车用基础软件的内核和中间件核心技术---虚拟化

我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的工程师。
老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：
人，既会因局限而不完美，又会因追求完美而感到幸福。有没有可能，局限是一种需要突破才能收获的幸福呢？所以，有没有可能，上帝公平地给每一个人以局限，其实是给我们幸福的机会？那么，现在这幸福的机会就在眼前，和你自身的局限那样显而易见，还等什么？勇敢去挑战吧！

本文主要分享关于车用基础软件的内核和中间件核心技术---虚拟化。
虚拟化
随着ICT（信息和通信技术）技术的发展，单SOC算力在性能上可以承担更多业务：
-> 网络带宽拓展及低时延;
-> 区分服务等特性使得业务部署;
-> 功能分配更加灵活.
比如在感知、融合、规划、控制、执行可分离解耦，汽车业务功能可分可合、可软件定义。电子电气架构从分布式架构到域集中式架构，再到中央集中式架构转变，分散的 ECU功能集成到域控制器甚至车载中央计算机，这就是多域融合。
汽车电子底层硬件不再是由单一芯片提供简单的逻辑计算，而是需要复杂的多核SOC芯片提供更为复杂控制逻辑以及强大的算力支持。但是多域业务具有不同的技术需求：
-> 座舱域IVI业务强调交互体验、应用生态丰富，比较适合的操作系统是 Android（另外一个因素对实时性要求不是特高）；
-> 仪表盘、辅助驾驶有实时性、可靠性要求，操作系统倾向于 RTLinux、RTOS；
-> 智驾域强调大算力融合感知、推演规划，也有实时性、可靠性要求，也会选择RTLinux、RTOS。
在域融合的同时，要保证关键业务的安全可靠，也要考虑应用生态的可持续性兼容，这就需要有资源隔离技术来支撑在同一SOC上切分资源，可并发运行多种操作系统，保障互不干扰。
资源隔离技术有多种，从硬件底层逐层向上包括硬件隔离、虚拟化隔离、容器隔离、进程隔离等。
1、硬件隔离的隔离性最好，单隔离域的性能、安全可靠性最好，但灵活性、可配置性差，不能实现硬件共享，导致整个系统的资源利用率差，不能充分达到软件定义汽车的目标。
2、容器隔离、进程隔离可以更轻量级地实现业务隔离，但还是在同一个操作系统内，存在着资源干扰、相互安全攻击的隐患，并且无法支持异构操作系统业务域融合，影响传统业务继承，不利于生态发展。
因此在众多的资源隔离技术中，虚拟化是安全可靠、弹性灵活的优选方案，是软件定义汽车的重要支撑技术。

技术形态
Hypervisor直译即 “超级监督者” ，也称为虚拟机监控程序（VMM）。Hypervisor处于SoC硬件平台之上，将实体资源（如CPU、内存、存储空间、网络适配器、外设等 ) 转换为虚拟资源，按需分配给每个虚拟机，允许它们独立地访问已授权的虚拟资源。Hypervisor实现了硬件资源的整合和隔离，使应用程序既能共享CPU等物理硬件，也能依托不同的内核环境和驱动运行，从而满足汽车领域多元化应用场景需求。

在汽车领域，Hypervisior主要完成以下任务：
-> CPU虚拟化：为虚拟机提供VCPU资源和运行环境，搭载实际运行的实体；
-> 内存虚拟化：负责为其自身和虚拟机分配和管理硬件内存资源；
-> 中断虚拟化：发生中断和异常时，按需将中断和异常路由到虚拟机进行处理；
-> 虚拟机设备模拟：根据需求创建虚拟机可以访问的虚拟硬件组件；
-> 硬件支持 BSP：提供 Hypervisor在SoC上运行的板级支持包，如串口驱动；
-> 虚拟机资源配置：对虚拟机的CPU，内存，IO外设等资源进行配置和管理；
-> 虚拟机通信：为虚拟机提供IPC，共享内存等通信机制。
-> 虚拟机调度：为虚拟机提供优先级和时间片等调度算法；
-> 虚拟机生命周期管理：创建，启动和停止虚拟机；
-> 虚拟机调测服务：提供控制台，日志等调试功能；
在汽车领域，该方案还面临如下挑战：
-> 轻量高效。Hypervisor 在带来软件定义的灵活性的同时，也导致了软件栈层次增加，不可避免会有性能损耗。汽车领域的成本敏感特性，注定了降低 CPU、存储、网络、GPU 等外设性能损耗的需求贯穿整车项目始终，因此 Hypervisor 的轻量和高效十分重要；
-> 安全可靠。相较于互联网领域看重的资源动态分配和闲置利用，汽车领域更看重Hypervisor的实时性、可靠性、安全性；
-> 便捷适配。在汽车领域，芯片类型和操作系统丰富多样，嵌入式虚拟化的一大特点就是异构，Hypervisor必须具备快速适配不同的底层硬件和上层操作系统的能力
虚拟机管理器(VMM)或Hypervisor从20世纪60年代中期的大型机时代发展而来，就像OS调度线程一样，VMM调度OS，每个OS都有一个沙箱。现在Hypervisor的使用场景常见于数字座舱域控制器，通过Hypervisor运行多个操作系统，比如QNX和安卓，满足不同的控制域对实时性和应用扩展性的需求。
搁笔分析完毕！
愿你我相信时间的力量，
做一个长期主义者！