VoIP通話(huà)提供音頻輸入/輸出。串口驅動(dòng)程序是隔離共享的，以支持系統控制臺和調試。

運行系統功能如下：Android作為主操作系統，通過(guò)Beagle Board上的OMAP顯示硬件提供標準的Android用戶(hù)界面呈現給客戶(hù)。用戶(hù)可以使用基于A(yíng)ndroid的VoIP“撥號”應用程序或 Android下運行的Linphone控制臺服務(wù)器來(lái)啟動(dòng)安全的VoIP通話(huà)。通話(huà)啟動(dòng)后，用戶(hù)可以運行其他Android應用程序(游戲、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等)，而不影響VoIP通話(huà)的質(zhì)量或安全性。此時(shí)，即使Android進(jìn)入睡眠模式甚至死機，都不會(huì )導致通話(huà)中斷。

虛擬化和性能優(yōu)化

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。 在智能設備發(fā)展初期，面向硬件的開(kāi)發(fā)人員不喜歡使用高級語(yǔ)言，而偏好匯編代碼，以期從“裸機”中獲取更多性能。不久，實(shí)時(shí)操作系統便成了一種“感知瓶頸”。再之后，Linux和Android之類(lèi)的應用操作系統進(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“遠離”底層硬件，使開(kāi)發(fā)人員無(wú)法深入發(fā)掘他認為的通過(guò)“裸機執行所具有的性能優(yōu)勢”。

說(shuō)起來(lái)也許令人難以置信，但在許多應用方面，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速度，這主要得益于內存利用率的提升和對 microvisor IPC的利用。使用了GTKPerf基準測試套件針對常見(jiàn)GTK+ UI框架執行的測試結果如表1所示。GTKPerf提供了一個(gè)通用測試平臺，運行預定義的GTK+窗口小部件(打開(kāi)組合框、切換按鈕、滾動(dòng)文本等)來(lái)衡量設備或平臺的運行速度。

下表是我們在原始環(huán)境和虛擬化環(huán)境中運行GTKPerf時(shí)得到的實(shí)際耗時(shí)及開(kāi)銷(xiāo)結果。對于A(yíng)ndroid圖形及平臺中的其他子系統，結果應該與此類(lèi)似。

下面我們來(lái)探討一些更深入的microvisor實(shí)現示例，這些實(shí)現真實(shí)提高了Android等客戶(hù)操作系統的性能，這種性能提升在A(yíng)RM9系列低成本芯片上尤為明顯。

快速地址空間切換

像 OKL4這樣設計精良的microvisor并不依賴(lài)于其托管的客戶(hù)操作系統，并且能夠在不同客戶(hù)機和客戶(hù)機進(jìn)程間提供快速、低延遲的上下文切換。 Android軟件架構構建于相互隔離的組件之上，這些組件借助自定義IPC機制進(jìn)行通信。與傳統基于Linux的環(huán)境相比，該架構會(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Linux中的上下文切換會(huì )產(chǎn)生延遲和內存總線(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。

將內存占用降至最小

OKL4 Microvisor針對性能和內存使用進(jìn)行了優(yōu)化。對于A(yíng)ndroid與Linux或OKL4 Microvisor這類(lèi)基于微內核的環(huán)境，直接比較滿(mǎn)棧占用的內存大小非常困難。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微內核本身只占用幾十KB，而Android和Linux的內核都是以MB來(lái)衡量的。雖然OKL4與生俱來(lái)的小尺寸并不能將系統占用降至最小，但是這個(gè)小尺寸基礎平臺與一系列附加組件相互集成就形成了一個(gè)輕量級準虛擬化平臺──OK:Android。與Xen或KVM之類(lèi)的企業(yè)和桌面hypervisor(包含整個(gè)Linux內核)相比，OKL4真的非常小巧。

擴展架構及其應用

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

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

由于OKL4使用了相同的虛擬化架構，因此能夠輕松地支持在以下設備上運行的高級操作系統(如Android、實(shí)時(shí)操作系統及針對特定目的構建的平臺)：上網(wǎng)本，Webpad、機頂盒與數字錄像機、高清電視、車(chē)載系統、醫療設備──實(shí)際上是支持任何基于A(yíng)RM的設備。

本文小結

借助虛擬化設計，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)的穩定性和安全性。在Beagle Board上，OKL4 Microvisor提供了一個(gè)穩定、可靠托管Android這一流行平臺的捷徑。請盡情暢想，它能夠為您的下一設計帶來(lái)哪些令人贊嘆的功能。

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