車載基礎軟件——內(nèi)核和中間件核心技術(shù)：虛擬化（三）

我是穿拖鞋的漢子，魔都中堅持長期主義的工程師。

老規(guī)矩，分享一段喜歡的文字，避免自己成為高知識低文化的工程師：

“

養(yǎng)成在清醒狀態(tài)下先攻克難題的習慣，我的意思是，無論何時——早上、下午，或是晚上，只要發(fā)覺自己的狀態(tài)適宜做任何事，就先做最困難的事，那么，你就會慢慢掌握集中注意力的方法。

”

本文主要分享關(guān)于車用基礎軟件的內(nèi)核和中間件核心技術(shù)---虛擬化的關(guān)鍵技術(shù)解讀。

一、CPU虛擬化和節(jié)能降耗技術(shù)

車載高性能處理器一般采用多核 CPU 架構(gòu)。在 SMP（Symmetric Multi-Processing 對稱多處理）架構(gòu)下，Hypervisor 調(diào)度器會根據(jù) CPU 的親和性配置讓客戶機操作系統(tǒng)在指定的 CPU 上運行，虛擬機的操作系統(tǒng)可按照自己的調(diào)度方式，比如 :：優(yōu)先級方式在 CPU 上進行任務調(diào)度。為了最大化地利用系統(tǒng)資源，Hypervisor 也支持多個虛擬機對某個 CPU 的共享使用。在共享核上，Hypervisor 可通過優(yōu)先級或時間分區(qū)方式對虛擬機進行調(diào)度，確保虛擬機運行時間和調(diào)度策略是確定的。Hypervisor 的調(diào)度算法需要確保不能夠出現(xiàn)分區(qū)內(nèi)某個虛擬機出現(xiàn)死循環(huán)或故障而長期占用處理器資源，導致其他虛擬機的業(yè)務無法得到合理時間配額的問題。

虛擬機調(diào)度還需要考慮節(jié)能降耗問題，在工作負載較高的情況下系統(tǒng)提升主頻提升用戶體驗，在工作負載較低的情況下系統(tǒng)自動節(jié)能降頻提升續(xù)航。車載高性能處理器本身為了節(jié)能降耗需求設計為大小核架構(gòu)，CPU 以及之上運行的復雜操作系統(tǒng)需要支持大小核調(diào)度，動態(tài)調(diào)頻，低功耗設置，關(guān)閉 CPU 核，休眠（Suspend to RAM/Suspend to Disk）等節(jié)能降耗功能。系統(tǒng)虛擬化后，CPU 等物理資源都需要Hypervisor 才能直接訪問，Hypervisor 調(diào)度算法也需要完成對虛擬機節(jié)能降耗的支持。

二、IO設備虛擬化

出于性能考慮，一般嵌入式領域多使用半虛擬化技術(shù)。半虛擬化技術(shù)需要 Guest OS 中的前端驅(qū)動與Hypervisor 中的后端驅(qū)動配合實現(xiàn)。前端驅(qū)動將 Guest OS 的請求通過 Hypervisor 提供的通信機制發(fā)送給后端驅(qū)動，后端驅(qū)動通過調(diào)用物理驅(qū)動實現(xiàn)對設備的訪問。這就涉及到不同廠商的 Guest OS 與不同廠商的 Hypervisor 生態(tài)對接問題。

Virtio 是目前最流行的一種 I/O 半虛擬化解決方案。Virtio 是 OASIS 標準組管理的開放協(xié)議和接口，以使得虛擬機能夠標準化方式訪問 IO 設備。Virtio于2016年3月正式標準化，2020 發(fā)布 V1.1 版本。Virtio 標準采用通用和標準化的抽象模型，支持設備類型不斷增加，性能高效，在云計算領域廣泛應用，開源活躍度高，Linux 等操作系統(tǒng)已有穩(wěn)定的前端驅(qū)動代碼。大部分商業(yè)和開源 Hypervisor 都已經(jīng)支持Virtio 標準。

Virtio 是車載行業(yè)比較常用的半虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)，如圖 2.4-6 所示，在 Guest OS 內(nèi)部虛擬一條設備總線 Virtio-bus，通過 Virtio Ring 雙向通信機制，前端驅(qū)動與掛載在 Virtio-bus 上遵循 Virtio 標準的后端虛擬設備，進行訪問與通信。Virtio 提供了全面的 Virtio 總線和設備控制接口，包括 virtio-net，virtio-blk，virtio-console，virtio-input 等。

三、實時性技術(shù)

實時性是嵌入式實時操作系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標。Hypervisor 的實時性是整個系統(tǒng)實時性的基礎，如果 Hypervisor 無法及時調(diào)度到客戶機操作系統(tǒng)運行，客戶機操作系統(tǒng)也不能取得較好的實時性指標。衡量 Hypervisor 實時性主要指標包括中斷延遲和調(diào)度延遲。中斷延遲以硬件發(fā)生中斷時刻為起始時間，以虛擬機收到 Hypervisor 注入的中斷時刻為截止時間，在各種壓力情況下最長延時時間即為中斷延時。調(diào)度延遲是指以高優(yōu)先級的虛擬機進程就緒為起始時刻，以該高優(yōu)先的虛擬機進程得到調(diào)度運行為截止時刻，在系統(tǒng)各種壓力情況下最長的延時時間即為調(diào)度延遲。

中斷虛擬化后，當外界中斷產(chǎn)生時，Hypervisor 收到并以最快的速度注入到虛擬機，使得 Hypervisor 對虛擬機中斷處理時間足夠少。Hypervisor 優(yōu)化虛擬機的切換時間，盡量減少 Hypervisor 上關(guān)中斷和關(guān)搶占的時間，盡量少使用內(nèi)核鎖，當高優(yōu)先級的虛擬機需要切換運行時，能最快速度切換至高優(yōu)先級虛擬機上運行。

四、安全和可靠性技術(shù)

功能安全、信息安全和可靠性是車控操作系統(tǒng)產(chǎn)品可靠安全運行的必要組成部分。Hypervisor 為智能汽車域控制器提供基礎運行環(huán)境，其安全性和可靠性是保證整個系統(tǒng)功能安全和可靠的基礎和核心。Hypervisor 需按照汽車功能安全 ISO26262 ASIL-D 最高標準進行設計，開發(fā)和測試，其功能安全需求由域控制器產(chǎn)品的安全需求分解產(chǎn)生。

Hypervisor 上運行了多個虛擬機，一個虛擬機的異常不能傳遞至其他虛擬機。Hypervisor 能獲取到當前系統(tǒng)整體健康狀態(tài)，當虛擬機發(fā)生異常時，Hypervisor 應實時監(jiān)控系統(tǒng)健康狀態(tài)，有效地隔離故障，并在最小波及范圍內(nèi)修復異常，保障系統(tǒng)持續(xù)可用。