AURIX? TC4x虛擬化技術(shù)助力下一代汽車EE架構(gòu)設(shè)計(jì)

英飛凌AURIX? TC4x 微控制器首次引入了虛擬化技術(shù)，幫助客戶重新構(gòu)建整車EE架構(gòu)，最大化利用MCU的硬件資源，其資源隔離的特性還可以降低軟件開發(fā)和集成的難度，更好地滿足功能安全和信息安全的要求。

本文主要介紹了虛擬化技術(shù)的背景，虛擬化系統(tǒng)的組成和分類，嵌入式虛擬化的優(yōu)點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域的使用案例以及面臨的挑戰(zhàn)。

虛擬化技術(shù)的背景

1

1.1

虛擬化技術(shù)的發(fā)展歷史

1955年，F(xiàn)ortran語言之父John Backus首次提出了分時(shí)（Time-Sharing）技術(shù)，通過該技術(shù)，昂貴的大型機(jī)可以被多個(gè)用戶同時(shí)使用，這被公認(rèn)為最早的虛擬化技術(shù)的概念 ^[1] 。1972年，IBM公司研發(fā)出了VM/370虛擬機(jī)操作系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了虛擬化技術(shù)的商業(yè)落地。1974年，Gerald J. Popek和Robert P. Goldberg系統(tǒng)闡述了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)虛擬化所需要滿足的特性，以及虛擬機(jī)和虛擬機(jī)監(jiān)控器的概念，這些概念一直沿用至今 ^[2] 。如今的虛擬化技術(shù)已經(jīng)從PC端發(fā)展到嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

1.2

嵌入式虛擬化的發(fā)展

嵌入式虛擬化的興起首先得益于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，以英飛凌的TriCore?品牌為例（圖1），經(jīng)過多年的發(fā)展，TriCore?的內(nèi)核架構(gòu)不斷升級，主頻持續(xù)攀升，最新的下一代AURIX? TC4x首次引入了虛擬化技術(shù)，讓嵌入式MCU從硬件上支持虛擬化成為現(xiàn)實(shí)。

圖1 TriCore? MCU發(fā)展歷史

其次，在汽車領(lǐng)域，軟件定義汽車日漸盛行，MCU的軟件架構(gòu)也從單核到多核，再到多核的虛擬化逐漸演變 ^[3] ，如圖2所示。

圖2 MCU軟件架構(gòu)的演變

最后，從客戶角度出發(fā)，出于節(jié)約成本，系統(tǒng)整合，功能安全，信息安全以及配置靈活性等多維度考量，嵌入式虛擬化也是其中的關(guān)鍵突破口（圖3）。

圖3 嵌入式虛擬化的關(guān)鍵特性

虛擬化系統(tǒng)概述

2

2.1

虛擬環(huán)境的組成

典型的虛擬環(huán)境由三部分組成：硬件，虛擬機(jī)以及虛擬機(jī)監(jiān)控器（圖4）。

圖4 虛擬環(huán)境的組成

• 硬件 ，可以是任意支持虛擬化技術(shù)的處理器，如英飛凌的下一代高性能MCU，AURIX? TC4x。

• 虛擬機(jī) （VM，Virtual Machine），是執(zhí)行不同虛擬化應(yīng)用程序的容器。通過虛擬化技術(shù)，將物理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照CPU，Memory，外設(shè)，中斷等維度進(jìn)行虛擬分配，形成所謂的虛擬計(jì)算機(jī)。

• 虛擬機(jī)監(jiān)控器 （VMM，Virtual Machine Monitor），又稱Hypervisor（以下均簡稱Hypervisor），它是橫跨在虛擬機(jī)和硬件之間的一個(gè)軟件層，其主要作用是協(xié)調(diào)不同虛擬機(jī)的運(yùn)行，確保它們之間互不干擾。

  
  

2.2

虛擬化系統(tǒng)的分類

根據(jù)Hypervisor在整個(gè)虛擬化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)位置的不同，可以將Hypervisor分成兩種類型 ^[1] （圖5）：

• Type1 Hypervisor：Hypervisor直接跑在硬件的裸板上，并運(yùn)行在最高特權(quán)級，而所有的虛擬機(jī)運(yùn)行在較低的特權(quán)級。Hypervisor直接負(fù)責(zé)其上各個(gè)虛擬機(jī)的資源分配以及運(yùn)行時(shí)的調(diào)度策略。

• Type2 Hypervisor：Hypervisor作為一個(gè)應(yīng)用程序跑在主機(jī)的OS上，與其他應(yīng)用程序沒有本質(zhì)區(qū)別。Hypervisor需要與主機(jī)上的OS協(xié)商資源分配。

  
  

