在不到18個月的時間里，Google Android平臺已從一名“新生兒”成長為全球移動市場乃至移動領域之外其他智能設備領域內(nèi)的重要成員。越來越多的手持設備開始部署Android平臺，到2010年末，預計還會誕生數(shù)十種采用Android的手機設計，除此以外，Android在其他領域的應用也日益廣泛。

Android 平臺具有兩大吸引力：Android為OEM提供了一個功能豐富的開源移動操作系統(tǒng)，讓設備不僅做到“開箱即用”，而且能夠支持第三方應用程序；Android Market應用程序商店中第三方應用程序的產(chǎn)品組合不斷增加，拉升了對基于Android的設備的需求，同時為整個生態(tài)系統(tǒng)帶來了新的商機。但另一方面，以Android為目標的設備硬件也為開發(fā)人員帶來了一系列挑戰(zhàn)：內(nèi)核對CPU及SoC的支持、驅(qū)動程序開發(fā)、性能優(yōu)化、與其他系統(tǒng)軟件的整合等等。

本文將探討這些難題，并著重講述移動/嵌入式虛擬化如何能夠幫助OEM及其他開發(fā)人員簡化Android支持和遷移。特別地，本文將結(jié)合使用流行的Beagle Board與OKL4 Microvisor。此外，文中還將以安全VoIP作為應用示例，演示hypervisor技術(shù)如何幫助開發(fā)人員構(gòu)建和部署更加穩(wěn)健的Android設備及運行于其上的軟件和服務。

在BeagleBoard及其他硬件上支持Android

Beagle Board (

圖1：圖中架構(gòu)包含Beagle Board OMAP CPU“裸機”上運行的OKL4 Microvisor。啟動時，系統(tǒng)引導進入OKL4，然后由OKL4加載并協(xié)調(diào)Android及其他客戶機軟件的執(zhí)行。

在特定安全單元(虛擬機)中，microvisor托管：

Android。該組件與其他應用關(guān)鍵型組件完全隔離，以確保添加至該開放操作系統(tǒng)平臺中的軟件不會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性或安全性。事實上，即使Android發(fā)生崩潰或死鎖，OKL4仍可以重新加載/重新啟動 Android，而不影響其他安全單元中正在運行的軟件(如Linphone)。

Linphone(或其他VoIP棧和應用程序)。在我們的參考設計中，我們移植了Linphone以便直接在OKL4 Microvisor上運行，但如果資源允許的話，Linphone可以駐留在安全單元中的Linux實例上。我們的設計有意地將Linphone與 Android隔離開來，以確保Linphone的穩(wěn)定性和安全性；另一方面，將Linphone托管在OKL4 Microvisor之上還能夠節(jié)約內(nèi)存并提高性能。

音頻及串口驅(qū)動程序。Android與Linphone共享音頻驅(qū)動程序，即使用戶禁用了Android，該驅(qū)動程序仍能夠為VoIP通話提供音頻輸入/輸出。串口驅(qū)動程序是隔離共享的，以支持系統(tǒng)控制臺和調(diào)試。

運行系統(tǒng)功能如下：Android作為主操作系統(tǒng)，通過Beagle Board上的OMAP顯示硬件提供標準的Android用戶界面呈現(xiàn)給客戶。用戶可以使用基于Android的VoIP“撥號”應用程序或 Android下運行的Linphone控制臺服務器來啟動安全的VoIP通話。通話啟動后，用戶可以運行其他Android應用程序(游戲、網(wǎng)頁瀏覽等)，而不影響VoIP通話的質(zhì)量或安全性。此時，即使Android進入睡眠模式甚至死機，都不會導致通話中斷。

虛擬化和性能優(yōu)化

嵌入式開發(fā)人員總是不信任“阻擋其與硬件親密接觸”的軟件。 在智能設備發(fā)展初期，面向硬件的開發(fā)人員不喜歡使用高級語言，而偏好匯編代碼，以期從“裸機”中獲取更多性能。不久，實時操作系統(tǒng)便成了一種“感知瓶頸”。再之后，Linux和Android之類的應用操作系統(tǒng)進一步加深了癡迷性能的工程師、產(chǎn)品??理和最終用戶的不快。

而如今，移動/嵌入式虛擬化又形成了一個抽象層。它雖然提高了生產(chǎn)效率，但卻使開發(fā)人員及其代碼進一步“遠離”底層硬件，使開發(fā)人員無法深入發(fā)掘他認為的通過“裸機執(zhí)行所具有的性能優(yōu)勢”。

