虛擬化：使軟件盡早插手系統設計

軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)令人著(zhù)迷的產(chǎn)業(yè)。在過(guò)去這些年來(lái)，隨著(zhù)開(kāi)發(fā)商不斷的采用新的編程語(yǔ)言(從Fortran到Pascal再到C++及其他更高級的語(yǔ)言)，它也在不斷的改變著(zhù)。但是，盡管開(kāi)發(fā)商很容易注意到軟件本身可以推動(dòng)創(chuàng )新，但是很少考慮他們基礎設施應對變化的可能手段。在虛擬化發(fā)展過(guò)程中 ，這將有所改變。

當第一個(gè)嵌入式設備出現時(shí)，眾所周知，軟件根本不存在;所有的功能建立在硬件中。隨著(zhù)微處理器的引入，軟件內容出現了，但是仍然在整體系統中只占一小部分。在過(guò)去二十年，隨著(zhù)軟件規模和復雜性的爆炸性增長(cháng)，嵌入式行業(yè)經(jīng)歷了一個(gè)整體的遷移。今天，軟件是嵌入式系統中提高功能和創(chuàng )新的主要推動(dòng)力。

雖然硬件設計在工具和工藝開(kāi)發(fā)方面得到了重要的投資，但是軟件的開(kāi)發(fā)流程基本上從二十世紀八十年代就保持基本靜態(tài)。硬件產(chǎn)業(yè)得益于良好的標準和流程，但是軟件開(kāi)發(fā)的方法并沒(méi)有跟上，使得程序員從事軟件開(kāi)發(fā)完全是臨時(shí)性的。

這種缺乏基本的軟件開(kāi)發(fā)基礎設施的后果太常見(jiàn)了：成本超支、跟不上日程和質(zhì)量差的軟件。軟件開(kāi)發(fā)目前的辦法可以看出約有三分之二的項目遲于上市，三分之一超過(guò)預算，并且，將近一半的嵌入式設計被取消。即使為工作或者產(chǎn)品的性能增撥資源，也不能使得軟件開(kāi)發(fā)者脫離一貫的碰壁情況。

為什么在嵌入式程序世界存在如此驚人的斷開(kāi)?為什么軟件在設計越來(lái)越復雜時(shí)仍停滯不前?這既不是人也不是設備的問(wèn)題。相反，它是沒(méi)有為輔助軟件發(fā)展設計出精密戰略發(fā)展基礎設施而造成的。

一個(gè)嵌入式設備通常是重新開(kāi)始的，始于硬件且終于軟件。這個(gè)過(guò)程是順序的，由硬件開(kāi)始設計圍繞一定的期望，考慮存儲、MIPS、界面、連接性等等。多種器件放到一塊建立起一個(gè)硬件系統，它才是軟件開(kāi)發(fā)最重要的。這種以硬件為中心，自下而上的方法涉及到許多步驟和多重依賴(lài)關(guān)系，而且只有經(jīng)過(guò)系統整合階段，當軟件實(shí)際在平臺運行時(shí)，這個(gè)系統才能從性能的角度去理解。(相比之下，面向服務(wù)的體系結構(Service-Oriented Architecture,SOA)，這種方法規在設計一個(gè)基礎架構(以支持必要的服務(wù))之前已經(jīng)規劃好了必要的服務(wù))。

自下而上開(kāi)發(fā)方法的主要弱點(diǎn)是，在軟件設計過(guò)程中，它把軟件作為一種后添加的事物，盡管有越來(lái)越多的系統功能依賴(lài)于軟件，而不是硬件。整合在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生的非常晚，從而難以發(fā)現由硬件、設計或者架構引入的錯誤。在許多情況下，開(kāi)發(fā)商不得不重新考慮他們的設計以降低時(shí)間成本和預算。

隨著(zhù)軟件的復雜度達到了新的高度，并且固定程序被證明是付運的主要障礙，以硬件為中心方法的低效和不實(shí)用正在變得越來(lái)越明顯。開(kāi)發(fā)商如何才能戰略性重新思考自己的發(fā)展方法以至于使得他們不再受到硬件的擺布?軟件開(kāi)發(fā)商在系統階段如何能夠較早的進(jìn)入系統設計?這就是虛擬化出現的原因。

虛擬化的先驅

虛擬化技術(shù)用于嵌入式設備開(kāi)發(fā)已經(jīng)好幾年，既作為實(shí)際硬件的替代，也作為復雜系統的設計和調試平臺。在硬件設計產(chǎn)業(yè)，仿真已經(jīng)用于插口和PCB 階段。無(wú)論是設計處理器，PCB或者SOC，硬件開(kāi)發(fā)商可以使用仿真工具，像Mentor、Cadence和Synposys，以建立模型和預測他們系統的行為，而無(wú)需等候真實(shí)物理系統開(kāi)發(fā)出來(lái)。

