一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统及方法

本发明涉及虚拟化集成操作系统，特别是指一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统及方法。

背景技术：

1、嵌入式系统的技术领域经历了从简单控制逻辑到复杂的操作系统和应用程序的快速演变。最初，嵌入式设备主要用于执行简单的任务，如计时器或基本信号处理。随着计算能力的提高和成本的降低，这些设备开始承担更复杂的功能，如图像处理、人工智能推理、边缘计算、网络通信和高级数据处理等。

2、在嵌入式系统领域，尤其是在分布式嵌入式系统的应用中，技术的发展一直面临着硬件资源限制和高效资源管理的双重挑战。早期的嵌入式系统大多设计为单一硬件设备上的简单任务执行，随着技术的进步，这些系统开始扩展到更复杂的应用，包括分布式处理和多任务操作。

3、在这一领域的初期阶段，分布式嵌入式系统主要依靠物理硬件的直接管理和控制。这种方式在处理简单或单一硬件平台的任务时表现良好，但它在处理大规模或复杂任务时显得力不从心。尤其是在异构环境中，每个节点都需要具备执行特定程序所必需的环境和硬件条件，这限制了其灵活性和扩展性。

4、为了克服这些限制，虚拟化技术被引入到嵌入式系统中。通过虚拟化，单个设备可以模拟多种硬件资源，从而允许不同程序在同一物理设备上运行。然而，常见的虚拟化技术主要依赖于单个设备的资源，当面对需要更大硬件资源的程序时，单个节点的硬件资源可能无法满足需求，导致系统性能受限或任务无法完成。

5、在异构的嵌入式系统中，不同设备可能采用不同的处理器架构和硬件配置，这给系统的统一管理和资源优化带来了额外的复杂性。单一硬件的虚拟化解决方案很难直接应用于这样的环境，因为它无法有效地整合来自不同硬件的资源，也无法在不同的硬件架构之间进行有效的任务调度和资源分配。

6、因此，现有技术在处理跨硬件平台的资源整合、任务调度和执行方面存在明显的缺陷。这些限制不仅降低了系统的效率，也限制了其应用的范围。尤其是在大型程序执行和资源密集型应用场景中，现有方法的不足更为明显。

技术实现思路

1、本发明提出一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统及方法，提高了硬件资源利用率和系统灵活性，实现了跨异构平台的无缝运行，解决单一设备资源限制等问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，包括真实异构设备硬件层、集成虚拟化层和虚拟化操作系统层；

3、真实异构设备硬件层中包含异构环境中的所有嵌入式设备，所有嵌入式设备进行组网，每个嵌入式设备搭载有虚拟化接口；

4、集成虚拟化层将异构环境中的嵌入式设备进行组网和硬件资源虚拟化，并集成一个虚拟设备；

5、虚拟化操作系统层在虚拟设备上搭载适配操作系统。

6、进一步地，集成虚拟化层包括虚拟化cpu、虚拟化内存、虚拟化各硬件寄存器，虚拟化cpu通过isa（架构指令集）转译模块实现不同架构指令集的转换和执行，虚拟化内存通过内存地址映射模块将嵌入式设备中的物理内存映射到一个虚拟内存表中进行维护，虚拟化各硬件寄存器通过内存地址映射模块将嵌入式设备映射至虚拟内存中。

7、进一步地，集成虚拟化层还包括异构通信调度模块，通过异构通信调度模块进行不同嵌入式设备间的cpu切换和数据交换。

8、进一步地，集成虚拟化层还包括硬件弹性管理模块，硬件弹性管理模块用于监控各个嵌入式设备的状态，并处理嵌入式设备的上线和离线导致的虚拟化cpu、虚拟化内存以及虚拟化各硬件寄存器的变动。

9、进一步地，isa转译模块通过动态或静态重编译技术，将虚拟设备支持的指令集和源硬件平台支持的指令集间进行转换。

10、进一步地，内存地址映射模块将嵌入式设备的物理地址转为虚拟设备的内存地址，使得来自不同嵌入式设备的内存被视为一个连续的、统一的内存块。

11、进一步地，所有嵌入式设备通过5g、有线或无线局域网进行组网。

12、一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成方法，采用所述的虚拟化集成操作系统，包括以下步骤：将异构环境中的所有嵌入式设备进行组网，并启动虚拟化接口程序，将所有嵌入式设备进行虚拟化，并集成到一个虚拟设备中，在虚拟设备上搭载适配操作系统。

13、本发明的有益效果：

14、1）本发明提供了一种新型操作系统架构，现有的方法中，往往是将虚拟化作为操作系统的上层建筑，视为一个操作系统之上的软件平台来向用户提供服务，同时操作系统是部署在单个硬件设备上，是硬件与操作系统一对一的关系。本发明将虚拟化技术深度集成到操作系统中，不仅仅是作为一个单独的层或服务，而是作为系统架构核心的一部分，并且虚拟化层将异构环境中的嵌入式设备的硬件资源虚拟化集成到单个硬件设备，称为虚拟设备。这使得在硬件底层中，硬件与操作系统是多对一的关系。这种集成方式提高了资源的利用率，同时也增强了系统的灵活性和可扩展性。

