智能座舱虚拟机系统

智能座舱虚拟机系统

1. 功能模块介绍

智能座舱平台（Smart Cockpit Platform）

智能座舱整体解决方案，方案融合智能车机、TBOX、智能天线、HUD、液晶数字仪表、车联网、以太网等智能网联终端和生态，为车主提供更智能、更安全的汽车生活 。

智能车机（Intelligent Car Machine）

一体机、IVI、DA三种中控车机形态可选硬件规划i.MX8、i.MX6、AC8215、Accordo5高、中、低端全系平台产品。 软件平台布局Android、Linux、QNX三大系统，产品定位各种车型。

TBOX

从长安Incall 1.0远特为长安配套2G TBOX开始，远特以低端、中端、高端解决方案布局TBOX通信终端， 为车企提供满足不同成本、性能需求的产品。

智能天线（Intelligent Antenna）

采用前沿的车载以太网硬件方案，结合AVB软件通讯协议，集成丰富无线功能，简化其它电子元器件的开发成本，降低整车系统成本。可与车厂进行联合开发，适配不同方案的需求，满足高中低端的需求，应用前景广。

数字仪表（Digital Instrument）

采用车规级双核Cortex-A9，搭载高度定制化的QNX操作系统，针对汽车仪表特性裁剪内核，高于业内普遍标准的开机速度。 同时，采用专业图形化工具KANZI进行界面设计，具备强大的图像处理和显示效果，提升用户使用感和驾驶安全。

HUD

丰富的经验及深厚的技术积累保证了产品的光学显示效果、用户体检、交互体验及可量产性， 产品的综合竞争力较强，可开发多种形态HUD方案。

 

 

 

2. 技术介绍

智能座舱系统让驾驶及汽车成为一体，通过不同的视觉模式，掌控行车环境及车内信息。随着高性能多核处理器在座舱电子领域的广泛应用，面对复杂的环境和控制要求，虚拟机能够更好的发挥芯片性能和节约成本，已经成为座舱电子不可或缺的软件系统，为了更好的应用这一技术在我们公司的智能座舱域控制器上，本文对座舱电子虚拟机技术进行了专业的产业研究。

新一代座舱电子SOC平台主要有：瑞萨R-CAR 3、德州仪器的Jacinto 7、英特尔Apollo Lake系列、NXP的i.mx8系列、联发科MT27xx系列、三星Exynos Auto 88xx系列与V系列、高通的SA系列。

 

 

 虚拟机Hypervisor，有些地方也把它称为VMM（virtual machine monitor），这个概念来自PC界，随着座舱处理器的性能越来越强，座舱屏幕越来越多，座舱电子涵盖的功能越来越多，虚拟机已经成为座舱电子不可或缺的软件系统，ARM V8-A架构芯片的大量应用也使得虚拟化很容易实现，多核高性能处理器不用虚拟机也难发挥全部性能，虚拟机已经是高性能多核处理器的标配。单处理器可以节约大量成本，无需仪表MCU，无需仪表的10层PCB，无需仪表ECU盒子，无需存储器，无需CAN收发器和大量线束。

在虚拟化环境下，物理服务器的CPU、内存和I/O等硬件资源被虚拟化并受Hypervisor的调度，多个操作系统在Hypervisor的协调下可以共享这些虚拟化后的硬件资源，同时每个操作系统又可以保存彼此的独立性。对座舱电子来说通常是三个OS，一个是强调实时性的仪表OS，一般是ASIL B。一个是丰富功能的娱乐OS，一般是ASIL A，还有一个弱ADAS功能，如360环视，DMS驾驶者行为监控，面部识别等，一般是ASIL C。通常都称之为Guest OS。

根据Hypervisor所处层次的不同和Guest OS对硬件资源的不同使用方式，Hypervisor虚拟化被分为两种类型：Bare-metal虚拟化方式（“裸机”虚拟化）和Host OS虚拟化方式(基于操作系统的虚拟化，宿主型虚拟化)。车载系统基本上都是裸机虚拟机，一般称之为Type-1型。除了基于软件的虚拟化之外，还有一类基于硬件的虚拟化，德州仪器和NXP更看好硬件虚拟化，他们首推硬件虚拟化。

