一、前言
ZVM（Zephyr-based Virtual Machine）作为新一代Type 1.5 RTOS虚拟化解决方案（Hypervisor），为单芯片多OS和多任务处理提供了实时且灵活的虚拟化支持。在嵌入式设备中，串口通信是数据传输与调试的关键手段，然而，集成在芯片上的串口数量往往有限（有的芯片仅配备1个串口）。在开发虚拟化技术与功能时，单一串口显然无法满足需求，因为ZVM及其多个虚拟机OS通常需要同时使用串口进行调试。为解决这一问题，采用分时复用的串口虚拟化机制，可以有效缓解串口资源不足的困境，支持多个虚拟机共享有限的串口资源，确保开发过程中各虚拟机的调试需求得到满足。
嵌入式计算湖南省重点实验室以QEMU平台为例，介绍ZVM中的串口虚拟化方案。ZVM通过分层的设备模拟架构以及数据转发机制实现串口虚拟化功能，为虚拟机分配独立、充足的虚拟串口资源，突破了物理串口数量的限制，为多虚拟机系统提供了灵活的数据交换机制，同时为开发者提供了简便的抽象层接口，最终实现基于单一物理串口对ZVM与虚拟机间的一对多交互。
二、ZVM虚拟串口的设计与实现
1、整体架构设计
虚拟串口的整体架构设计可以分为以下三层，各层共同协作实现虚拟串口的完整功能。
以ARM PL011 UART控制器为例，该层负责模拟真实的硬件行为，包括寄存器映射、数据发送与接收、中断处理等。它提供虚拟串口抽象层的接口的具体实现，从而实现对真实ARM PL011控制器的模拟。
该层提供对虚拟串口的抽象接口，屏蔽具体UART控制器的硬件细节，使上层应用可以方便地使用虚拟串口。主要包括：设备初始化、设备生命周期管理、数据收发等。后续新增其它UART设备的模拟只需完成串口设备模拟层。
ZVM使用Zephyr 的Shell UART作为人机交互的媒介，我们利用Shell UART的Bypass机制绕过默认的 Shell处理逻辑，当与虚拟机交互时，将采用特定的数据转发函数（FUNC）。在这个转发函数中，使用虚拟串口抽象层的接口即可实现与虚拟机的交互。
与虚拟机交互时，虚拟串口整体工作逻辑如下图1所示：
图1 虚拟串口工作逻辑
2、虚拟设备层实现
设备层负责实现虚拟串口的具体硬件行为，确保能够为虚拟机模拟出正确的 ARM PL011 UART控制器的功能。以下是设备层的主要内容：
设备层需要模拟 ARM PL011的寄存器，包括数据寄存器（DR）、控制寄存器（CR）、状态寄存器（FR）等，如下图2所示。
图2 ARM PL011寄存器结构体
寄存器模拟的最基本任务是支持虚拟机对设备寄存器的读写，当虚拟机通过内存映射读写UART设备时，该层应当实现对具体地址处数据的写入和返回函数，下图3为一个实现写入功能的示例。
图3 虚拟串口寄存器写入函数
寄存器模拟的另一重要任务是正确模拟硬件设备的行为。比如，虚拟机将数据写入DR后，不仅需要立即取出数据，还应及时修改RIS寄存器的TX中断位，表示发送缓冲区为空，触发TX中断，虚拟机会再次收到中断而继续发送数据。
除寄存器的模拟外，还应为虚拟串口设备设置缓冲区。我们使用Zephyr的k_fifo管理数据流，确保数据的正确传输，并避免数据丢失。比如，虚拟机读取DR时，应当实现从FIFO中取出一个数据，返回给虚拟机，部分代码如下图4所示。此时FIFO一定不为满状态，需要保证FR的RXFF位为0，若FIFO已空，需要置FR的RXFE位为1。与此同时，也需要负责RX中断相关寄存器的维护，本处不再赘述。
图4 虚拟串口FIFO管理代码示例
简而言之，虚拟串口设备中断的模拟工作就是在应当发出中断信号的时机，由ZVM向虚拟机发送中断信号。
是否发送中断信号的依据有两方面：
虚拟机是否屏蔽了所有中断；
FIFO中数据量是否达到触发中断的阈值（当然，也可设置为只要存在数据立即通知虚拟机读取）。
通过PL011的驱动程序可知，虚拟机对串口设备的中断的使能、屏蔽操作会落实到IMSC寄存器上，如下图5所示。因此，在虚拟机未屏蔽所有中断的情况下都应发生中断信号。判断逻辑如下图6所示，其中enabled与level的状态对应着上述两方面依据。
图5 PL011驱动程序片段
图6 PL011中断模拟程序片段
3、数据转发层实现
数据转发层的任务是实现用户与多虚拟机的交互，主要分为数据转发逻辑与虚拟串口切换逻辑。我们通过Shell的Bypass机制，如下图7所示，将用户输入的数据直接转发给虚拟串口设备，或者将虚拟串口设备接收到的数据直接转发给用户所用终端。
图7 Bypass 机制代码片段
由此可见，当不存在自定义的Bypass处理函数时，Shell将执行后续默认处理逻辑。同时，我们注册了自定义命令，可以实现指定要连接的虚拟机，以及设置特定的组合按键退出与虚拟机的连接。
至此，我们可以实现在多虚拟机与ZVM之间的灵活切换。
4、功能演示
本处演示为QEMU平台上ZVM启动Zephyr RTOS和Linux虚拟机，并通过虚拟串口与虚拟机交互，以及交互对象的切换。
图8 ZVM虚拟串口功能演示
三、注意事项
针对PL011串口驱动的虚拟化，Linux中的amba-pl011驱动在初始化时直接访问的部分地址（即最初的几次读寄存器操作）与Zephyr有一定差异，如图9所示，因此在针对Linux VM的串口寄存器访问时，需进行特殊处理。
图9 Linux VM中的PL011驱动访问寄存器LOG信息
