軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)令人著迷的產(chǎn)業(yè)。在過(guò)去這些年來(lái)，隨著開(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(jí)的語(yǔ)言)，它也在不斷的改變著。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(chǔ)設(shè)施應(yīng)對(duì)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(dāng)?shù)谝粋€(gè)嵌入式設(shè)備出現(xiàn)時(shí)，眾所周知，軟件根本不存在;所有的功能建立在硬件中。隨著微處理器的引入，軟件內(nèi)容出現(xiàn)了，但是仍然在整體系統(tǒng)中只占一小部分。在過(guò)去二十年，隨著軟件規(guī)模和復(fù)雜性的爆炸性增長(zhǎng)，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(tǒng)中提高功能和創(chuàng)新的主要推動(dòng)力。

雖然硬件設(shè)計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)設(shè)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(xiàng)目遲于上市，三分之一超過(guò)預(yù)算，并且，將近一半的嵌入式設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜時(shí)仍停滯不前?這既不是人也不是設(shè)備的問(wèn)題。相反，它是沒(méi)有為輔助軟件發(fā)展設(shè)計(jì)出精密戰(zhàn)略發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施而造成的。

一個(gè)嵌入式設(shè)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(shè)計(jì)圍繞一定的期望，考慮存儲(chǔ)、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(tǒng)，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關(guān)系，而且只有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)整合階段，當(dāng)軟件實(shí)際在平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)才能從性能的角度去理解。(相比之下，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(Service-Oriented Architecture,SOA)，這種方法規(guī)在設(shè)計(jì)一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)(以支持必要的服務(wù))之前已經(jīng)規(guī)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(shè)計(jì)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(tǒng)功能依賴于軟件，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(xiàn)由硬件、設(shè)計(jì)或者架構(gòu)引入的錯(cuò)誤。在許多情況下，開(kāi)發(fā)商不得不重新考慮他們的設(shè)計(jì)以降低時(shí)間成本和預(yù)算。

隨著軟件的復(fù)雜度達(dá)到了新的高度，并且固定程序被證明是付運(yùn)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(zhàn)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(tǒng)階段如何能夠較早的進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)?這就是虛擬化出現(xiàn)的原因。

虛擬化的先驅(qū)

虛擬化技術(shù)用于嵌入式設(shè)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(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試平臺(tái)。在硬件設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)，仿真已經(jīng)用于插口和PCB 階段。無(wú)論是設(shè)計(jì)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(yù)測(cè)他們系統(tǒng)的行為，而無(wú)需等候真實(shí)物理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出來(lái)。

嵌入式設(shè)備之外，我們看到了許多產(chǎn)業(yè)在使用傳統(tǒng)方法碰壁后運(yùn)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(shù)據(jù)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(xù)的挑戰(zhàn)，包括服務(wù)器擴(kuò)散、CPU利用不充分和應(yīng)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(guó)防，應(yīng)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(fù)雜的設(shè)計(jì)，以至于等待了一年或者更多年后才知道硬件是行不通的。隨著點(diǎn)解決方案、設(shè)計(jì)復(fù)雜度基本上授權(quán)給這些公司投入資源在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)虛擬化軟件解決方案，仿真已經(jīng)在國(guó)內(nèi)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(tǒng)的、以硬件為中心的開(kāi)發(fā)方法，也不是內(nèi)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(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)，必須能夠提供快速的產(chǎn)品上市時(shí)間、節(jié)約成本和質(zhì)量保證。嵌入式設(shè)備中軟件內(nèi)容的角色沒(méi)有任何下降的趨勢(shì)，多核器件的增長(zhǎng)將前所未有的復(fù)雜性加入到了硬件和軟件中。必然走向多核設(shè)計(jì)，只需強(qiáng)調(diào)對(duì)軟件開(kāi)發(fā)解決方案需求，從而能夠充分利用多核設(shè)備的潛在性能。

