• 工業(yè)自動化：伴隨 Linux HMI 運行確定性控制回路

• 機器人技術(shù)：結(jié)合 ROS 2 或更高層協(xié)議棧的實時控制

• 醫(yī)療系統(tǒng)：安全關(guān)鍵型監(jiān)測與用戶界面的分離

• 汽車領(lǐng)域：控制域與車載信息娛樂域之間的隔離

• 其他混合關(guān)鍵性領(lǐng)域：航空電子、國防、鐵路和能源系統(tǒng)

Bao 是一款輕量級、開源的靜態(tài)分區(qū) hypervisor，旨在實現(xiàn)強隔離和可預(yù)測的執(zhí)行。它支持 Arm（AArch64/AArch32）、RISC-V 及其他嵌入式架構(gòu)，并采用 Apache 2.0 許可證發(fā)布。

• 其核心分區(qū)模型中不包含運行時調(diào)度器

• 不進行運行時內(nèi)存分配 

• 不包含完整的設(shè)備仿真層

取而代之的是，Bao 依賴于 Stage-2 MMU/MPU 等硬件機制來實現(xiàn)隔離。設(shè)備在配置時被專屬分配給單個虛擬機，中斷直接路由至其對應(yīng)的虛擬機，從而避免了大部分虛擬化開銷。

某些用例需要對以太網(wǎng)或存儲設(shè)備等硬件資源進行受控共享。針對此類場景，Bao 支持基于 VirtIO 的通信：由一個虛擬機獨占物理設(shè)備，并通過共享內(nèi)存的前端/后端接口向其他虛擬機提供共享訪問權(quán)限。

針對更動態(tài)配置的可選調(diào)度支持目前正在開發(fā)中，預(yù)計將于 2026 年第三季度左右推出。

Bao 支持廣泛的平臺，尤其側(cè)重于工業(yè)和汽車應(yīng)用中常用的 NXP i.MX SoC。本演示以 Verdin iMX8M Plus 為目標平臺，在 Toradex Verdin iMX8M Plus 模塊上運行 Bao，并托管：

• Torizon OS（Toradex 的基于容器的嵌入式 Linux 平臺）

• FreeRTOS（實時操作系統(tǒng)）

該配置演示了靜態(tài)分區(qū)虛擬機管理程序如何在同一SoC上同時運行這兩個系統(tǒng)，并實現(xiàn)強隔離和可預(yù)測的執(zhí)行。

• Toradex Verdin iMX8M Plus 系統(tǒng)級模塊：Verdin iMX8MP Q 2GB WB IT V1.1A

• Verdin 開發(fā)板：Dahlia V1.1D

• Bao Hypervisor：v2.0.0 (0af4a1a)

• bao-demos 分支：master (f4d55d8)

• Torizon 操作系統(tǒng)：7.1.0

• FreeRTOS：demo (a4787e2)

• U-Boot：v2024.10

• 需要在單個 SoC 上整合實時和 Linux 工作負載

• 需要確定性執(zhí)行，且不受通用操作系統(tǒng)干擾

• 已使用 Torizon OS 并希望集成 RTOS 工作負載

• 正在為新設(shè)計評估基于分區(qū)的架構(gòu)

試用指南：如果您已使用 Torizon OS，并希望在 i.MX8M Plus 硬件上評估混合關(guān)鍵度工作負載的整合，本演示將為您提供一個實用的起點。 該設(shè)置需要一塊 Verdin iMX8M Plus 模塊、一塊 Verdin 開發(fā)板以及一臺標準的 Ubuntu 構(gòu)建主機。完整的構(gòu)建和部署流程可在 Bao 演示代碼庫中找到。

• 虛擬機 1（Torizon OS）：Linux、容器、網(wǎng)絡(luò)

• 虛擬機 2（FreeRTOS）：具有專用資源的實時任務(wù)

通過共享內(nèi)存區(qū)域和中斷機制，實現(xiàn)兩者之間的受控通信。

以下配置定義了由 Bao 強制執(zhí)行的靜態(tài)分配：

這種資源劃分可確保：

• 為 FreeRTOS 提供專用的 CPU 時間

• 虛擬機之間不存在設(shè)備爭用

• 明確界定的通信邊界

系統(tǒng)啟動過程如下：

1. 開發(fā)板通電

2. 固件初始化硬件

3. U-Boot 啟動

4. U-Boot：

1. 從SD卡將bao.bin加載到RAM中

2. 跳轉(zhuǎn)至 Bao 的入口點

5. Bao：

1. 為每個虛擬機生成第二階段頁表

2. 為每個虛擬機分配內(nèi)存區(qū)域、設(shè)備和中斷

3. 共享內(nèi)存區(qū)域和進程間通信（IPC）通道

4. 將控制權(quán)移交給虛擬機

5. 初始化 CPU、內(nèi)存管理子系統(tǒng)和控制臺

6. 并行進行虛擬機初始化：

此時：

• FreeRTOS在CPU 3上啟動并開始執(zhí)行任務(wù)

