“軟體定義汽車”下的軟體虛擬化技術

​01.虛擬化技術概述

近年來，隨著嵌入式軟硬體的高速發展，嵌入式系統產品已融入日常生活的方方面面，在航空航天、車載電子、工業控制等要求更為嚴苛等領域的應用也更加廣泛。特別對汽車領域，每輛車內ECU的使用數量已從21世紀初的30-50個飆升至上百個，其複雜程度也呈指數級上升，給汽車嵌入式軟體的開發與測試帶來極大挑戰。引入虛擬化技術來應對複雜硬體所帶來的挑戰，成為了歷史長河發展的必然。

虛擬化本質是提供一個虛擬的作業系統執行環境，讓複雜多樣的嵌入式程式（包括作業系統）能夠並行執行在同一物理硬體環境上。自上世紀六十年代以來，虛擬化技術已形成一套合理且受業界認可的理論體系：執行在真實物理環境上的稱為宿主機（host OS，Operating System），透過虛擬化技術實現的全系統執行環境稱為虛擬機器（Virtual Machine，VM），在虛擬環境中執行的作業系統稱為客戶作業系統（Guest OS）。

世界上第一位計算機博士David Wheeler說過，“電腦科學中的任何問題都可以透過增加一箇中間層來解決”，因此虛擬化技術在硬體和客戶作業系統軟體之間引入了一個新層級，稱之為Hypervisor或VMM（Virtual Machine Monitor），這一層級就可以簡單理解為軟體虛擬化技術。

02.如何理解Hypervisor

可以進行如此理解：一臺電腦的硬體就好比一棟高層大樓，電腦中的諸多虛擬機器就可看做大樓中的多套房屋。每個房屋都有各自的臥室（CPU）、儲藏室（記憶體）和私人網線（網路資源），享受著獨門獨戶的私密空間和生活設施。

但實際上，大樓的電梯、供水系統、電網是所有房屋共用的。也就是說，雖然每個房屋看似擁有專屬資源，但其背後依賴的是全樓共享的基礎設施。這些資源是由物理主機（大樓）統一提供並智慧分配的，每個虛擬機器只在需要時，按需使用共享資源的一部分。

Hypervisor就像這棟大樓的物業管理員，在幕後精心安排以確保每個虛擬機器（房屋）既能安全、高效的享用所需資源，又不會互相干擾，就像住在獨立的房屋中一樣。

03.Hypervisor分類

在虛擬化技術的發展歷程中，由於特點、用途、功能不同，出現了多個種類的虛擬化型別。大體上可以根據host OS的有無，或者Hypervisor是否直接執行在硬體上，將其分為Type-1型和Type-2型。

3.1 Type-1型Hypervisor

Type-1型也被稱為裸機型Hypervisor，如下圖所示，沒有宿主作業系統，而是直接執行底層硬體之上，直接管理CPU、記憶體等真實資源的同時，向上層提供客戶作業系統的抽象執行環境，常見的有VMware ESXi、Microsoft Hyper-V、Xen。

▲Type-1型Hypervisor

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由於需要一定程度上融合作業系統的功能，Type-1型也被分為微核心架構和單核心架構，剛才介紹的前兩種屬於單核心Hypervisor產品，而Xen就是典型的微核心產品。

雖然Hypervisor能夠為虛擬機器提供更接近物理機的效能，但也存在顯著的缺點與侷限性：

1. 複雜性和部署難度：由於直接安裝在物理硬體上，其安裝與配置通常更為複雜，需要特定的管理工具來配置和管理虛擬機器，這些工具可能需要額外的培訓與學習成本。複雜裝備中，高昂的硬體成本也會對後續測試與驗證帶來挑戰。

2. 硬體相容性：直接執行在硬體上導致Type-1型的硬體依賴性較強，如果硬體不支援或相容性較差，就可能導致系統不穩定或效能下降。

3. 靈活性較低：無法輕鬆與現有的桌面作業系統整合，每次調整配置或測試新環境都需要直接在硬體上操作，系統更新與補丁管理也需要精心規劃以減少對生產環境的影響。

3.2 Type-2型Hypervisor

Type-2型Hypervisor安裝在作業系統上，依賴於基礎作業系統提供服務，其寄生的宿主作業系統擁有對硬體平臺和資源的全部控制權，包括CPU與實體記憶體。如下圖所示，Hypervisor包含在Host OS中，並不直接與硬體互動：

▲Type-2型Hypervisor

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此類Hypervisor可以使用宿主機的各種功能模組，如宿主機自身的排程模組等，充分利用宿主作業系統對物理硬體的管理功能，只需提供對客戶作業系統的管理即可。這意味著，宿主作業系統首先啟動並管理硬體資源，而後Hypervisor在宿主系統內部執行，並進一步建立和管理虛擬機器。最具代表性的Type-2型硬體虛擬化產品為KVM（Kernel-based Virtual Machine），軟體虛擬化產品則為SkyEye（詳見下文）。

儘管可能在資源效率方面有所欠缺，但Type-2型相較Type-1型有著易用性和相容性方面的巨大優勢：

1. 易於部署和管理：直接安裝在作業系統上，不需要額外的硬體配置或引導管理，能與更多種類的硬體相容。

2. 使用體驗與測試友好：Type-2型能直接在桌面作業系統中使用，通常帶有圖形使用者介面（Graphical User Interface，GUI），使用者可以更方便地建立、管理和操作虛擬機器。

04.利用虛擬化技術模擬汽車嵌入式系統

對汽車領域而言，虛擬化技術的模擬可分為硬體虛擬化和軟體虛擬化。硬體虛擬化由於需要使用和嵌入式系統CPU相同架構的平臺，在採購成本上較為受限，僅能模擬同源架構，在外設虛擬化上的支援也較為遜色。

軟體虛擬化則較好解決了上述問題，透過將汽車嵌入式系統硬體環境進行虛擬模擬實現更高的靈活性，資源分配也更為靈活，工程師可不受物理硬體的限制，隨時訪問目標系統，快速搭建虛擬硬體原型，提前進行開發、測試及驗證工作。

05.應用案例

天目全數字實時模擬軟體SkyEye，屬於Hypervisor Type-2型的軟體虛擬化工具，是符合“軟體定義汽車”的工具軟體。

作為一款國產自主的基於視覺化建模的硬體行為級模擬平臺，SkyEye目前已支援涵蓋汽車ECU所用到的大部分處理器架構，如PowerPC、Tricore系列等，能夠用於汽車BMS系統、汽車發動機管理系統等虛擬原型（即虛擬ECU）的搭建。

應用基於SkyEye的虛擬ECU，工程師可以：

• 無需關心真實線纜繁瑣的連線關係，工程一次搭建，持續可複用；
• 具備真實CAN匯流排和INCA硬體的模擬能力，支援數量幾乎無限制的模擬硬體；
• 支援符合AUTOSAR協議的OS及應用程式的執行；
• 整合原有標定上位機軟體，外接Simulink模型模擬真實資料。

▲SkyEye汽車BMS系統模擬

​除了透過虛擬化技術及數字孿生幫助快速構建所需ECU、有效縮短整車研發週期外，SkyEye還能幫助使用者節省昂貴的硬體裝置製造成本，無需對程式進行任何修改即可實現嵌入式軟體的執行與除錯，覆蓋嵌入式軟體開發全生命週期，真正實現嵌入式的“敏捷開發，降本增效”。