當(dāng)前的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)已經(jīng)使公司戰(zhàn)略地重新審視和反思自己的過(guò)程是必要的，不僅僅在設(shè)備階段，還要在過(guò)程設(shè)計(jì)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(chǔ)的、根本的設(shè)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(zhàn)略，它可以將軟件開(kāi)發(fā)從依賴于物理硬件(在其上，應(yīng)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(zhàn)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(zhǔn)確的硬件模型，可以使得他們?cè)谙到y(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡早地開(kāi)始調(diào)試、測(cè)試和優(yōu)化系統(tǒng)。虛擬技術(shù)可以用于不同程度的細(xì)節(jié)，從處理器到板級(jí)到設(shè)備，在這樣的精度水平，二進(jìn)制代碼可以不變運(yùn)行且不會(huì)伴隨任何行為上的分歧。

物理硬件測(cè)試過(guò)程中，高性能虛擬平臺(tái)不同程度的控制是不可能的。必然的，當(dāng)同樣的條件應(yīng)用，軟件往往以相同的方式執(zhí)行的固有性質(zhì)成為了虛擬測(cè)試的一個(gè)實(shí)際。隨著處理器和硬件在復(fù)雜度上的提高，必然也就意味著在操作的過(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“海森堡蟲子”(Heisenbug)，依賴于細(xì)小的時(shí)鐘干擾的狀態(tài)有的時(shí)候是不可能復(fù)制的，甚至是在整個(gè)系統(tǒng)反復(fù)重新運(yùn)行過(guò)程中。仿真基礎(chǔ)設(shè)施背后的虛擬平臺(tái)使得開(kāi)發(fā)者可以單步驟或者停止系統(tǒng)來(lái)檢查他們的內(nèi)部轉(zhuǎn)臺(tái)。開(kāi)發(fā)者可以在仿真多核處理器內(nèi)核和每個(gè)內(nèi)核的多個(gè)過(guò)程中不斷的復(fù)制一個(gè)錯(cuò)誤，從而使得多核處理器調(diào)試就像調(diào)試一個(gè)單一處理器的單一程序一樣簡(jiǎn)單。[!--empirenews.page--]

虛擬軟件開(kāi)發(fā)也避開(kāi)“codeís”固有限制，通過(guò)在需要逆向時(shí)執(zhí)行代碼，開(kāi)發(fā)了類似于“TiVo”的功能，且沒(méi)有任何的代碼儀表或者額外的硬件。虛擬化讓開(kāi)發(fā)者等待一個(gè)錯(cuò)誤，然后“倒帶”尋找到一個(gè)故障所在處的代碼的執(zhí)行。倒帶代碼執(zhí)行能力需要可以廉價(jià)的檢查整個(gè)系統(tǒng)的能力和高速仿真的能力。倒退一個(gè)指令實(shí)際上就是通過(guò)回復(fù)到檢查點(diǎn)和倒退到一個(gè)點(diǎn)，倒帶點(diǎn)的指令之前完成的，如果仿真速度夠快，這個(gè)過(guò)程就像是在瞬間給使用者的。這種可逆式的調(diào)試環(huán)境與多處理器系統(tǒng)和多核處理器共同工作，使得開(kāi)發(fā)人員可以跟蹤缺陷，諸如競(jìng)爭(zhēng)情況，被兩個(gè)零錯(cuò)誤分開(kāi)，鎖定重讀，死鎖和缺乏優(yōu)先級(jí)，所有這些都將出現(xiàn)，更多的是在多核架構(gòu)中。

虛擬化模型的建立使得通過(guò)確定一個(gè)有意義的平臺(tái)使得平臺(tái)更加標(biāo)準(zhǔn)化，這個(gè)平臺(tái)可以使得軟件和硬件可以使用，加強(qiáng)和分享。虛擬化軟件設(shè)計(jì)可以獲得無(wú)限量的虛擬指標(biāo)，虛擬平臺(tái)(硬件的軟件代表)可以被在幾秒內(nèi)通過(guò)郵件發(fā)送到世界各地。因?yàn)橛商摂M模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不是物理限制的，公司可以與合作伙伴和客戶簡(jiǎn)單的有效的分享他們的虛擬化軟件開(kāi)發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

