“软件定义汽车”下的软件虚拟化技术

​01.虚拟化技术概述

近年来，随着嵌入式软硬件的高速发展，嵌入式系统产品已融入日常生活的方方面面，在航空航天、车载电子、工业控制等要求更为严苛等领域的应用也更加广泛。特别对汽车领域，每辆车内ECU的使用数量已从21世纪初的30-50个飙升至上百个，其复杂程度也呈指数级上升，给汽车嵌入式软件的开发与测试带来极大挑战。引入虚拟化技术来应对复杂硬件所带来的挑战，成为了历史长河发展的必然。

虚拟化本质是提供一个虚拟的操作系统执行环境，让复杂多样的嵌入式程序（包括操作系统）能够并行运行在同一物理硬件环境上。自上世纪六十年代以来，虚拟化技术已形成一套合理且受业界认可的理论体系：运行在真实物理环境上的称为宿主机（host OS，Operating System），通过虚拟化技术实现的全系统运行环境称为虚拟机（Virtual Machine，VM），在虚拟环境中执行的操作系统称为客户操作系统（Guest OS）。

世界上第一位计算机博士David Wheeler说过，“计算机科学中的任何问题都可以通过增加一个中间层来解决”，因此虚拟化技术在硬件和客户操作系统软件之间引入了一个新层级，称之为Hypervisor或VMM（Virtual Machine Monitor），这一层级就可以简单理解为软件虚拟化技术。

02.如何理解Hypervisor

可以进行如此理解：一台电脑的硬件就好比一栋高层大楼，电脑中的诸多虚拟机就可看做大楼中的多套房屋。每个房屋都有各自的卧室（CPU）、储藏室（内存）和私人网线（网络资源），享受着独门独户的私密空间和生活设施。

但实际上，大楼的电梯、供水系统、电网是所有房屋共用的。也就是说，虽然每个房屋看似拥有专属资源，但其背后依赖的是全楼共享的基础设施。这些资源是由物理主机（大楼）统一提供并智能分配的，每个虚拟机只在需要时，按需使用共享资源的一部分。

Hypervisor就像这栋大楼的物业管理员，在幕后精心安排以确保每个虚拟机（房屋）既能安全、高效的享用所需资源，又不会互相干扰，就像住在独立的房屋中一样。

03.Hypervisor分类

在虚拟化技术的发展历程中，由于特点、用途、功能不同，出现了多个种类的虚拟化类型。大体上可以根据host OS的有无，或者Hypervisor是否直接运行在硬件上，将其分为Type-1型和Type-2型。

3.1 Type-1型Hypervisor

Type-1型也被称为裸机型Hypervisor，如下图所示，没有宿主操作系统，而是直接运行底层硬件之上，直接管理CPU、内存等真实资源的同时，向上层提供客户操作系统的抽象执行环境，常见的有VMware ESXi、Microsoft Hyper-V、Xen。

 ▲Type-1型Hypervisor

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由于需要一定程度上融合操作系统的功能，Type-1型也被分为微内核架构和宏内核架构，刚才介绍的前两种属于宏内核Hypervisor产品，而Xen就是典型的微内核产品。

虽然Hypervisor能够为虚拟机提供更接近物理机的性能，但也存在显著的缺点与局限性：

1. 复杂性和部署难度：由于直接安装在物理硬件上，其安装与配置通常更为复杂，需要特定的管理工具来配置和管理虚拟机，这些工具可能需要额外的培训与学习成本。复杂装备中，高昂的硬件成本也会对后续测试与验证带来挑战。

2. 硬件兼容性：直接运行在硬件上导致Type-1型的硬件依赖性较强，如果硬件不支持或兼容性较差，就可能导致系统不稳定或性能下降。

3. 灵活性较低：无法轻松与现有的桌面操作系统集成，每次调整配置或测试新环境都需要直接在硬件上操作，系统更新与补丁管理也需要精心规划以减少对生产环境的影响。

3.2 Type-2型Hypervisor

Type-2型Hypervisor安装在操作系统上，依赖于基础操作系统提供服务，其寄生的宿主操作系统拥有对硬件平台和资源的全部控制权，包括CPU与物理内存。如下图所示，Hypervisor包含在Host OS中，并不直接与硬件交互：

 ▲Type-2型Hypervisor

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此类Hypervisor可以使用宿主机的各种功能模块，如宿主机自身的调度模块等，充分利用宿主操作系统对物理硬件的管理功能，只需提供对客户操作系统的管理即可。这意味着，宿主操作系统首先启动并管理硬件资源，而后Hypervisor在宿主系统内部运行，并进一步创建和管理虚拟机。最具代表性的Type-2型硬件虚拟化产品为KVM（Kernel-based Virtual Machine），软件虚拟化产品则为SkyEye（详见下文）。

尽管可能在资源效率方面有所欠缺，但Type-2型相较Type-1型有着易用性和兼容性方面的巨大优势：

1. 易于部署和管理：直接安装在操作系统上，不需要额外的硬件配置或引导管理，能与更多种类的硬件兼容。

2. 使用体验与测试友好：Type-2型能直接在桌面操作系统中使用，通常带有图形用户界面（Graphical User Interface，GUI），用户可以更方便地创建、管理和操作虚拟机。

04.利用虚拟化技术模拟汽车嵌入式系统

对汽车领域而言，虚拟化技术的模拟可分为硬件虚拟化和软件虚拟化。硬件虚拟化由于需要使用和嵌入式系统CPU相同架构的平台，在采购成本上较为受限，仅能模拟同源架构，在外设虚拟化上的支持也较为逊色。

软件虚拟化则较好解决了上述问题，通过将汽车嵌入式系统硬件环境进行虚拟仿真实现更高的灵活性，资源分配也更为灵活，工程师可不受物理硬件的限制，随时访问目标系统，快速搭建虚拟硬件原型，提前进行开发、测试及验证工作。

05.应用案例

天目全数字实时仿真软件SkyEye，属于Hypervisor Type-2型的软件虚拟化工具，是符合“软件定义汽车”的工具软件。

作为一款国产自主的基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，SkyEye目前已支持涵盖汽车ECU所用到的大部分处理器架构，如PowerPC、Tricore系列等，能够用于汽车BMS系统、汽车发动机管理系统等虚拟原型（即虚拟ECU）的搭建。

应用基于SkyEye的虚拟ECU，工程师可以：

• 无需关心真实线缆繁琐的连接关系，工程一次搭建，持续可复用；
• 具备真实CAN总线和INCA硬件的仿真能力，支持数量几乎无限制的仿真硬件；
• 支持符合AUTOSAR协议的OS及应用程序的运行；
• 集成原有标定上位机软件，外接Simulink模型模拟真实数据。

 ▲SkyEye汽车BMS系统仿真

​除了通过虚拟化技术及数字孪生帮助快速构建所需ECU、有效缩短整车研发周期外，SkyEye还能帮助用户节省昂贵的硬件设备制造成本，无需对程序进行任何修改即可实现嵌入式软件的运行与调试，覆盖嵌入式软件开发全生命周期，真正实现嵌入式的“敏捷开发，降本增效”。