工控独家 | 实时虚拟化技术是什么？

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发表时间：2025-01-03

在实时系统中，虚拟化技术的应用需满足极为严苛的时间约束和可预测性标准。为了迎合这些高标准需求，实时虚拟化技术应运而生，专为实时操作系统提供虚拟化支持，同时确保其实时性能不受影响。本文深入探讨了实时虚拟化技术在实时Linux系统中的具体实现策略。

实时虚拟化技术的实现

虚拟化管理

实时虚拟化技术普遍采用类虚拟机管理程序（VMM）架构，其中实时VMM作为底层软件直接运行于硬件之上，肩负起虚拟机调度、资源分配及硬件虚拟化等多重职责。该实时VMM往往基于硬件虚拟化扩展（例如Intel VT-x或AMD-V）构建，并针对实时工作负载进行了深度优化。

在实时VMM的支撑下，实时虚拟机（RTVM）得以运行，为实时操作系统提供一个独立且隔离的环境。实时VMM精心管理和调度RTVMs，确保它们严格遵守时间约束。

实时调度

实时调度是实时虚拟化技术的核心构成部分。实时VMM倾向于采用诸如率单调调度（RMS）或最高优先级调度（HPF）等实时调度算法，以确保实时任务的时间约束得以满足。

在RMS机制下，每个RTVM被分配一个固定的CPU带宽，实时VMM依据这些带宽值进行精准调度。而在HPF机制中，实时VMM则根据RTVMs的优先级来安排调度，始终赋予优先级最高的RTVM运行权限。

为了进一步缩减虚拟机切换所带来的开销，实时VMM还融入了诸如中断虚拟化、内存映射优化以及设备直通等多种优化技术。

实时内存管理

对于实时系统而言，内存管理的重要性不言而喻。实时VMM通常采用诸如伙伴系统、slab分配器或预留内存池等专门的内存管理策略，以确保内存分配和回收的可预测性，有效防止内存碎片化和延迟波动。

此外，实时VMM还支持直通内存映射功能，使RTVMs能够直接访问物理内存，从而规避了额外的内存复制开销。

实时设备虚拟化

实时虚拟化技术需要确保设备访问的实时性能，主要通过以下两种方式实现：

设备直通：将硬件设备直接分配给特定的RTVM，由其直接访问。这种方式能够提供最佳的实时性能，但前提是硬件需支持直通功能。

实时设备驱动程序：在实时VMM中实现专用的实时设备驱动程序，通过这些驱动程序来访问硬件设备。这种方式在设备隔离和安全性方面表现更佳，但可能会带来一定的性能开销。

实时虚拟化技术实现示例

在实时Linux系统中，存在多种实时虚拟化技术的实现方案：

Real-Time KVM（RT-KVM）：基于KVM虚拟化技术构建的实时虚拟化解决方案。通过对KVM进行实时优化，实现了在Linux系统上运行RTVMs。RT-KVM引入了实时调度和内存管理机制，并支持设备直通和实时设备驱动程序。它还提供了实时内存映射和中断虚拟化等优化技术，以显著提升性能和可预测性。

实时Xen（RT-Xen）：将Xen虚拟机管理程序与实时Linux操作系统相结合，提供实时虚拟化支持。RT-Xen对Xen的调度程序和内存管理模块进行了修改，以满足实时系统的需求。它支持多种实时调度算法，如RMS和HPF，并提供了实时内存管理和设备直通功能。此外，它还采用了诸如中断虚拟化和实时设备驱动程序等多种优化技术，以提升实时性能。

实时QEMU（RT-QEMU）：RT-QEMU 是一个理论概念，目前并没有正式的、广泛应用的实现。QEMU 是一个通用的开源模拟器和虚拟化工具，通常与 KVM 配合使用。尽管部分研究团队尝试对 QEMU 进行实时优化，但这些实现大多是实验性的，未发展为正式项目。