圖5 Hypervisor的類型

兩種Hypervisor相比，Type1的Hypervisor因?yàn)橹苯釉L問底層的硬件資源，在使用效率和性能上更好，一般適用于嵌入式系統(tǒng)。而Type2的Hypervisor因?yàn)檫\(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，即使非技術(shù)型用戶也可以很好地操作Hypervisor，一般用于桌面系統(tǒng)，比如個(gè)人電腦等等。

嵌入式虛擬化的優(yōu)點(diǎn)

3

在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式虛擬化有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

有利于系統(tǒng)整合

從系統(tǒng)架構(gòu)層面來看，整車的EE架構(gòu)已經(jīng)從傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)向集中式架構(gòu)轉(zhuǎn)變（圖6）。

圖6 整車EE架構(gòu)的變革

以域控制器架構(gòu)為例，以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)域控制器，在它們下面掛著不同功能模塊的小型ECU ^[4] 。引入虛擬化技術(shù)之后，可以將其中部分小型ECU以虛擬機(jī)的形式移植到域控制器里面，最大化地使用域控MCU的硬件資源，從而減少ECU的數(shù)量 ^[5] ，降低系統(tǒng)的BOM成本。圖7是一個(gè)簡單的例子說明這個(gè)概念。

圖7 虛擬化技術(shù)有助于域控制器融合

從軟件開發(fā)的角度來看，引入虛擬化之后，Hypervisor將硬件資源分配給不同的虛擬機(jī)，虛擬機(jī)跟應(yīng)用程序之間有一定的映射關(guān)系。各個(gè)軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)Hypervisor分配的硬件資源和調(diào)度策略去執(zhí)行自己的應(yīng)用程序開發(fā)，然后做軟件集成（圖8）。由于各個(gè)虛擬機(jī)可以獨(dú)享自己的硬件資源，彼此之間互不干擾，各個(gè)虛擬機(jī)甚至可以使用不同的AUTOSAR軟件，不同的操作系統(tǒng)，不同的開發(fā)工具。這樣就解決了不同開發(fā)團(tuán)隊(duì)或者不同供應(yīng)商的程序在同一個(gè)硬件系統(tǒng)中運(yùn)行，系統(tǒng)集成難度大的問題。

圖8 虛擬化方案軟件開發(fā)流程

有利于功能安全和信息安全的部署

虛擬化技術(shù)的一個(gè)顯著特定就是隔離，Hypervisor為不同的虛擬機(jī)分配硬件資源，如CPU，內(nèi)存，外設(shè)以及中斷。以AURIX? TC4x為例，用戶可以對每一個(gè)虛擬機(jī)分配特定的內(nèi)存和外設(shè)，以及它們的訪問權(quán)限，中斷也可以給到指定的虛擬機(jī)去響應(yīng)。這樣原本在不同ECU層面的功能安全和信息安全目標(biāo)，現(xiàn)在在不同虛擬機(jī)之間就能夠?qū)崿F(xiàn)（圖9）。

圖9 虛擬機(jī)隔離示意圖

增強(qiáng)了系統(tǒng)集成的靈活性

每一個(gè)虛擬機(jī)可以做到獨(dú)立的啟動(dòng)和停止，以及獨(dú)立的去編程和燒錄，這大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和集成的靈活性。

汽車嵌入式虛擬化的使用案例

4

這里簡單介紹兩個(gè)嵌入式虛擬化在汽車電子領(lǐng)域的使用案例。

案例一：新能源多合一

圖10 新能源多合一系統(tǒng)示意圖

新能源多合一技術(shù)是當(dāng)前新能源汽車的研究熱點(diǎn)。圖10是雙電機(jī)和DCDC功能融合的案例，CPU0運(yùn)行MCAL和通信協(xié)議棧，CPU1運(yùn)行Inverter A的應(yīng)用，CPU2運(yùn)行Inverter B和DCDC的應(yīng)用，每一個(gè)應(yīng)用里面可以有一個(gè)或者多個(gè)虛擬機(jī)，不同的虛擬機(jī)通過Hypervisor實(shí)現(xiàn)它們的調(diào)度。這樣可以最大化地利用MCU的硬件資源，減少ECU數(shù)量，降低系統(tǒng)的BOM成本。此外，Inverter應(yīng)用和DCDC應(yīng)用的開發(fā)可能來自不同的軟件團(tuán)隊(duì)，即使他們的開發(fā)環(huán)境（操作系統(tǒng)，編譯器，調(diào)試器）不同，由于應(yīng)用跑在不同的虛擬機(jī)里面，彼此之間互不干擾，從而降低了開發(fā)和集成的難度。

案例二：充電樁V2G技術(shù)