Hypervisor直接给物理外设打交道，那它当然需要运行在特权privilege模式了，在过去没有virtualization extesion的情况下，guest os和guest application只能都运行在de-privileged模式，如下图所示。

 

 

 特权模式下执行的指令分成了两类：sensitive instructions（敏感指令）：这些指令试图去更改系统资源的配置信息，或者它的执行结果依赖于系统的状态。privilegedinstructions（特权指令）：这些指令在非特权模式下会trap（产生异常，陷入中断向量表），在特权模式下可以正常执行。

 

敏感指令是特权指令的子集。这种标准现在被称为classically virtualized（经典可虚拟化模型）， 不满足这个要求的情况下也可以做虚拟化（二进制翻译技术）。

 

ARMV7架构中包含8种处理器模式，其中包含1种非特权模式和7种特权模式：V8取而代之的是4个固定的Exception level，分別为EL0到EL3, 其中数字越大代表特权(privilege)越大。类似地，可以将EL0归属于non-privilegelevel，EL1/2/3属于privilege level。如下图所示。

 

 

 EL0: 无特权模式(unprivileged)，EL1:操作系統核心模式(OS kernel mode)，EL2: 虚拟机监视器模式(Hypervisor mode)，EL3:TrustZone® monitor mode。只有在异常(如：中断、page faults等)发生时（或者异常处理返回时），才能切换Exceptionlevel（这也是Exception level的命名原因，为了处理异常）。当异常发生时，有两种选择，停留在当前的EL，或者跳转到更高的EL，EL不能降级。对于ARMv8, Hypervisor运行在EL2异常级别。只有运行在EL2或更高异常级别的软件才可以访问并配置各项虚拟化功能。在EL2中实现额外的存储器转换层，称为“Stage 2转换”。hypervisor将为每个虚拟机创建和管理Stage 2的页表；提供3种虚拟异常的支持，Virtual SError, Virtual IRQ, 和Virtual FIQ。物理异常被配置为hypervisor捕获，虚拟异常将会被注入到Guest OS，针对Guest OS中dma设备，提供smmu硬件以支持dma重映射。

 对于x86架构，运行在X86架构上的操作系统（Operating System，OS）被设计为具有直接访问和控制硬件资源的权限。X86架构使用0、1、2和3四个权限Ring来控制管理硬件访问权限，其中用户应用程序运行在Ring3权限中。OS因为需要直接访问物理硬件资源而在Ring0中执行。X86架构下的这种层级授权机制也会被应用到虚拟机中。虚拟化上，x86架构要比ARM V8难得多。

 虚拟机分全虚拟和半虚拟两种，全虚拟是应用在虚拟操作系统上，半虚拟是API应用在虚拟操作系统上。

目前常见的虚拟机包括黑莓的QNX、英特尔主导的ACRN、Mobica为代表的XEN、松下收购的Open Synergy的COQOS、德国大陆汽车的L4RE，法国VOSyS的VOSySmonitor，其余还有很多，包括Green Hills的Integrity，日本的eSOL，SYSGO 的Pike，Mentor的Nucleus，三星哈曼的Redbend，EPAM的Xen。

 

 

 QNX公认是最成熟安全程度最高的座舱虚拟机操作系统，不过收费较高，包括入门费、席位费、服务费和授权费（按屏幕数量收费）。QNX虚拟机采用虚拟CPU模式。

 

 

 QNX使用基于优先级的虚拟CPU共享模式，每个虚拟CPU拥有自己的优先级和时间任务安排序列（scheduling），确保高安全优先级OS能够从低优先级OS那里抢占更多的物理CPU资源。虚拟CPU拥有估计资源预算能力，进而在物理CPU上实现自适应分区。能够最大化利用硬件资源。

 

 

 

各OS之间可以共享设备I/O界面，有助减低成本，减少开发周期。

 在GPU虚拟方面，QNX引入仲裁机制，优先为高安全等级OS提供GPU资源。

 

 

 

