Embedded Hypervisor von Wind River auf ersten Kontron Boards verfügbar Typ 1 Hypervisor für Embedded-Anforderungen
Zum Launch des Typ 1 Hypervisors für Wind River Linux und VxWorks stellt Kontron als eines der ersten Unternehmen drei Standardboards mit passendem Support zur Verfügung: Die COM Express kompatibelen Kontron nanoETXexpress-SP und das Kontron microETXexpress-XL Computer-on-Module mit Intel Atom Prozessor sowie das 32nm Intel Core i7 basierte AdvancedMC Prozessorboard AM4020. Damit werden die Vorteile der Virtualisierung sowohl für energiesparende SFF Designs wie auch high-performance Technologien verfügbar.
Seit dem Launch der Multicore-Prozessoren ist Virtualisierung eines der meistdiskutierten Themen. Unterschiedliche Strategien und Lösungsansätze sollen immer zu einem Ziel führen: Mehr Ökonomie durch flexible Hardwareressourcennutzung (Load-Balancing), Konsolidierung mehrere vormals getrennter Applikationen auf einer Hardwareplattform und/oder erhöhte Applikationssicherheit, indem Applikationen in geschützten Bereichen gefahren werden (Sandbox). Dabei nutzt man Virtualisierung über das komplette Embedded Hardwarespektrum von Low-Power-Designs mit Intel Atom Prozessoren in Märkten wie Automatisierung, Infotainment und Aerospace und Military bis hin zu Multi-Board-Systemen, beispielsweise in der Telekommunikation und Sicherheitstechnik. Daraus ergibt sich keine eindeutige Kategorisierung, sondern vielmehr zwei Pole zwischen denen sich die Virtualisierung bewegt: Einerseits den IT-Server-Ansatz, der auf hohe Flexibilität, dynamisches Verhalten der virtuellen Maschinen (VM) und Load-Balancing abzielt und auf der anderen Seite Embedded Applikationen, die für Echtzeitapplikationen determinierte Latenzen zwingend erfordern, dennoch aber die Vorteile der Virtualisierung nutzen wollen, um so maximale Konfigurierbarkeit und Skalierbarkeit – auch über mehrere Cores hinweg – ermöglichen zu können. Finden OEM für das IT-Server-Spektrum bereits zahlreiche Lösungen auf dem Markt, so ist das Angebot für Applikationen, die Echtzeitanforderungen stellen, bisher nicht befriedigend. Zwar gibt es mit beispielsweise KVM und XEN zwei Angebote, die in Richtung Embedded tendieren, jedoch sind dies keinen reinen, schlanken Typ 1 (Typ 1 = Bare-Metal) Hypervisoren mit minimierten Latenzen, sondern nutzen vielmehr ein dediziertes „Host“-OS wie z.B. Linux-Kernel als Hypervisor (KVM) oder ein Linux-OS auf der ersten virtuellen Maschine (XEN). Mit dem neuen Typ 1 Hypervisor von Wind River können nun auch Embedded-Applikationen sogar mit harten Echtzeitanforderungen umgesetzt werden. Als Bare-Metal Hypervisor setzt er ohne weitere Software direkt auf der Hardware auf, und liegt somit unter allen Gast-Betriebssystemen. Speziell entwickelt für die Anforderungen des Embedded-Marktes bietet er dabei viele Vorteile und Features, die in dieser Kombination bisher nicht erhältlich waren.
Eine Lösung für unterschiedliche Prozessoren
Zum ersten unterstützt der Wind River Hypervisor sowohl Single- wie auch Multicore Prozessoren mit x86er und Power-PC Architektur und deren spezifische Virtualisierungsfunktionen. So können OEMs ihre Applikationen auf einem Single-Core-Prozessor, wie beispielsweise dem Intel Atom Prozessor, mit mehreren virtuellen Boards konsolidieren (Core-Virtualisierung), oder via supervised AMP (Asymmetric Multi Processing) ein virtuelles Board pro Prozessor Core aufsetzen, wofür beispielsweise der neue Intel Core i7 Prozessor prädestiniert ist. An Betriebssystemen unterstützt derneue Embedded Hypervisor derzeit Wind River Linux 3.0.2, das RTOS VxWorks 6.8 sowie Windows XP.