• Torizon OS 在 CPU 0–2 上啟動，并初始化 Linux、Docker 和 SSH

• 兩個系統(tǒng)并行運行，且不存在調(diào)度交互

虛擬機之間的通信通過以下方式實現(xiàn)：

• 一個 64 KB 的共享內(nèi)存區(qū)域

• 門鈴中斷機制

/dev/baoipc0

echo "Hello from TorizonOS" > /dev/baoipc0

FreeRTOS 接收并輸出：

Task1: 53
Task2: 53
message from linux: Hello from TorizonOS
Task1: 54
Task2: 54

FreeRTOS 還會寫回數(shù)據(jù)：

cat /dev/baoipc0
freertos has received 16 uart interrupts!

這展示了在沒有共享調(diào)度或意外交互的情況下，如何實現(xiàn)受控通信。

該演示程序可在 Bao 演示代碼庫中獲?。?/p>

• https://github.com/bao-project/bao-demos

• 平臺：imx8mp-verdin

• 演示項目：torizonos+freertos

export CROSS_COMPILE=/path/to/aarch64-none-elfgit
clone https://github.com/bao-project/bao-demos
cd bao-demos
export PLATFORM=imx8mp-verdin
export DEMO=torizonos+freertos
make -j$(nproc)

輸出：

wrkdir/imgs/imx8mp-verdin/torizonos+freertos/bao.bin
wrkdir/imgs/imx8mp-verdin/torizonos+freertos/torizonos.tar

Torizon OS 的構(gòu)建使用 Yocto，首次運行可能需要較長時間。

• Toradex Verdin iMX8M Plus 模塊 + 開發(fā)板

• microSD 卡

• USB-C 調(diào)試線（用于 UART 和固件刷寫）

• 支持 DHCP 的以太網(wǎng)

• 主機：Ubuntu 22.04 及以上版本，約 60 GB 磁盤空間

運行演示時，請重點關(guān)注：

• 啟動隔離：兩臺虛擬機獨立啟動

• 確定性執(zhí)行：FreeRTOS在專用CPU上運行

• 資源隔離：無意外的內(nèi)存或設(shè)備訪問

• 受控進程間通信（IPC）：僅通過定義的通道進行通信

為評估虛擬化開銷，分別對原生 FreeRTOS 執(zhí)行環(huán)境和在 Bao 上運行的 FreeRTOS 進行了中斷延遲測量。

結(jié)果表明，Bao 在保持確定性執(zhí)行特性的同時，引入的額外延遲極小。

還可以采用直接中斷注入和緩存分區(qū)（緩存著色）等額外優(yōu)化技術(shù)，以進一步降低混合關(guān)鍵性部署中的干擾效應(yīng)。OSYX 支持根據(jù)應(yīng)用需求對這些技術(shù)進行評估和集成。

有關(guān)靜態(tài)分區(qū)和混合關(guān)鍵度系統(tǒng)的更深入分析，請參閱： 深入解析基于 Arm 的混合關(guān)鍵度系統(tǒng)中的靜態(tài)分區(qū) Hypervisor

進一步探索：

• 修改分區(qū)配置（CPU、內(nèi)存、設(shè)備）

• 集成特定于應(yīng)用程序的工作負載

• 在實際條件下評估延遲和抖動

若需最簡入門方案：

• https://github.com/bao-project/bao-helloworld

Bao 支持的其他配置包括：

• 多個 Linux 虛擬機（包括 Android 虛擬機）

• Zephyr 虛擬機

• 裸機分區(qū)

• 虛擬機之間的 VirtIO 設(shè)備共享

• 通過緩存著色實現(xiàn)緩存分區(qū)

本演示展示了如何通過 Bao 實現(xiàn)靜態(tài)分區(qū)，從而在現(xiàn)代嵌入式平臺上對混合工作負載進行可預(yù)測且隔離的執(zhí)行。

通過結(jié)合：

• 用于實現(xiàn)高級功能的 Torizon OS

• FreeRTOS 用于實時控制

• Bao 實現(xiàn)嚴格分區(qū)

開發(fā)人員可以在保持明確隔離邊界和確定性行為的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)整合。

• Bao 項目

• Bao 虛擬機監(jiān)控程序

• Bao 演示

• Bao Hello World

• OSYX