在2018年的Linux嵌入式大会上发布的ACRN，是一款灵活的、轻量级的参考hypervisor，以实时性和关键的安全性为设计出发点，并且通过开源平台为精简嵌入式开发进行优化。ACRN的最大优势之一是尺寸小，发布时大约只有25K行代码。英特尔开源技术中心为项目贡献了源代码，ACRN的早期支持者包括英特尔、ADLink凌华科技、Aptiv、LG电子和东软。后续则有三星哈曼加入。ACRN不是缩写，发音为“acorn”，（acorn英文意思为橡子）寓意虽然开始很小，但最终可以长的很大，ACRN有两个关键组成：hypervisor和ACRN设备模块。ACRN Hypervisor是一个Type 1的hypervior，可以直接运行于裸机上。ACRN设备模块是针对虚拟设备仿真的参考框架实现，它提供丰富的I/O虚拟化支持，目前计划支持音频、视频、图形和USB。随着社区发展，预计会有更多设备虚拟化功能加入。

 

 

 ACRN Hypervisor运行在裸机上，然后在其上可以运行一个基于Linux 的服务操作系统（SOS），然后可以同时运行多个客户操作系统，以便整合工作负载。ACRN hypervisor为Service OS创造了第一个虚拟环境，然后启动GuestOS。Service OS运行本地设备驱动程序来管理硬件，向Guest OS提供I/Omediation。Service OS以系统最高优先级的虚拟机运行，以满足时间对敏感需求和系统服务质量（QoS）的要求。Service OS目前可以运行Clear Linux，但是ACRN也支持其它Linux 的发行版或者专有RTOS作为Service OS或Guest OS。为了保持ACRN hypervisor代码库尽可能小且高效，大部分设备模块的实现驻留在Service OS，用来提供设备共享和其它功能。目的是保证在资源受限的设备上实现小尺寸，低延迟的代码库的优化。

  

 

 

  

ACRN的典型用例是奇瑞星途VX，这是奇瑞有史以来最高等级的车，也是奇瑞尺寸最大的车。配备了双12.3英寸液晶显示屏，仪表使用Clear Linux，仪表盘显示刷新频率达60Hz，中控采用最新的安卓9.0系统，这是转为车载系统开发的，包括一些专用功能，比如AI语音助手，空调灯光音量语音控制，导航AR增强等。同时配备面部识别系统，根据面部识别系统可以个性化设置内饰，同时导航是增强现实AR导航。使用Slim Boot Loader (SBL)技术让仪表盘冷启动低于2秒。

 

 

 

ACRN也有对ADAS的对应。

 L4微内核系统由德国国家信息技术研究院JochenLiedtke设计（此人已在2001年过世），1995年公开。众所周知，基于消息传递（Message Passing ）IPC 机制是微内核系统的基本特点之一。这一设计理念有助于提高系统的灵活性，模块化，安全性，以及可扩展性。IPC 的性能表现是决定微内核系统性能的关键因素，因为绝大多数系统调用和很多应用程序的服务都需要两个IPC, 一个服务请求，一个结果返回。消息传递IPC 机制现在已经大量用于多种计算机系统中，但是很多IPC 实现的性能并不太好。根据CPU 性能和消息长短不同，一个IPC 大概需要50到500  µs。L4内核支持三种抽象概念：地址空间，线程，和IPC。他只提供7 个系统调用，只有12K 字节代码。在486-DX50  机器上，一个地址空间切换IPC,8  字节参数传递，只需要5 µs 。1998年德国德累斯顿大学开发了基于L4的开源操作系统Fiasco.OC，采用基于对象的C++语言。同时也开发了L4运行环境，即L4Re。德国和法国的虚拟机系统推测有不少都是基于L4Re的。

 

 

 Fiasco.OC里有专为虚拟机开发的部分，称之为NOVA，这也是德累斯顿大学的作品。

 

 

 

上图为NOVA架构，和虚拟化有关的主要是三个Microhypervisor，VMM（Virtual MachineMonitor)和Root Partition Manager。可以看出hypervisor是对硬件的一种抽象，而且提供一种硬件的并发访问和隔离机制（多个guest+os同时运行，共享硬件，但是又互相不影响），这些功能与操作系统的功能十分类似， 能不能把hypervisor和os+kernel结合起来？答案是肯定的，这就构成 microhypervisor，微内核与hypervisor有许多共性，使得它们的结合巧妙而自然。

 

