引言

工業(yè)負(fù)載整合是指通過技術(shù)手段將傳統(tǒng)工業(yè)中分散在多個工控機(jī)上的負(fù)載集中部署到單一硬件平臺上，以優(yōu)化硬件性能并降低成本。在傳統(tǒng)工業(yè)場景中，上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)分析或視覺檢測，下位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時任務(wù)如運(yùn)動控制和傳感器數(shù)據(jù)收集。通過負(fù)載整合方案，可以將上位機(jī)和下位機(jī)的功能集成到同一硬件平臺上，充分利用x86平臺的強(qiáng)大硬件資源，實(shí)現(xiàn)多機(jī)任務(wù)的集中處理。

圖1.工業(yè)負(fù)載整合架構(gòu)圖

虛擬化技術(shù)在工業(yè)負(fù)載整合解決方案中起到了至關(guān)重要的作用。借助虛擬化，SMP架構(gòu)的x86平臺能夠同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)可以共享或獨(dú)占物理核，從而支持不同工作負(fù)載的部署，實(shí)現(xiàn)工業(yè)負(fù)載的高效整合。

英特爾從芯片層面推動虛擬化在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用落地。其VT-x技術(shù)支持CPU和內(nèi)存虛擬化（EPT），而VT-d和SR-IOV技術(shù)則為I/O設(shè)備虛擬化提供全面的硬件支持。為滿足工業(yè)領(lǐng)域的嚴(yán)格實(shí)時性要求，英特爾在特定芯片上還提供了專門的硬件技術(shù)支持和配置，如Intel Resource Direct Technology (RDT) 等。

Acontis虛擬化負(fù)載整合解決方案概述

在工業(yè)自動化和人機(jī)交互領(lǐng)域，Linux和Windows是最常用的操作系統(tǒng)。為滿足客戶對Windows用戶體驗(yàn)和實(shí)時控制的需求，Acontis公司基于多年技術(shù)積累，推出了成熟、可靠且高效的實(shí)時虛擬化擴(kuò)展方案。

針對不同場景的要求，Acontis提供了兩種選擇：RTOSVisor（類型I的Hypervisor）與LxWin（類型II的Hypervisor）。類型I Hypervisor直接運(yùn)行于物理硬件層以保障高確定性響應(yīng)，獨(dú)立的虛擬機(jī)之間隔離性好，也無需依賴宿主機(jī)操作系統(tǒng)。而類型II Hypervisor則依托宿主操作系統(tǒng)來管理硬件資源，實(shí)現(xiàn)開發(fā)效率與實(shí)時性平衡。

LxWin（類型II的Hypervisor ）

LxWin Hypervisor采用類型II虛擬化技術(shù)，使實(shí)時Linux子系統(tǒng)能夠在Windows操作系統(tǒng)下并行運(yùn)行。通過英特爾虛擬化技術(shù)（VT-x/VT-d），它將Windows應(yīng)用程序和實(shí)時Linux控制任務(wù)分配到同一硬件平臺的不同CPU核心，實(shí)現(xiàn)硬件資源隔離，確保實(shí)時任務(wù)不受Windows非實(shí)時進(jìn)程的干擾。即使Windows發(fā)生藍(lán)屏，實(shí)時Linux仍能繼續(xù)運(yùn)行，且實(shí)時性能不受影響，從而保障了實(shí)時任務(wù)的可靠性。該方案兼容現(xiàn)有的Linux驅(qū)動程序和工業(yè)軟件（如EtherCAT主站），用戶可直接復(fù)用現(xiàn)有代碼，無需額外適配。為簡化部署流程，Acontis提供預(yù)配置的實(shí)時Linux操作系統(tǒng)鏡像，大幅縮短部署周期。

圖2. 類型 II Hypervisor 系統(tǒng)架構(gòu)圖

RTOSVisor（類型I的Hypervisor）

Acontis RTOSVisor是一款直接運(yùn)行于硬件層的類型I實(shí)時Hypervisor解決方案，專為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣控制器及多任務(wù)整合場景設(shè)計(jì)。該方案通過實(shí)時虛擬機(jī)框架（VMF, Virtual Machine Framework）與基于內(nèi)核的虛擬化模塊（KVM, Kernel-based Virtual Machine）協(xié)同工作，以滿足高復(fù)雜度工業(yè)應(yīng)用的需求。實(shí)時子系統(tǒng)由VMF驅(qū)動，直接管理硬件中斷、PCIe設(shè)備（如EtherCAT主站卡）及實(shí)時操作系統(tǒng)（如實(shí)時Linux），消除虛擬化層性能損耗，實(shí)現(xiàn)微秒級確定性響應(yīng)（英特爾 酷睿 i7平臺實(shí)測中斷延遲＜20μs）。KVM模塊負(fù)責(zé)托管Windows/Linux等通用操作系統(tǒng)，通過PCIe/USB設(shè)備直通（如為HMI界面分配獨(dú)立顯卡資源）與半虛擬化技術(shù)（如VirtIO虛擬存儲控制器）優(yōu)化非實(shí)時任務(wù)的吞吐效率。兩類子系統(tǒng)基于Intel VT-x/VT-d技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理資源隔離，確保實(shí)時任務(wù)不受通用系統(tǒng)干擾。此架構(gòu)已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓搬運(yùn)、汽車焊裝線等場景，支持7×24小時無中斷作業(yè)。

