硬件分割依賴難點(diǎn)是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)中常見的問題。在多任務(wù)或多應(yīng)用的系統(tǒng)中，不同任務(wù)或應(yīng)用需要訪問不同的硬件資源，傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件資源的分配往往與軟件緊密耦合，導(dǎo)致軟件的可移植性和可擴(kuò)展性受限。同時(shí)，硬件資源的共享訪問可能導(dǎo)致資源競(jìng)爭(zhēng)和沖突，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。特別是在安全關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)景（如汽車電子、工業(yè)控制等）中，這種問題尤為突出。

RT-Thread睿賽德通過vmRT-Thread和VirtIO-SCMI的方式，提供一種攻克硬件分割依賴難點(diǎn)的思路，希望對(duì)大家有所幫助，也歡迎大家在留言中或者掃碼小睿助手繼續(xù)交流。

在嵌入式虛擬化環(huán)境中，外設(shè)硬分割（Partition/Passthrough）是充分發(fā)揮虛擬化硬件性能的重要手段。然而早期實(shí)現(xiàn)中，操作系統(tǒng)存在以下難題：

驅(qū)動(dòng)需求繁復(fù)：虛擬機(jī)操作系統(tǒng)本身需要移植大量驅(qū)動(dòng)，此類驅(qū)動(dòng)本身較復(fù)雜。

虛擬機(jī)行為不可控：存在多個(gè)虛擬機(jī)依賴同一個(gè)外設(shè)的情況，由于無法保證多個(gè)虛擬機(jī)并發(fā)訪問同一個(gè)物理資源為原子操作，行為不可控易導(dǎo)致不安全。

耦合嚴(yán)重且缺乏標(biāo)準(zhǔn)：可移植性差，固件更新困難；多操作系統(tǒng)（OS）/虛擬化下資源控制混亂，無法實(shí)現(xiàn)高級(jí)功耗與性能策略協(xié)同。

為解決上述問題，本文將介紹一種基于SCMI協(xié)議實(shí)現(xiàn)的依賴資源共享的虛擬化框架（VirtIO-SCMI），其架構(gòu)如下圖所示：

在vmRT-Thread中，普通虛擬機(jī)作為VirtIO-SCMI前端，僅轉(zhuǎn)發(fā)硬件操作請(qǐng)求；驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)作為后端，解析請(qǐng)求并校驗(yàn)權(quán)限后，通過procfs/ioctl操作真實(shí)硬件，兩者均通過VirtIO通道通信。

同時(shí)，VirtIO-SCMI目前存在部分限制與要求：前端虛擬機(jī)需要選擇合適的內(nèi)核版本，后端虛擬機(jī)需要提供操作真實(shí)的硬件的procfs或者ioctl接口，并確保并發(fā)訪問的原子性。

基于上述情況，vmRT-Thread可進(jìn)行如下具體操作：

示例1

將VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)中某個(gè)uart中的clk，reset，pinctrl替換為VirtIO-SCMI。

大致步驟如下：

1. VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)需要修改設(shè)備樹：

• 首先需要增加scmi的clk，reset，pinctrl的子協(xié)議設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)

firmware {scmi {compatible ="arm,scmi-virtio";#address-cells = <0x01>;#size-cells = <0x00>;scmi_clk: protocol@14 {reg = <0x14>;#clock-cells = <1>;};scmi_reset: protocol@16 {reg = <0x16>;#reset-cells = <1>;};scmi_pinctrl: protocol@19 {reg = <0x19>;uartA_0_pins: uartA_pins@0 {groups ="X","Y";function ="1_uartA";bias-pull-up;drive-strength = <10>;};uartB_1_pins: uartB_pins@1 {groups ="M","N";function ="1_gpio_in";};};};};

• 然后對(duì)應(yīng)串口的設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)，需要引用scmi的clk，reset，pinctrl的子協(xié)議設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)，其中clk，reset還需要通過參數(shù)來提供索引號(hào)。

uart@xxxxxx {clocks = <&scmi_clk U>;resets = <&scmi_reset V>;pinctrl-0 = <&uartA_0_pins>;pinctrl-1 = <&uartB_1_pins>;status ="okay";};

1. VirtIO-SCMI后端虛擬機(jī)需要修改VirtIO-SCMI Backend Service的配置文件，配置文件主要包含硬件的描述信息，索引關(guān)系，以及權(quán)限等等。
2. VirtIO-SCMI后端虛擬機(jī)啟動(dòng)VirtIO-SCMI Backend Service，然后再啟動(dòng)VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)，可以看到VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)的串口可以正常工作。

示例2

將VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)中某些CPU的頻率替換為VirtIO-SCMI。

大致步驟如下：

1. VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)需要修改設(shè)備樹：

• 首先需要增加scmi的perf的子協(xié)議設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)

firmware {scmi {compatible ="arm,scmi-virtio";#address-cells = <0x01>;#size-cells = <0x00>;scmi_perf: protocol@13 {reg = <0x13>;phandle = <0x04>;};};};

• 然后對(duì)應(yīng)CPU的設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)中的頻率屬性需要引用scmiperf子協(xié)議設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還需要通過參數(shù)來提供索引號(hào)。

cpus {cpu@0 {clocks = <&scmi_perf C>;};};

1. VirtIO-SCMI后端虛擬機(jī)需要VirtIO-SCMI Backend Service的配置文件，配置文件主要包含硬件的描述信息，索引關(guān)系，以及權(quán)限等等。
2. VirtIO-SCMI后端虛擬機(jī)啟動(dòng)VirtIO-SCMI Backend Service，然后再啟動(dòng)VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)。
3. VirtIO-SCMI前端虛擬機(jī)首先配置CPU0頻率為固定頻率408MHZ，然后通過coremak測(cè)試跑分效果；然后再配置CPU0頻率為固定頻率2.4GHZ，然后通過coremak測(cè)試跑分效果；進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比之后可以看到CPU固定頻率提升之后，跑分測(cè)試分?jǐn)?shù)從3011.594639提升到17049.329393，符合預(yù)期。
   

效果圖1

效果圖2

該方法基于VirtIO-SCMI的嵌入式虛擬化解決方案，通過將硬件資源訪問虛擬化，使前端虛擬機(jī)只需通過VirtIO-SCMI協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，而后端驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)通過procfs/ioctl統(tǒng)一處理真實(shí)硬件操作，既實(shí)現(xiàn)了多虛擬機(jī)間的資源隔離與安全管控，又避免了重復(fù)移植clock/power等驅(qū)動(dòng)，為車載、物聯(lián)網(wǎng)等需要嚴(yán)格外設(shè)隔離的場(chǎng)景提供新路徑。