英飞凌AURIX™ TC4x 微把持器初次引入了虚构化技巧，辅助客户从新构建整车EE架构，最年夜化应用MCU的硬件资本，其资本断绝的特征还能够下降软件开辟跟集成的难度，更好地满意功效保险跟信息保险的请求。本文援用地点：本文重要先容了虚构化技巧的配景，虚构化体系的构成跟分类，嵌入式虚构化的长处，在汽车范畴的应用案例以及面对的挑衅。虚构化技巧的配景11.1虚构化技巧的开展汗青1955年，Fortran言语之父John Backus初次提出了分时（Time-Sharing）技巧，经由过程该技巧，昂贵的年夜型机能够被多个用户同时应用，这被公以为最早的虚构化技巧的观点 [1] 。1972年，IBM公司研收回了VM/370虚构机操纵体系，真正实现了虚构化技巧的贸易落地。1974年，Gerald J. Popek跟Robert P. Goldberg体系论述了实现盘算机虚构化所须要满意的特征，以及虚构机跟虚构机监控器的观点，这些观点始终相沿至今 [2] 。现在的虚构化技巧曾经从PC端开展到嵌入式体系范畴。1.2嵌入式虚构化的开展嵌入式虚构化的崛起起首得益于半导体技巧的飞速开展，以英飞凌的TriCore™品牌为例（图1），经由多年的开展，TriCore™的内核架构一直进级，主频连续攀升，最新的下一代AURIX™ TC4x初次引入了虚构化技巧，让嵌入式MCU从硬件上支撑虚构化成为事实。图1 TriCore™ MCU开展汗青其次，在汽车范畴，软件界说汽车日渐风行，MCU的软件架构也从单核到多核，再到多核的虚构化逐步演化 [3] ，如图2所示。图2 MCU软件架构的演化最后，从客户角度动身，出于节俭本钱，体系整合，功效保险，信息保险以及设置机动性等多维度考量，嵌入式虚构化也是此中的要害冲破口（图3）。图3 嵌入式虚构化的要害特征虚构化体系概述22.1虚构情况的构成典范的虚构情况由三局部构成：硬件，虚构机以及虚构机监控器（图4）。图4 虚构情况的构成硬件 ，能够是恣意支撑虚构化技巧的处置器，如英飞凌的下一代高机能MCU，AURIX™ TC4x。虚构机 （VM，Virtual Machine），是履行差别虚构化利用顺序的容器。经由过程虚构化技巧，将物理盘算机体系依照CPU，Memory，外设，中止等维度停止虚构调配，构成所谓的虚构盘算机。虚构机监控器 （VMM，Virtual Machine Monitor），又称Hypervisor（以下均简称Hypervisor），它是高出在虚构机跟硬件之间的一个软件层，其重要感化是和谐差别虚构机的运转，确保它们之间互不烦扰。2.2虚构化体系的分类依据Hypervisor在全部虚构化体系中实现地位的差别，能够将Hypervisor分红两品种型 [1] （图5）：Type1 Hypervisor：Hypervisor直接跑在硬件的裸板上，并运转在最高特权级，而全部的虚构机运转在较低的特权级。Hypervisor直接担任其上各个虚构机的资本调配以及运转时的调理战略。Type2 Hypervisor：Hypervisor作为一个利用顺序跑在主机的OS上，与其余利用顺序不实质差别。Hypervisor须要与主机上的OS协商资本调配。图5 Hypervisor的范例两种Hypervisor比拟，Type1的Hypervisor由于直接拜访底层的硬件资本，在应用效力跟机能上更好，个别实用于嵌入式体系。而Type2的Hypervisor由于运转在操纵体系之上，即便非技巧型用户也能够很好地操纵Hypervisor，个别用于桌面体系，比方团体电脑等等。嵌入式虚构化的长处3在汽车电子利用范畴，嵌入式虚构化有如下多少个方面的长处：有利于体系整合从体系架构层面来看，整车的EE架构曾经从传统的散布式体系向会合式架构改变（图6）。图6 整车EE架构的变更以域把持器架构为例，以太网作为骨干收集衔接各个域把持器，在它们上面挂着差别功效模块的小型ECU [4] 。引入虚构化技巧之后，能够将此中局部小型ECU以虚构机的情势移植到域把持器外面，最年夜化地应用域控MCU的硬件资本，从而增加ECU的数目 [5] ，下降体系的BOM本钱。图7是一个简略的例子阐明这个观点。图7 虚构化技巧有助于域把持器融会从软件开辟的角度来看，引入虚构化之后，Hypervisor将硬件资本调配给差别的虚构机，虚构机跟利用顺序之间有必定的映射关联。各个软件开辟团队依据Hypervisor调配的硬件资本跟调理战略去履行本人的利用顺序开辟，而后做软件集成（图8）。因为各个虚构机能够独享本人的硬件资本，相互之间互不烦扰，各个虚构机乃至能够应用差别的AUTOSAR软件，差别的操纵体系，差别的开辟东西。如许就处理了差别开辟团队或许差别供给商的顺序在统一个硬件体系中运转，体系集成难度年夜的成绩。图8 虚构化计划软件开辟流程有利于功效保险跟信息保险的安排虚构化技巧的一个明显特定就是断绝，Hypervisor为差别的虚构机调配硬件资本，如CPU，内存，外设以及中止。以AURIX™ TC4x为例，用户能够对每一个虚构机调配特定的内存跟外设，以及它们的拜访权限，中止也能够给到指定的虚构机去呼应。如许底本在差别ECU层面的功效保险跟信息保险目的，当初在差别虚构机之间就可能实现（图9）。图9 虚构机断绝表示图加强了体系集成的机动性每一个虚构机能够做到自力的启动跟结束，以及自力的去编程跟烧录，这年夜年夜加强了体系的可扩大性跟集成的机动性。