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  嵌入式系统慢慢的变依赖硬件——这就是一个问题。每次安装新硬件，都会带来额外成本、更多故障点、更高的维护复杂度，以及未来升级的更艰难路径。

  虚拟化和虚拟机监控程序提供了一条出路。通过用虚拟机（VM）替代物理上分离的平台，多个子系统可以合并成单一硬件平台——这一技术称为工作负载整合。

  这种方法解决了硬件碎片化带来的许多挑战。如今，借助预先集成工业级虚拟化与嵌入式硬件的平台，采用比以往任何一个时间里都更容易。

  工作负载整合最直接的优势是节约空间和成本。硬件组件减少，系统耗电更少，维护需求更少，占用的物理空间也更少。例如，传统上部署在不同平台上的运动控制和人机界面功能，可以在单一设备上并行运行。

  可靠性也有所提升。整合工作负载减少了系统总数，进而增加平均故障间隔时间（MTBF）。更少的组件——尤其是连接器和其他常见故障点——意味着停机时间更短，维护更简单。

  工作负载整合还增强了系统的灵活性。一旦建立了在单一平台上运行多项任务的能力，就可以将AI分析或预测性维护等额外功能与现有工作负载整合。这使得OEM能够在不重新设计底层计算架构的情况下升级设备功能。

  虚拟化是实现这一切的基础。虚拟化使用一种称为虚拟机监控程序的抽象层，将单一物理硬件转换为多个虚拟机（VM）。每个虚拟机是一个独立的软件环境，可以承载自己的作系统（OS）。

  在嵌入式环境中，它通常用于创建一个异构系统，即一个兼容实时作系统（RTOS）和通用作系统的平台（见图1）。

  虚拟机监控程序通过中介对CPU、内存和输入输出等资源的访问，使这种多作系统配置成为可能。这能够最终靠赋予虚拟机专用资源——例如一组CPU核心——或以避免虚拟机间干扰的方式管理共享资源来实现。

  只有 Type 1 虚拟机监控程序可以在一定程度上完成真正的确定性，因为它们消除了主机作系统带来的开销。这使得它们成为安全关键系统中唯一可行的选择。更广泛地说，Type 1 虚拟机监控器的可靠性能对各种嵌入式系统具有优势。

  虚拟化的一个关键优势是它提高了资源利用率。现代处理器通常拥有大量资源，无法被单一工作负载充分调用，比如多个进程核心和各种I/O。通过在同一平台上运行多个工作负载，这些本来浪费的资源可以被利用。

  虚拟化还能提高安全性和可靠性。由于虚拟机彼此隔离运行，安全漏洞或软件故障可能仅限于一台虚拟机，而不会危及整个系统。

  工作负载整合长期以来的一个担忧是，在共享平台上运行多个应用程序可能会降低实时性能。开发者通常担心通用工作负载可能会干扰确定性任务，带来延迟或抖动，从而削弱系统可靠性。

  实时虚拟机监控器通过时间和空间隔离来解决这样一些问题。时间隔离确保实时进程按时完成，不受其他工作负载干扰。空间隔离通过为特定虚拟机分配专用的CPU核心、内存和I/O设备来强制物理隔离。这些技术共同防止资源争用并保持确定性性能。

  例如，这使得RTOS的运动控制能够与运行在通用作系统上的人机界面（HMI）共存。在这里，虚拟机监控器可以对系统来进行分区，使运动控制获得绝对优先权。

  实时虚拟机监控器可通过利用IntelVT-x和AMD-V等硬件辅助虚拟化技术，进一步减少抖动并确保低延迟响应时间。这些技术加速上下文切换，减少虚拟化开销，并支持直接设备分配（称为“直通”）以提升I/O性能。

  硬件辅助还增强了对系统资源的细致控制，例如CPU核心分配、设备直通和调度策略。因此，高性能且时间紧迫的应用程序能在共享平台上可靠运行。

  虽然虚拟化有助于工作负载整合，但从零开始实施可能既复杂又耗时。OEM必须集成硬件、虚拟机监控程序、作系统和工业I/O，每个设备都有其独特的配置需求和潜在风险。

  为了简化采用，有解决方案平台可以预先将这些组件集成到一个经过验证的系统中（见图2）。这一些平台结合了硬件、虚拟机监控器和专为虚拟化工作负载设计的软件栈，确保兼容性并减少集成工作量。对于OEM来说，这使重点能够从低层系统集成转向高价值应用开发。

  此外，使用预集成的解决方案平台加快上市时间，降低性能瓶颈或集成错误的风险。通过与经验比较丰富的供应商合作，OEM能轻松的获得专家支持和可扩展的设计，为未来扩展做好准备。

  现代工作负载整合为OEM提供了一种强大的方式，通过在单一平台上运行多个应用程序，减少相关成本、简化系统架构并提升灵活性。实时虚拟机监控程序在实现这一目标中发挥关键作用，确保即使在复杂混合工作负载环境中也能保持性能和确定性。

  要充分发挥这些优势，一定要选择能够无缝协作的硬件和软件平台。预集成解决方案平台提供了经过验证的前进路径，最大限度地减少集成挑战并加快上市时间。

  随着工业系统日益复杂，对新功能需求的增加，拥抱工作负载整合的OEM将更有能力提供可扩展、高效且具有竞争力的解决方案。