VMM在这里的功能是负责管理Virtual+Machine（VM）和host+os（microkernel）之间物理资源的交互。每一个VMM都向它的VM提供一组类似于物理硬件的接口，让所有的guest+os觉得自己好像运行在真实的物理机器上一样，同时microhypervisor保证它们之间的隔离性。需要强调的是，在NOVA里面，hypervisor和VMM不是同义词。一般情况下，我们认为hypervisor和VMM都可以译为虚拟机管理器，都是为了实现对硬件资源的抽象和复用以便支持多个os，但是在NOVA中，hypervisor是代表的privileged+kernel（microhypervisor）而VMM是代表一个deprivileged+user+component（从NOVA的架构图上很容易得出）。

 

微内核是不包含policy的，所以关于资源分配的策略也应该放在用户空间单独实现。其实这里的Root+Partition+Manager我认为就是Sigma0，Sigma0是L4/fiasco微内核的第一个用户进程，除了内核自己使用的内存之外，所有的内存、外设端口都交给Sigma0进程来管理，Sigma0负责向其他用户进程分配内存和外设资源。这也正体现了L4微内核的递归内存分配，而且所有的分配策略都在用户层决定。对于guest+os来说，它使用的是virtual+cpu（后文简写为vcpu），vcpu在guest+os看来是一个硬件，类似于真实的cpu，但是对于microhypervisor来说就是一个thread。microhypervisor采用的是基于优先级的、可抢占的、时间片轮转调度策略，每个物理cpu都保存一个runqueue。每一次调度的时候，调度器都会在就绪队列里选择出当前优先级最高的线程进行执行，把当前上下文切换到要调度的线程的上下文（context+switch）。对于调度器来说，它并不区分调度的线程是native+thread还是vcpu+thread。

 

大众下一代（最新的迈腾可能已经使用）中级车采用瑞萨的R-CAR M3（W或N）平台，它采用6核设计，两个A57四个A53，德国厂家的L4RE一般都基于M3或H3平台研究，一般都使用两个A53做仪表，每一个A57运行一个虚拟机VM。L4Re也通常和AGL（车规级Linux）连在一起使用。下图为L4的虚拟SOCKS和虚拟CONSOLE。

 

 

 2016年7月，松下收购了Opensynergy，该公司有一套名为COQOS的虚拟机系统。不仅可用于座舱，也可以用于自动驾驶系统，对自适应Autosar也有对应。并且也通过了2018版的ASIL B级认证。下一代日产、福特有可能采用这套系统（基于瑞萨R-CAR 3）。

 

 

 

2019年9月ARM在IAA展会上展出了由Mobica与联发科MT2712合作的三屏座舱电子系统，包括中控导航、仪表和副驾（360度环视），集成了TomTom的导航系统，该解决方案是使用 Google 的 Android 开放源代码项目（AOSP）开发的，可让 OEM 保留数据 IP，以用于未来的获利策略。Mobica的虚拟机主要基于Xen Project。

 

 

 

法国Virtual Open System公司在几乎在同时推出了基于MT2712的虚拟机样品，即VOSYSmonitor，并称通过了ASIL C级认证。它不是严格意义上的虚拟机，更像是一个虚拟分区系统。它利用ARM的TrustZone，支持多个并行不同类型不同安全等级的操作系统。

 

 

 

由于不是类似小型操作系统的虚拟机，这种轻量级系统性能比较好，但需要硬件配合，硬件必须像两个芯片那样设计。

 

 

 

全软件虚拟机的优点是软件灵活度很高，可以达到软件定义座舱的程度，也可以减少整体软件开发成本，缺点一是硬件资源消耗必然不低，因此也多在高通和英特尔平台上见到。缺点二，虚拟机对软件技术不足的企业来说，第三方的支持费用会非常高，如果出货量低的话，远不如使用两套独立的系统。硬件虚拟化的优点恰恰是针对这两个缺点的。像德州仪器J6这样的性能不足的芯片都可以虚拟化，第三方支持费用会很低，适合出货量不高的系统。缺点是灵活度不足。至于可靠性，硬件虚拟化有物理区域隔离，似乎更可靠，但全软件虚拟机也主打高可靠性，两者应该相差无几。

 

 

 

上图是NXP i.mx8qm的虚拟机图。

 

 

 

 

 

上图是德州仪器最新的J7即TDA4VM，整体达到ASIL B级，MCU岛达到ASIL C级。使用多达6个Cortex R5F来保证实时性和可靠性。