圖11 使用虛擬化對V2G相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行隔離

V2G技術(shù)被認(rèn)為是電動(dòng)汽車和電網(wǎng)進(jìn)行雙向能量和信息交互的理想范式。但是近年來黑客攻擊充電樁的事件時(shí)有發(fā)生。為了防止黑客在用戶充電過程中對汽車的入侵，我們可以在控制器端采取防御措施。比如，將與充電樁通信相關(guān)的應(yīng)用放到一個(gè)特定的虛擬機(jī)里面 ^[6 ] ，該虛擬機(jī)對其他硬件資源的訪問進(jìn)行嚴(yán)格的管控，從而達(dá)到虛擬防火墻的作用（圖11）。

汽車嵌入式虛擬化的挑戰(zhàn)

5

當(dāng)然，嵌入式虛擬化也面臨著諸多挑戰(zhàn) ^[7] ，總結(jié)為如下幾點(diǎn)：

?

?

實(shí)時(shí)性

雖然嵌入式系統(tǒng)都是Type1的Hypervisor，但是Hypervisor作為中間的調(diào)度軟件，本身也會(huì)消耗時(shí)間片，系統(tǒng)越復(fù)雜，調(diào)度策略也會(huì)越復(fù)雜，Hypervisor本身的時(shí)間開銷也會(huì)越大，從而影響系統(tǒng)的整體實(shí)時(shí)性。

?

?

故障處理的復(fù)雜性

引入了虛擬化之后，多個(gè)應(yīng)用集成在一個(gè)MCU控制器當(dāng)中，如果某一個(gè)虛擬機(jī)出現(xiàn)系統(tǒng)失效，我們需要盡可能的保證該虛擬機(jī)的故障處理不影響到其他虛擬機(jī)的正常運(yùn)行，盡量避免單個(gè)虛擬機(jī)失效影響整個(gè)系統(tǒng)的情況發(fā)生，這對故障處理功能帶來了挑戰(zhàn)。

?

?

通用功能的系統(tǒng)整合

對于多應(yīng)用融合的方案，在引入虛擬化之后，一些通用的系統(tǒng)功能，如休眠喚醒功能，如何整合所有應(yīng)用去做最終的方案策略，值得客戶深思；再比如，AUTOSAR的基礎(chǔ)軟件，是共用一套BSW軟件，還是每個(gè)應(yīng)用都有自己的BSW軟件，也是一個(gè)值得商榷的問題。

?

?

軟件生態(tài)

當(dāng)前，嵌入式虛擬化的軟件大都是非開源的商業(yè)軟件，且軟件本身沒有類似AUTOSAR這樣的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，軟件公司根據(jù)不同芯片廠商的硬件支持情況各自制定自己的解決方案。

總結(jié)

6

總的來說，虛擬化技術(shù)最早在計(jì)算機(jī)端興起，而嵌入式系統(tǒng)的虛擬化正在成為一種趨勢。用戶可以根據(jù)自身需求將MCU的硬件資源靈活地拆分成多個(gè)虛擬機(jī)，不同的應(yīng)用跑不同的虛擬機(jī)，Hypervisor負(fù)責(zé)管理各個(gè)虛擬機(jī)的啟動(dòng)，運(yùn)行以及停止，最大限度地利用MCU的資源。虛擬化的隔離特性有助于客戶的軟件開發(fā)和集成，滿足功能安全和信息安全的要求。英飛凌最新一代AURIX? TC4x將從硬件上支持虛擬化技術(shù)，助力整車的E/E架構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)和集成。

參考文獻(xiàn)

REFERENCE

[1] https://www.ibm.com/history/time-sharing

[2] SANTIAGO LOZANO, TAMARA LUGO, JESúS CARRETERO. A Comprehensive Survey on the Use of Hypervisors in Safety-Critical Systems [J]. IEEE, VOLUME 11, 2023, 36244-36263.

[3] Gernot Heiser, Open Kernel Labs, Inc. TECHNOLOGY WHITE PAPER-Virtualization for Embedded Systems[R/OL]. April 2008. https://www.researchgate.net/publication/234804454.

[4] Dominik Reinhardt, Daniel Adam, et al. Embedded Virtualization Approaches for Ensuring Safety and Security within E/E Automotive Systems[J]. Engineering, Computer Science, 2015.

[5] Alexandra Aguiar, Fabiano Hessel. Embedded Systems’ Virtualization: The Next Challenge? [J]. IEEE International Symposium on Rapid System Prototyping, 2010

[6] Stefaan Sonck Thiebaut, Antonio De Rosa, et al. Secure Embedded Hypervisor based Systems for Automotive[C]. 2016 46th Annual IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks Workshops.

[7] 王洪波. 嵌入式虛擬化技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023.8.