虛擬化：使軟件盡早插手系統設計

軟件開發是一個令人著迷的產業。在過去這些年來，隨著開發商不斷的采用新的編程語言(從Fortran到Pascal再到C++及其他更高級的語言)，它也在不斷的改變著。但是，盡管開發商很容易注意到軟件本身可以推動創新，但是很少考慮他們基礎設施應對變化的可能手段。在虛擬化發展過程中 ，這將有所改變。

當第一個嵌入式設備出現時，眾所周知，軟件根本不存在;所有的功能建立在硬件中。隨著微處理器的引入，軟件內容出現了，但是仍然在整體系統中只占一小部分。在過去二十年，隨著軟件規模和復雜性的爆炸性增長，嵌入式行業經歷了一個整體的遷移。今天，軟件是嵌入式系統中提高功能和創新的主要推動力。

雖然硬件設計在工具和工藝開發方面得到了重要的投資，但是軟件的開發流程基本上從二十世紀八十年代就保持基本靜態。硬件產業得益于良好的標準和流程，但是軟件開發的方法并沒有跟上，使得程序員從事軟件開發完全是臨時性的。

這種缺乏基本的軟件開發基礎設施的后果太常見了：成本超支、跟不上日程和質量差的軟件。軟件開發目前的辦法可以看出約有三分之二的項目遲于上市，三分之一超過預算，并且，將近一半的嵌入式設計被取消。即使為工作或者產品的性能增撥資源，也不能使得軟件開發者脫離一貫的碰壁情況。

為什么在嵌入式程序世界存在如此驚人的斷開?為什么軟件在設計越來越復雜時仍停滯不前?這既不是人也不是設備的問題。相反，它是沒有為輔助軟件發展設計出精密戰略發展基礎設施而造成的。

一個嵌入式設備通常是重新開始的，始于硬件且終于軟件。這個過程是順序的，由硬件開始設計圍繞一定的期望，考慮存儲、MIPS、界面、連接性等等。多種器件放到一塊建立起一個硬件系統，它才是軟件開發最重要的。這種以硬件為中心，自下而上的方法涉及到許多步驟和多重依賴關系，而且只有經過系統整合階段，當軟件實際在平臺運行時，這個系統才能從性能的角度去理解。(相比之下，面向服務的體系結構(Service-Oriented Architecture,SOA)，這種方法規在設計一個基礎架構(以支持必要的服務)之前已經規劃好了必要的服務)。

自下而上開發方法的主要弱點是，在軟件設計過程中，它把軟件作為一種后添加的事物，盡管有越來越多的系統功能依賴于軟件，而不是硬件。整合在這個過程中發生的非常晚，從而難以發現由硬件、設計或者架構引入的錯誤。在許多情況下，開發商不得不重新考慮他們的設計以降低時間成本和預算。

隨著軟件的復雜度達到了新的高度，并且固定程序被證明是付運的主要障礙，以硬件為中心方法的低效和不實用正在變得越來越明顯。開發商如何才能戰略性重新思考自己的發展方法以至于使得他們不再受到硬件的擺布?軟件開發商在系統階段如何能夠較早的進入系統設計?這就是虛擬化出現的原因。

虛擬化的先驅

虛擬化技術用于嵌入式設備開發已經好幾年，既作為實際硬件的替代，也作為復雜系統的設計和調試平臺。在硬件設計產業，仿真已經用于插口和PCB 階段。無論是設計處理器，PCB或者SOC，硬件開發商可以使用仿真工具，像Mentor、Cadence和Synposys，以建立模型和預測他們系統的行為，而無需等候真實物理系統開發出來。

嵌入式設備之外，我們看到了許多產業在使用傳統方法碰壁后運用虛擬化方法取得成功。在過去兩年里，服務器虛擬化已經通過提高數據中心效率和降低總體成本方面取得了很大的進展。虛擬化已經解決了這種持續的挑戰，包括服務器擴散、CPU利用不充分和應用分離。

仿真同時被引入了許多產業，如航空航天和國防，應用在他們自己的軟件開發中。通常，這些行業需要如此復雜的設計，以至于等待了一年或者更多年后才知道硬件是行不通的。隨著點解決方案、設計復雜度基本上授權給這些公司投入資源在國內開發虛擬化軟件解決方案，仿真已經在國內發展起來了。

嵌入式軟件開發行業正處在一個既不是傳統的、以硬件為中心的開發方法，也不是內部的點上，一次過的虛擬軟件開發解決方案在這個競爭激烈的市場，必須能夠提供快速的產品上市時間、節約成本和質量保證。嵌入式設備中軟件內容的角色沒有任何下降的趨勢，多核器件的增長將前所未有的復雜性加入到了硬件和軟件中。必然走向多核設計，只需強調對軟件開發解決方案需求，從而能夠充分利用多核設備的潛在性能。

當前的嵌入式軟件開發已經使公司戰略地重新審視和反思自己的過程是必要的，不僅僅在設備階段，還要在過程設計階段 。我們可以從中知道硬件產業確實需要仿真，但是我們也需要虛擬化，更進一步說，作為一個基礎的、根本的設施引入到我們自己的產業中。

虛擬化軟件開發是一個產品發展戰略，它可以將軟件開發從依賴于物理硬件(在其上，應用將被部署)解放出來。相反，虛擬化軟件開發使得軟件開發商可以直接在桌面上進行開發，制造出一個真實的共同發展戰略，這樣，硬件和軟件開發可以同時進行。軟件/硬件集成是前端的優先，而不是后端的急于求成。

虛擬化軟件的開發使得開發者制造了高性能，功能準確的硬件模型，可以使得他們在系統開發過程中盡早地開始調試、測試和優化系統。虛擬技術可以用于不同程度的細節，從處理器到板級到設備，在這樣的精度水平，二進制代碼可以不變運行且不會伴隨任何行為上的分歧。

物理硬件測試過程中，高性能虛擬平臺不同程度的控制是不可能的。必然的，當同樣的條件應用，軟件往往以相同的方式執行的固有性質成為了虛擬測試的一個實際。隨著處理器和硬件在復雜度上的提高，必然也就意味著在操作的過程中沒有其他的改變不是由于軟件的追蹤缺陷造成的，而是由硬件引起的往往難以察覺的變化，這個變化也就產生了所謂的“海森堡蟲子”(Heisenbug)，依賴于細小的時鐘干擾的狀態有的時候是不可能復制的，甚至是在整個系統反復重新運行過程中。仿真基礎設施背后的虛擬平臺使得開發者可以單步驟或者停止系統來檢查他們的內部轉臺。開發者可以在仿真多核處理器內核和每個內核的多個過程中不斷的復制一個錯誤，從而使得多核處理器調試就像調試一個單一處理器的單一程序一樣簡單。