說起來也許令人難以置信，但在許多應用方面，虛擬化不僅只產(chǎn)生極小的性能開銷，而且還能夠提高吞吐量和響應速度，這主要得益于內(nèi)存利用率的提升和對 microvisor IPC的利用。使用了GTKPerf基準測試套件針對常見GTK+ UI框架執(zhí)行的測試結(jié)果如表1所示。GTKPerf提供了一個通用測試平臺，運行預定義的GTK+窗口小部件(打開組合框、切換按鈕、滾動文本等)來衡量設備或平臺的運行速度。

下表是我們在原始環(huán)境和虛擬化環(huán)境中運行GTKPerf時得到的實際耗時及開銷結(jié)果。對于Android圖形及平臺中的其他子系統(tǒng)，結(jié)果應該與此類似。

表1：原始環(huán)境與虛擬化環(huán)境下的GTK執(zhí)行性能。

下面我們來探討一些更深入的microvisor實現(xiàn)示例，這些實現(xiàn)真實提高了Android等客戶操作系統(tǒng)的性能，這種性能提升在ARM9系列低成本芯片上尤為明顯。

快速地址空間切換

像 OKL4這樣設計精良的microvisor并不依賴于其托管的客戶操作系統(tǒng)，并且能夠在不同客戶機和客戶機進程間提供快速、低延遲的上下文切換。 Android軟件架構(gòu)構(gòu)建于相互隔離的組件之上，這些組件借助自定義IPC機制進行通信。與傳統(tǒng)基于Linux的環(huán)境相比，該架構(gòu)會產(chǎn)生更多的進程間通信，每次切換進程上下文都需要刷新全部緩存。如果常規(guī)Linux中的上下文切換會產(chǎn)生延遲和內(nèi)存總線占用，那么Android的情形可想而知。

為提高Android的性能，OKL4會維護此類上下文切換的相關(guān)高速緩存狀態(tài)，以提高高速緩存利用率，這樣不僅縮短了上下文切換延遲，而且還提高了整體性能。

將內(nèi)存占用降至最小

OKL4 Microvisor針對性能和內(nèi)存使用進行了優(yōu)化。對于Android與Linux或OKL4 Microvisor這類基于微內(nèi)核的環(huán)境，直接比較滿棧占用的內(nèi)存大小非常困難。顯然，Android與Linux就連提供的服務范圍都各不相同。

不過，值得注意的是，OKL4微內(nèi)核本身只占用幾十KB，而Android和Linux的內(nèi)核都是以MB來衡量的。雖然OKL4與生俱來的小尺寸并不能將系統(tǒng)占用降至最小，但是這個小尺寸基礎平臺與一系列附加組件相互集成就形成了一個輕量級準虛擬化平臺──OK:Android。與Xen或KVM之類的企業(yè)和桌面hypervisor(包含整個Linux內(nèi)核)相比，OKL4真的非常小巧。

擴展架構(gòu)及其應用

本文介紹的系統(tǒng)架構(gòu)旨在演示在虛擬化環(huán)境中運行Android及相關(guān)軟件的簡單和實用之處。這一結(jié)構(gòu)有可能為Android以外的其他客戶操作系統(tǒng)提供同樣的支持。 為方便操作系統(tǒng)集成，OK Labs提供了多種常見移動/嵌入式操作系統(tǒng)的準虛擬化版本，其中包括OK:Linux和OK:Symbian，以及協(xié)助開發(fā)人員準虛擬化幾乎任何開源操作系統(tǒng)的工具和服務。

除此以外，該設計類型并不局限于移動應用或Beagle Board。為方便在廣泛的移動設備上使用，OKL4支持ARMv5、ARMv6和ARMv7架構(gòu)。這種廣泛支持使得能夠輕松將Android及其他受支持操作系統(tǒng)遷移到其他CPU和SoC，以及Beagle Board開發(fā)環(huán)境或移動應用以外的設備類型；如今，已有超過5億部設備采用了OKL4。

由于OKL4使用了相同的虛擬化架構(gòu)，因此能夠輕松地支持在以下設備上運行的高級操作系統(tǒng)(如Android、實時操作系統(tǒng)及針對特定目的構(gòu)建的平臺)：上網(wǎng)本，Webpad、機頂盒與數(shù)字錄像機、高清電視、車載系統(tǒng)、醫(yī)療設備──實際上是支持任何基于ARM的設備。

本文小結(jié)

借助虛擬化設計，OEM及開發(fā)人員不但能夠簡化遷移和集成，還能夠享受軟件組件之間高度隔離所帶來的穩(wěn)定性和安全性。在Beagle Board上，OKL4 Microvisor提供了一個穩(wěn)定、可靠托管Android這一流行平臺的捷徑。請盡情暢想，它能夠為您的下一設計帶來哪些令人贊嘆的功能。

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