圖3. 類型I Hypervisor System Architecture

英特爾技術(shù)對Acontis方案的加持

英特爾芯片廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)領(lǐng)域，從運(yùn)動控制、視覺計(jì)算到當(dāng)前熱門的AI和具身智能。英特爾提供完整的產(chǎn)品系列，以滿足不同行業(yè)的多樣化需求：從英特爾凌動 處理器，英特爾 酷睿 處理器到英特爾 至強(qiáng) 處理器，憑借其強(qiáng)大的計(jì)算性能和高可靠性，可用于工業(yè)網(wǎng)關(guān)、人機(jī)界面（HMI）、自動化控制、機(jī)器人、工業(yè)PC（IPC）、工業(yè)服務(wù)器等場景，提供卓越的計(jì)算能力，支持確定性實(shí)時控制以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、機(jī)器視覺和AI推理。此外，在虛擬化技術(shù)方面，英特爾為Acontis Hypervisor提供了全面的底層支持和保障。

1. Intel VT (Intel Virtualization Technology) 技術(shù)

SMI（System Management Interrupt，系統(tǒng)管理中斷）是實(shí)時性和確定性的主要障礙。為應(yīng)對SMI的復(fù)雜干擾特性，Acontis利用英特爾硬件平臺的Intel VT技術(shù)開發(fā)了專用監(jiān)控驅(qū)動，以減輕SMI對實(shí)時任務(wù)的影響。在啟用Intel VT技術(shù)支持時，Windows運(yùn)行于VMX（Virtual Machine Extension）非根操作模式下，Hypervisor框架（VMF，作為管理程序的一部分）能夠控制特定操作的允許或禁止。如果Windows嘗試執(zhí)行可能引發(fā)系統(tǒng)管理中斷的操作，Hypervisor可以攔截這些操作以避免觸發(fā)SMI，從而有效降低SMI對實(shí)時任務(wù)的干擾。這一優(yōu)化策略為工業(yè)客戶提供了更高水平的實(shí)時性保障。

2. Intel RDT (Intel Resource Director Technology) 技術(shù)

英特爾 資源調(diào)配技術(shù)（Resource Director Technology，RDT）：英特爾資源導(dǎo)向技術(shù)RDT提供對共享資源（如緩存、內(nèi)存帶寬）的監(jiān)控與分配能力，確保關(guān)鍵實(shí)時應(yīng)用的QoS（Quality of Service, 服務(wù)質(zhì)量）。

高速緩存分配技術(shù)（Cache Allocation Technology，CAT）：RDT的子技術(shù)之一，EC-Win 7.0通過CAT優(yōu)化緩存分配策略，隔離實(shí)時應(yīng)用與Windows環(huán)境的緩存爭用，顯著提升運(yùn)行時確定性。

內(nèi)存帶寬監(jiān)控（Memory Bandwidth Allocation，MBA）：RDT的子技術(shù)之一，EC-Win 7.0使用MBA限制非實(shí)時系統(tǒng)的內(nèi)存帶寬占用，降低實(shí)時任務(wù)的性能抖動，保障執(zhí)行穩(wěn)定性。

英特爾 RDT技術(shù)棧（CAT/MBA）深度整合于EC-Win 7.0，為工業(yè)場景提供全面的資源隔離與確定性保障。

英特爾工業(yè)控制產(chǎn)品路線圖

英特爾在工業(yè)控制領(lǐng)域的產(chǎn)品路線圖涵蓋了從高性能英特爾酷睿系列到低功耗英特爾Atom系列的多種處理器選型，以滿足不同應(yīng)用場景需求。通過這些先進(jìn)處理器，英特爾致力于推動工業(yè)自動化和智能化的發(fā)展，為客戶提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和靈活的解決方案。

圖4. 英特爾工業(yè)控制產(chǎn)品路線圖

客戶解決方案選擇指南

測試數(shù)據(jù)

*注：

- 測試中Windows執(zhí)行Burn-In Test加壓負(fù)載：100% CPU負(fù)載, 100% RAM負(fù)載, 100% 2D負(fù)載, 100% 3D負(fù)載, 100% Video負(fù)載，100% 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

- 實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，實(shí)際可能不同。本圖表測試數(shù)據(jù)由盟通提供，測試工具由Acontis提供。

- 硬件：ATOM系列N97為卓信創(chuàng)馳 E7201, CORE i7系列12700為信步ECS-C6270

公司簡介

Acontis Technologies GmbH是一家總部位于德國南部的工業(yè)自動化技術(shù)公司，成立于2001年。公司專注于EtherCAT技術(shù)、Windows實(shí)時軟件和實(shí)時虛擬化技術(shù)（RealTime Hypervisor），是行業(yè)領(lǐng)先的解決方案供應(yīng)商。經(jīng)過多年的技術(shù)積累和現(xiàn)場客戶的驗(yàn)證，Acontis的核心產(chǎn)品圍繞工業(yè)實(shí)時通信與操作系統(tǒng)搭建出兩大類產(chǎn)品：一是EtherCAT主站協(xié)議棧和各種配套工具；二是實(shí)時Hypervisor技術(shù)。

盟通科技有限公司成立于2013年，是專注于工業(yè)自動化領(lǐng)域的高新技術(shù)企業(yè)，核心業(yè)務(wù)涵蓋實(shí)時現(xiàn)場總線技術(shù)及工業(yè)通訊技術(shù)的研發(fā)、推廣與技術(shù)服務(wù)。與歐洲多家頭部自動化企業(yè)包括Acontis、emotas、HMS等戰(zhàn)略合作，聚焦工業(yè)4.0框架下的通訊解決方案，提供標(biāo)準(zhǔn)化與定制化產(chǎn)品。國內(nèi)客戶涉及機(jī)器人、半導(dǎo)體制造、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等多個領(lǐng)域。盟通科技是Acontis多年來的中國合作伙伴，擁有豐富的項(xiàng)目落地與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。