嵌入式設備之外，我們看到了許多產(chǎn)業(yè)在使用傳統方法碰壁后運用虛擬化方法取得成功。在過(guò)去兩年里，服務(wù)器虛擬化已經(jīng)通過(guò)提高數據中心效率和降低總體成本方面取得了很大的進(jìn)展。虛擬化已經(jīng)解決了這種持續的挑戰，包括服務(wù)器擴散、CPU利用不充分和應用分離。

仿真同時(shí)被引入了許多產(chǎn)業(yè)，如航空航天和國防，應用在他們自己的軟件開(kāi)發(fā)中。通常，這些行業(yè)需要如此復雜的設計，以至于等待了一年或者更多年后才知道硬件是行不通的。隨著(zhù)點(diǎn)解決方案、設計復雜度基本上授權給這些公司投入資源在國內開(kāi)發(fā)虛擬化軟件解決方案，仿真已經(jīng)在國內發(fā)展起來(lái)了。

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)行業(yè)正處在一個(gè)既不是傳統的、以硬件為中心的開(kāi)發(fā)方法，也不是內部的點(diǎn)上，一次過(guò)的虛擬軟件開(kāi)發(fā)解決方案在這個(gè)競爭激烈的市場(chǎng)，必須能夠提供快速的產(chǎn)品上市時(shí)間、節約成本和質(zhì)量保證。嵌入式設備中軟件內容的角色沒(méi)有任何下降的趨勢，多核器件的增長(cháng)將前所未有的復雜性加入到了硬件和軟件中。必然走向多核設計，只需強調對軟件開(kāi)發(fā)解決方案需求，從而能夠充分利用多核設備的潛在性能。

當前的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)已經(jīng)使公司戰略地重新審視和反思自己的過(guò)程是必要的，不僅僅在設備階段，還要在過(guò)程設計階段 。我們可以從中知道硬件產(chǎn)業(yè)確實(shí)需要仿真，但是我們也需要虛擬化，更進(jìn)一步說(shuō)，作為一個(gè)基礎的、根本的設施引入到我們自己的產(chǎn)業(yè)中。

虛擬化軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)產(chǎn)品發(fā)展戰略，它可以將軟件開(kāi)發(fā)從依賴(lài)于物理硬件(在其上，應用將被部署)解放出來(lái)。相反，虛擬化軟件開(kāi)發(fā)使得軟件開(kāi)發(fā)商可以直接在桌面上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，制造出一個(gè)真實(shí)的共同發(fā)展戰略，這樣，硬件和軟件開(kāi)發(fā)可以同時(shí)進(jìn)行。軟件/硬件集成是前端的優(yōu)先，而不是后端的急于求成。

虛擬化軟件的開(kāi)發(fā)使得開(kāi)發(fā)者制造了高性能，功能準確的硬件模型，可以使得他們在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡早地開(kāi)始調試、測試和優(yōu)化系統。虛擬技術(shù)可以用于不同程度的細節，從處理器到板級到設備，在這樣的精度水平，二進(jìn)制代碼可以不變運行且不會(huì )伴隨任何行為上的分歧。

物理硬件測試過(guò)程中，高性能虛擬平臺不同程度的控制是不可能的。必然的，當同樣的條件應用，軟件往往以相同的方式執行的固有性質(zhì)成為了虛擬測試的一個(gè)實(shí)際。隨著(zhù)處理器和硬件在復雜度上的提高，必然也就意味著(zhù)在操作的過(guò)程中沒(méi)有其他的改變不是由于軟件的追蹤缺陷造成的，而是由硬件引起的往往難以察覺(jué)的變化，這個(gè)變化也就產(chǎn)生了所謂的“海森堡蟲(chóng)子”(Heisenbug)，依賴(lài)于細小的時(shí)鐘干擾的狀態(tài)有的時(shí)候是不可能復制的，甚至是在整個(gè)系統反復重新運行過(guò)程中。仿真基礎設施背后的虛擬平臺使得開(kāi)發(fā)者可以單步驟或者停止系統來(lái)檢查他們的內部轉臺。開(kāi)發(fā)者可以在仿真多核處理器內核和每個(gè)內核的多個(gè)過(guò)程中不斷的復制一個(gè)錯誤，從而使得多核處理器調試就像調試一個(gè)單一處理器的單一程序一樣簡(jiǎn)單。