汽车嵌入式虚构化的应用案例4这里简略先容两个嵌入式虚构化在汽车电子范畴的应用案例。案例一：新动力多合一图10 新动力多合一体系表示图新动力多合一技巧是以后新动力汽车的研讨热门。图10是双电机跟DCDC功效融会的案例，CPU0运转MCAL跟通讯协定栈，CPU1运转Inverter A的利用，CPU2运转Inverter B跟DCDC的利用，每一个利用外面能够有一个或许多个虚构机，差别的虚构机经由过程Hypervisor实现它们的调理。如许能够最年夜化天时用MCU的硬件资本，增加ECU数目，下降体系的BOM本钱。别的，Inverter利用跟DCDC利用的开辟可能来自差别的软件团队，即便他们的开辟情况（操纵体系，编译器，调试器）差别，因为利用跑在差别的虚构机外面，相互之间互不烦扰，从而下降了开辟跟集成的难度。案例二：充电桩V2G技巧图11 应用虚构化对V2G相干利用停止断绝V2G技巧被以为是电动汽车跟电网停止双向能量跟信息交互的幻想范式。然而比年来黑客攻打充电桩的变乱时有产生。为了避免黑客在用户充电进程中对汽车的入侵，咱们能够在把持器端采用防备办法。比方，将与充电桩通讯相干的利用放到一个特定的虚构机外面 [6 ] ，该虚构机对其余硬件资本的拜访停止严厉的管控，从而到达虚构防火墙的感化（图11）。汽车嵌入式虚构化的挑衅5固然，嵌入式虚构化也面对着诸多挑衅 [7] ，总结为如下多少点：✦•及时性固然嵌入式体系都是Type1的Hypervisor，然而Hypervisor作为旁边的调理软件，自身也会耗费时光片，体系越庞杂，调理战略也会越庞杂，Hypervisor自身的时光开支也会越年夜，从而影响体系的团体及时性。✦•毛病处置的庞杂性引入了虚构化之后，多个利用集成在一个MCU把持器傍边，假如某一个虚构机呈现体系生效，咱们须要尽可能的保障该虚构机的毛病处置不影响到其余虚构机的畸形运转，只管防止单个虚构机生效影响全部体系的情形产生，这对毛病处置功效带来了挑衅。✦•通勤奋能的体系整合对多利用融会的计划，在引入虚构化之后，一些通用的体系功效，如休眠叫醒功效，怎样整合全部利用去做终极的计划战略，值得客户沉思；再比方，AUTOSAR的基本软件，是共用一套BSW软件，仍是每个利用都有本人的BSW软件，也是一个值得商议的成绩。✦•软件生态以后，嵌入式虚构化的软件多数长短开源的贸易软件，且软件自身不相似AUTOSAR如许的尺度接口标准，软件公司依据差别芯片厂商的硬件支撑情形各克己定本人的处理计划。总结6总的来说，虚构化技巧最早在盘算机端崛起，而嵌入式体系的虚构化正在成为一种趋向。用户能够依据本身需要将MCU的硬件资本机动地拆分红多个虚构机，差别的利用跑差别的虚构机，Hypervisor担任治理各个虚构机的启动，运转以及结束，最年夜限制天时用MCU的资本。虚构化的断绝特征有助于客户的软件开辟跟集成，满意功效保险跟信息保险的请求。英飞凌最新一代AURIX™ TC4x将从硬件上支撑虚构化技巧，助力整车的E/E架构计划，开辟跟集成。参考文献REFERENCE[1] https://www.ibm.com/history/time-sharing[2] SANTIAGO LOZANO, TAMARA LUGO, JESÚS CARRETERO. A Comprehensive Survey on the Use of Hypervisors in Safety-Critical Systems [J]. IEEE, VOLUME 11, 2023, 36244-36263.[3] Gernot Heiser, Open Kernel Labs, Inc. TECHNOLOGY WHITE PAPER-Virtualization for Embedded Systems[R/OL]. April 2008. https://www.researchgate.net/publication/234804454.[4] Dominik Reinhardt, Daniel Adam, et al. Embedded Virtualization Approaches for Ensuring Safety and Security within E/E Automotive Systems[J]. Engineering, Computer Science, 2015.[5] Alexandra Aguiar, Fabiano Hessel. Embedded Systems’ Virtualization: The Next Challenge? [J]. IEEE International Symposium on Rapid System Prototyping, 2010[6] Stefaan Sonck Thiebaut, Antonio De Rosa, et al. Secure Embedded Hypervisor based Systems for Automotive[C]. 2016 46th Annual IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks Workshops.[7] 王洪波. 嵌入式虚构化技巧与利用[M]. 北京：机器产业出书社，2023.8.