15、2）本发明解决了节点依赖性过高的问题，现有技术要求每个分布式节点都具备可执行程序要求的环境和硬件条件。本发明通过一个统一的虚拟化集成操作系统，实现跨异构设备的资源虚拟化与集成，降低了对单个节点硬件配置的依赖性，使得系统可以灵活调度资源，以适应不同的任务需求。

16、3）本发明解决了单一设备资源限制的问题，现有方法中，程序执行受限于单个设备的硬件资源，尤其是在面对大型程序和资源密集型任务时。本发明通过虚拟化技术，将多个设备的硬件资源整合形成一个虚拟设备，从而增加了可用资源，提高了任务执行的能力和系统的整体性能。

17、4）本发明改善了硬件基础局限性，现有的虚拟化平台通常依赖于单一设备的硬件资源。本发明解决了这一问题，通过引入一种能在多个异构设备之间转换和映射资源的集成虚拟化层，实现了真实设备架构与虚拟设备架构之间的无缝对接。

18、5）本发明改善了系统的灵活性和动态配置问题，在现有的分布式嵌入式虚拟化平台中，改变系统配置或增加新功能往往需要物理上的硬件更改或全新的软件部署，这不仅成本高昂，而且时间耗长。本发明通过虚拟化集成操作系统使得系统配置和功能的更新可以在软件层面上动态进行，无需物理介入，增强了系统的灵活性和可维护性。

19、6）本发明增强了跨架构兼容性，本发明提供的集成虚拟化层能够实现不同硬件架构之间的指令集转换，使得应用程序能在任何支持的硬件上运行而不需修改代码，这不仅减少了开发和维护的成本，也使得设备升级或更换过程中能够无缝迁移应用，从而增强了跨架构的兼容性。

20、7）本发明解决了资源分配和优化问题，现有系统中的资源分配通常是静态的，或者缺乏足够智能的动态分配机制，导致在资源需求变化时系统反应不够迅速或效率低下。本发明的操作系统通过智能的资源管理和调度算法，能够实时监测资源使用情况，并根据任务需求动态调整资源分配，优化系统性能并减少资源浪费。

技术特征：

1.一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，其特征在于：包括真实异构设备硬件层、集成虚拟化层和虚拟化操作系统层；

2.根据权利要求1所述的一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，其特征在于：集成虚拟化层包括虚拟化cpu、虚拟化内存、虚拟化各硬件寄存器，虚拟化cpu通过isa转译模块实现不同架构指令集的转换和执行，虚拟化内存通过内存地址映射模块将嵌入式设备中的物理内存映射到一个虚拟内存表中进行维护，虚拟化各硬件寄存器通过内存地址映射将嵌入式设备映射至虚拟内存中。

3.根据权利要求2所述的一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，其特征在于：集成虚拟化层还包括异构通信调度模块，通过异构通信调度模块进行不同嵌入式设备间的cpu切换和数据交换。

4.根据权利要求2或3所述的一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，其特征在于：集成虚拟化层还包括硬件弹性管理模块，硬件弹性管理模块用于监控各个嵌入式设备的状态，并处理嵌入式设备的上线和离线导致的虚拟化cpu、虚拟化内存以及虚拟化各硬件寄存器的变动。

5.根据权利要求2所述的一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，其特征在于：isa转译模块通过动态或静态重编译技术，将虚拟设备支持的指令集和源硬件平台支持的指令集间进行转换。

6.根据权利要求1所述的一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，其特征在于：内存地址映射模块将嵌入式设备的物理地址转为虚拟设备的内存地址，使得来自不同嵌入式设备的内存被视为一个连续的、统一的内存块。

7.根据权利要求1所述的一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统，其特征在于：所有嵌入式设备通过5g、有线或无线局域网进行组网。

8.一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的虚拟化集成操作系统，包括以下步骤：将异构环境中的所有嵌入式设备进行组网，并启动虚拟化接口程序，将所有嵌入式设备进行虚拟化，并集成到一个虚拟设备中，在虚拟设备上搭载适配操作系统。

技术总结本发明提出了一种面向异构嵌入式设备的虚拟化集成操作系统及方法，所述虚拟化集成操作系统包括真实异构设备硬件层、集成虚拟化层和虚拟化操作系统层；真实异构设备硬件层中包含异构环境中的所有嵌入式设备，所有嵌入式设备进行组网，每个嵌入式设备搭载有虚拟化接口；集成虚拟化层将异构环境中的嵌入式设备进行组网和硬件资源虚拟化，并集成一个虚拟设备；虚拟化操作系统层在虚拟设备上搭载适配操作系统。本发明提高了硬件资源利用率和系统灵活性，实现了跨异构平台的无缝运行，解决单一设备资源限制等问题。技术研发人员：杨春升,蒋翔宇,彭振南,郑肖帅,张钰朋,万宝,崔浩文,白云泽,郑利敏,陈静受保护的技术使用者：中原工学院技术研发日：技术公布日：2024/12/2