虛擬化軟件開(kāi)發(fā)最近表現(xiàn)在另一個(gè)類似平臺(tái)的引入，Google的Android(Google 的手機(jī)操作系統(tǒng)和相關(guān)軟件的總稱)，雖然在一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)工具包的上下文。不過(guò)，這樣的概念是一樣的，并構(gòu)成了一個(gè)仿真的虛擬平臺(tái)，使得由上而下的方法在應(yīng)用層使得硬件基本上是不相關(guān)的。虛擬平臺(tái)提供了設(shè)計(jì)所有的必要的服務(wù)，使得硬件可以被看作一種前端，而不是在后端考慮。一旦軟件發(fā)展，硬件優(yōu)化軟件，而不是與此相反。

實(shí)際虛擬軟件開(kāi)發(fā)

虛擬軟件開(kāi)發(fā)在主流的商業(yè)規(guī)模中顯示了它的好處。許多公司已經(jīng)在他們的設(shè)計(jì)過(guò)程中移植了這個(gè)方法，創(chuàng)造了一個(gè)全新的創(chuàng)新的基于虛擬化軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)架構(gòu)。

IBM在其強(qiáng)大的Power6平臺(tái)中的復(fù)雜軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試中使用了虛擬化軟件開(kāi)發(fā)。通過(guò)使用這個(gè)方法，IBM的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠提高他們開(kāi)發(fā)復(fù)雜固件和系統(tǒng)管理程序的挑戰(zhàn)，從而無(wú)需物理硬件可以啟動(dòng)和運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)上的虛擬系統(tǒng)模型。這反過(guò)來(lái)，可以幫助降低整體的硬件花費(fèi)。IBM很快意識(shí)到可以使用虛擬軟件開(kāi)發(fā)優(yōu)化它的整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期，同時(shí)也可以最大限度的減少硬件和軟件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的壁壘。

GE Aviation系統(tǒng)(前身為Smiths Aerospace)使用了虛擬化為它的過(guò)程模型發(fā)展了仿真模型。GE建立了最終目標(biāo)系統(tǒng)模型提供更多的好處，與傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境相比，包括降低開(kāi)發(fā)和測(cè)試成本，整合成本，收購(gòu)成本，維修保養(yǎng)的成本及成本的變化。虛擬軟件開(kāi)發(fā)確定性的能力使得GE的開(kāi)發(fā)者可以在他們?cè)谏钊霗z查和診斷的空閑再現(xiàn)性能問(wèn)題。

風(fēng)河系統(tǒng)，領(lǐng)先的設(shè)備軟件優(yōu)化供應(yīng)商，使用了一段時(shí)間的虛擬軟件開(kāi)發(fā)以提高他們操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程(如VxWorks中SMP)，同樣公開(kāi)確定了虛擬軟件優(yōu)化在他們的開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中作為一個(gè)主要內(nèi)容。

最近，Monta Vista軟件公司，智能設(shè)備的Linux系統(tǒng)提供商，將虛擬軟件優(yōu)化更進(jìn)了一步，使得虛擬化成為它的軟件銷售和評(píng)價(jià)的一個(gè)關(guān)鍵部分。Monta Vista允許其潛在客戶在網(wǎng)上通過(guò)一個(gè)連接到使用者的TestDrive的評(píng)價(jià)服務(wù)提高Linux產(chǎn)品。并運(yùn)行于虛擬化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這是一個(gè)虛擬軟件開(kāi)發(fā)鼓勵(lì)新的思維方式和經(jīng)商之道的成功例子。

作者：Michel Genard