“软件定义汽车”下的软件虚拟化技术

2024-10-09
浙江
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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

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

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（点击查看 SkyEye 目前支持的处理器列表），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。