在不到18個月的時間里，Google Android平臺已從一名“新生兒”成長為全球移動市場乃至移動領(lǐng)域之外其他智能設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)的重要成員。越來越多的手持設(shè)備開始部署Android平臺，到2010年末，預(yù)計還會誕生數(shù)十種采用Android的手機(jī)設(shè)計，除此以外，Android在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。
Android 平臺具有兩大吸引力：Android為OEM提供了一個功能豐富的開源移動操作系統(tǒng)，讓設(shè)備不僅做到“開箱即用”，而且能夠支持第三方應(yīng)用程序；Android Market應(yīng)用程序商店中第三方應(yīng)用程序的產(chǎn)品組合不斷增加，拉升了對基于Android的設(shè)備的需求，同時為整個生態(tài)系統(tǒng)帶來了新的商機(jī)。但另一方面，以Android為目標(biāo)的設(shè)備硬件也為開發(fā)人員帶來了一系列挑戰(zhàn)：內(nèi)核對CPU及SoC的支持、驅(qū)動程序開發(fā)、性能優(yōu)化、與其他系統(tǒng)軟件的整合等等。
本文將探討這些難題，并著重講述移動/嵌入式虛擬化如何能夠幫助OEM及其他開發(fā)人員簡化Android支持和遷移。特別地，本文將結(jié)合使用流行的Beagle Board與OKL4 Microvisor。此外，文中還將以安全VoIP作為應(yīng)用示例，演示hypervisor技術(shù)如何幫助開發(fā)人員構(gòu)建和部署更加穩(wěn)健的Android設(shè)備及運(yùn)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(gòu)包含Beagle Board OMAP CPU“裸機(jī)”上運(yùn)行的OKL4 Microvisor。啟動時，系統(tǒng)引導(dǎo)進(jìn)入OKL4，然后由OKL4加載并協(xié)調(diào)Android及其他客戶機(jī)軟件的執(zhí)行。
在特定安全單元(虛擬機(jī))中，microvisor托管：
Android。該組件與其他應(yīng)用關(guān)鍵型組件完全隔離，以確保添加至該開放操作系統(tǒng)平臺中的軟件不會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)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 Android，而不影響其他安全單元中正在運(yùn)行的軟件(如Linphone)。
Linphone(或其他VoIP棧和應(yīng)用程序)。在我們的參考設(shè)計中，我們移植了Linphone以便直接在OKL4 Microvisor上運(yùn)行，但如果資源允許的話，Linphone可以駐留在安全單元中的Linux實(shí)例上。我們的設(shè)計有意地將Linphone與 Android隔離開來，以確保Linphone的穩(wěn)定性和安全性；另一方面，將Linphone托管在OKL4 Microvisor之上還能夠節(jié)約內(nèi)存并提高性能。
音頻及串口驅(qū)動程序。Android與Linphone共享音頻驅(qū)動程序，即使用戶禁用了Android，該驅(qū)動程序仍能夠?yàn)閂oIP通話提供音頻輸入/輸出。串口驅(qū)動程序是隔離共享的，以支持系統(tǒng)控制臺和調(diào)試。
運(yùn)行系統(tǒng)功能如下：Android作為主操作系統(tǒng)，通過Beagle Board上的OMAP顯示硬件提供標(biāo)準(zhǔn)的Android用戶界面呈現(xiàn)給客戶。用戶可以使用基于Android的VoIP“撥號”應(yīng)用程序或 Android下運(yùn)行的Linphone控制臺服務(wù)器來啟動安全的VoIP通話。通話啟動后，用戶可以運(yùn)行其他Android應(yīng)用程序(游戲、網(wǎng)頁瀏覽等)，而不影響VoIP通話的質(zhì)量或安全性。此時，即使Android進(jìn)入睡眠模式甚至死機(jī)，都不會導(dǎo)致通話中斷。
虛擬化和性能優(yōu)化
嵌入式開發(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，面向硬件的開發(fā)人員不喜歡使用高級語言，而偏好匯編代碼，以期從“裸機(jī)”中獲取更多性能。不久，實(shí)時操作系統(tǒng)便成了一種“感知瓶頸”。再之后，Linux和Android之類的應(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??理和最終用戶的不快。
而如今，移動/嵌入式虛擬化又形成了一個抽象層。它雖然提高了生產(chǎn)效率，但卻使開發(fā)人員及其代碼進(jìn)一步“遠(yuǎn)離”底層硬件，使開發(fā)人員無法深入發(fā)掘他認(rèn)為的通過“裸機(jī)執(zhí)行所具有的性能優(yōu)勢”。
說起來也許令人難以置信，但在許多應(yīng)用方面，虛擬化不僅只產(chǎn)生極小的性能開銷，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 microvisor IPC的利用。使用了GTKPerf基準(zhǔn)測試套件針對常見GTK+ UI框架執(zhí)行的測試結(jié)果如表1所示。GTKPerf提供了一個通用測試平臺，運(yùn)行預(yù)定義的GTK+窗口小部件(打開組合框、切換按鈕、滾動文本等)來衡量設(shè)備或平臺的運(yùn)行速度。
下表是我們在原始環(huán)境和虛擬化環(huán)境中運(yùn)行GTKPerf時得到的實(shí)際耗時及開銷結(jié)果。對于Android圖形及平臺中的其他子系統(tǒng)，結(jié)果應(yīng)該與此類似。
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)計精良的microvisor并不依賴于其托管的客戶操作系統(tǒng)，并且能夠在不同客戶機(jī)和客戶機(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中的上下文切換會產(chǎn)生延遲和內(nèi)存總線占用，那么Android的情形可想而知。
為提高Android的性能，OKL4會維護(hù)此類上下文切換的相關(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針對性能和內(nèi)存使用進(jìn)行了優(yōu)化。對于Android與Linux或OKL4 Microvisor這類基于微內(nèi)核的環(huán)境，直接比較滿棧占用的內(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，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來衡量的。雖然OKL4與生俱來的小尺寸并不能將系統(tǒng)占用降至最小，但是這個小尺寸基礎(chǔ)平臺與一系列附加組件相互集成就形成了一個輕量級準(zhǔn)虛擬化平臺──OK:Android。與Xen或KVM之類的企業(yè)和桌面hypervisor(包含整個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提供了多種常見移動/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)助開發(fā)人員準(zhǔn)虛擬化幾乎任何開源操作系統(tǒng)的工具和服務(wù)。
除此以外，該設(shè)計類型并不局限于移動應(yīng)用或Beagle Board。為方便在廣泛的移動設(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開發(fā)環(huán)境或移動應(yīng)用以外的設(shè)備類型；如今，已有超過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)行的高級操作系統(tǒng)(如Android、實(shí)時操作系統(tǒng)及針對特定目的構(gòu)建的平臺)：上網(wǎng)本，Webpad、機(jī)頂盒與數(shù)字錄像機(jī)、高清電視、車載系統(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，OEM及開發(fā)人員不但能夠簡化遷移和集成，還能夠享受軟件組件之間高度隔離所帶來的穩(wěn)定性和安全性。在Beagle Board上，OKL4 Microvisor提供了一個穩(wěn)定、可靠托管Android這一流行平臺的捷徑。請盡情暢想，它能夠?yàn)槟南乱辉O(shè)計帶來哪些令人贊嘆的功能。
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