Kleiner ist besser, ist schneller
Zudem ist der Wind River Hypervisor sehr schlank gehalten. Mit lediglich rund 10.000 Zeilen Programmcode weist er einen extrem kleinen Footprint auf. Zum Vergleich: Xen liegt eher im 50.000er Bereich und KVM setzt auf einen kompletten Linux Kernel als Hypervisor und ist damit nochmals deutlich größer. Dieser extrem kompakte Footprint ist auch einer der Gründe, warum die beim Einsatz von Hypervisor-Technologien immanente zusätzliche Latenz bei der Wind River Lösung mit nur wenigen Mikrosekunden extrem gering ausfällt. Bei IT-Hypervisoren liegen die Werte eher im Hunderter-Mikrosekunden oder Millisekunden Bereich. Zudem verhält sich der neue Wind River Hypervisor deterministisch, d. h. die Abweichung bei der Ausführungsgeschwindigkeit ist extrem gering. So sind auf realitätsnahen Evaluierungssystemen ermittelte Werte nahezu 1:1 auf die fertige Applikation übertragbar. Das reduziert weiterhin die Time-to-Market und das in der Realität häufig anzutreffende Nachreifen der Applikation entfällt. Darüber hinaus bietet er auch einen extrem hohen Datendurchsatz, der nahe am nativen I/O-Durchsatz ohne Hypervisor liegt. Das ist besonders für datenintensive Applikationen wie Radar, Sonar oder bildgebende Verfahren vorteilhaft.
Auf die Zusammenarbeit kommt es an
Zudem ist im Embedded Bereich häufig eine eng verzahnte Zusammenarbeit mehrerer virtueller Boards gefragt, um so die Rechenperformance von ehemals mehreren, separat betriebenen Teilapplikationen nun auf einem einzigen Board betreiben zu können. Die Datenverarbeitung und Weiterleitung muss also auch über mehrere Virtual-Boards hinweg mit hoher Durchsatzrate und geringer Latenz erfolgen können. Beim Wind River Hypervisor kommunizieren die Virtuellen Boards über MIPC (Multi-OS Interprocess Communication), ein Wind River eigenes Protokoll, speziell entwickelt für die Kommunikation zwischen Cores und/oder virtuellen Boards. Es nutzt ein socket-ähnliches API und shared Memory für eine schnelle, effiziente (zero-copy) Kommunikation zwischen verschiedenen Betriebssystemen bzw. Cores und/oder VBs. Und damit die dedizierten virtuellen Boards zuverlässig unter allen Betriebssituationen ihre Aufgaben erfüllen, übernimmt der Wind River Hypervisor eine statische Partitionierung der Hardware Devices (Festplatte, Netzwerkadapter), Speicher(bereiche), CPU-Cores und Interrupts werden in der Entwicklungsphase fest zugewiesen. So kann der Entwickler die reale Hardware den jeweiligen virtuellen Boards exakt zuweisen. Das stellt sicher, dass eine Echtzeitapplikation immer mit fest zugewiesenen Ressourcen arbeitet, sodass die Echtzeitfähigkeit voll erhalten bleibt. Zudem können die virtuellen Boards nicht auf z.B. gleiche Speicherbereiche zugreifen, was ansonsten zu Abstürzen führen würde. Natürlich ist aber ein Device-Sharing von beispielsweise Ethernetadaptern oder seriellen Schnittstellen möglich, so dass mehrere virtuelle Boards darauf Zugriff haben. Aus diesen Möglichkeiten, von Seiten der Software eine fein justierbare Hardwarekonfiguration zuweisen zu können, ergibt sich hinsichtlich der Hardware mitunter eine vollkommen neue Systemanforderung, was für den Einsatz von modularer Hardware spricht, um dem zunehmenden Customizationbedarf möglichst effizient gerecht werden zu können. Auf Boardlevel empfehlen sich hierzu beispielsweise modulare Systemarchitekturen wie MicroTCA, CompactPCI oder PICMG 1.3. Bei der Entwicklung von kleineren Systemen spricht zudem vieles für die Verwendung von Computer-on-Modules. Denn mit ihnen lassen sich Carrierboards für die virtuellen Boards entwickeln, die beispielsweise dem Featureset entsprechen, wie sie die vorherigen, getrennten Boards hatten. Die ersten Lösungen, sind bei Kontron deshalb die Intel Atom Prozessor basierten COM Express kompatiblen Computer-on-Modules Kontron nanoETXexpress-SP sowie das Kontron microETXexpress-XL für den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C sowie das Kontron AdvancedMC CPU-Board AM4020 mit dem neuen Intel Core i7 Prozessor für High-Performance Embedded Applikationen. Weitere validierte Board- und Systemlevelprodukte von Kontron werden in Kürze folgen.
Hardware, OS und Hypervisor aus einer Hand
Sowohl Hypervisor als auch die beiden OS können bei Kontron im Bundle bezogen werden. Damit profitieren Kunden von Service aus einer Hand. Kontron hat hierzu bereits im Herbst letzten Jahres eine Distributionsvereinbarung mit Wind River getroffen, die es Kontron erlaubt, VxWorks Lizenzen zu vertreiben. Dadurch, dass Wind River mit Kontron bei der Validierung von Hard- und Software zusammenarbeitet, können vorvalidierte Lösungspakete angeboten werden, die die Integrationskosten und Time-to-Market bei Kunden nachhaltig senken.
Autor: Norbert Hauser, Vice President Marketing, Kontron
