汽车高性能MCU的Hypervisor

汽车电子与软件 2021-07-04 10:51

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目前正在生产的汽车是复杂功能的混合体，只有依赖越来越多的ECU才能实现这些功能。因此，按照之前的趋势，ECU的数量或越来越多，而且ECU之间的通信会越来越复杂，这种方式显然难以为继。

大多数OEM已经在研究下一代E/E架构。ECU融合、域控制器(DomainControl)、车载电脑(HPC)都是下一代E/E架构的热门词汇。所有这些都要求电子系统制造商，包括Tier-1和半导体供应商提供安全、可靠、优化解决方案的硬件和软件。

应用独占转向共享

首先我们必须意识到，前几代嵌入式处理器，比如今天在ECU中大量使用的处理器TC275、S32K、RH850等，最初是为执行单一软件应用而设计的，比如发动机控制、变速箱控制、刹车控制等。这些处理器支持嵌入式操作系统（AUTOSAR OS），用户可以在之上开发应用软件功能。应用软件的功能动划分为不同的任务，然后由操作系统来调度执行。操作系统通常运行在处理器的特权模式下，使其能够根据需要启动和停止任务。这种既定的模式对基于单一操作系统的硬件一直行之有效。(特权模式，即Supervisor模式，在该模式下可访问处理器内核、外设、中断、异常等所有寄存器和内存资源。相对应的是User模式，只能访问特定的内存资源，其他的想都甭想了。说白了，处理器也是个社会。)

然而，在未来的车辆架构中，几个应用程序将同时运行在同一硬件平台上，并有可能同时运行一个以上的操作系统。现在，特权模式突然变成了非常具有限制性，因为两个操作系统可能无法就执行的任务达成一致（现在有两个领导了，要分蛋糕了，谁也不服谁啊，所以不好办了）。此外，共存的应用程序还必须确保它们自己的私有资源（如内存和外设）不会相互干扰（如图1）。

图1. 插电式混合动力汽车（PHEV）的可能整合方案

虚拟机

这个问题的解决方案在计算机科学中早已为人所知。应用程序必须被隔离开来，以便它们可以各自在自己的专用虚拟机（VM）中运行。虚拟机是基于计算机的运行方式，就像它是一个不同种类的计算机一样，例如在PC上运行Linux或在Mac上运行视频游戏模拟器。虽然在桌面和其他IT场景中被广泛了解和使用，但虚拟机还没有在汽车中使用的嵌入式微处理器中广泛实现。一个利用其特权来协调任务的操作系统也被开发者称为Supervisor，而他们将非特权任务称为User软件。因此，使用超级权限级别的新软件系统也被称为Hypervisor，因为它的权限比Supervisor的权限级别更高。

Hypervisor的角色

Hypervisor的主要作用是通过限制或分配访问片上资源（如CPU、内存和外围模块）来定义每个虚拟机的可用功能。Hypervisor可以通过为每个虚拟机分配不同的资源份额来创建多个虚拟机。例如，它可以将CPU上的处理时间划分为时间片，并根据需要将其分配给不同的虚拟机。而且，一个虚拟机可以同时和另一个虚拟机共享一个CPU或独占多个CPU。同样，内存和外围模块可以共享或分配给单个虚拟机。同时，虚拟机需要和其他虚拟机彼此知之甚少或一无所知，并且不能访问Hypervisor未分配给它们的资源。由于这个原因，Hypervisor也有被称为VMM（VirtualMachine Monitor）。

Hypervisor利用保护机制和资源控制器，协调对内存和片上外围模块的访问。它还使用特定外围模块的部分功能。Hypervisor通常在相应的定时器的帮助下管理CPU时间的共享，该定时器告诉何时需要将CPU切换到另一个虚拟机上。

在实时应用处理器中，内存保护单元（MPU，Memory Protection Unit别想多了，不是现在热门的那个MPU微处理器）在CPU内提供必要的保护机制。通常情况下，操作系统使用MPU来释放或分配内存以运行用户任务。一个具有Supervisor权限的软件可以拥有自己的私有或共享区域，也可以根据特定的应用配置MPU。在ARMCortex-R52架构中，Hypervisor有一个额外的独立MPU，即EL2级别的MPU，具有更高的优先级，在这个更高的权限级别，每个虚拟机可用的总内存被分配。

效率的提升

必须尽量减少用于执行Hypervisor本身的处理器资源。这可以通过“资源控制器”来实现，该控制器实现了跨越整个芯片的保护机制，并对某些重要的外围模块进行细分，以便进一步分配。重要的是，这种分区完全在硬件中实现，并且也涵盖了CPU的功能。当系统即包括那些需要高度安全的应用，以及安全等级较低的应用时，情况尤其如此。

资源控制器将内存保护机制扩展到系统中的其他总线主控节点，如DMA或以太网，并增强了内核的可用内存和外围保护功能。通过这种方式，有可能在多个核上运行一个虚拟机。例如，可以为一个虚拟机分配相当于1.5个内核的处理能力，为另一个虚拟机分配2.5个内核，硬件完全支持这种分配（图2）。

图2. 一个具有四个内核的SoC在Hypervisor下运行两个虚拟机的例子

复杂性带来安全挑战

通过硬件的特定措施将多个应用程序整合到多核系统中，也增加了黑客攻击系统安全的可能性。攻击面的增加是由于该系统对来自多个来源的应用程序开放，并且新的Hypervisor配备了极高的访问权限。其中一个应用程序，特别是Hypervisor中的漏洞，可以让攻击者不仅破坏甚至接管目标应用程序，而且还可以接管整个系统。如果ECU包含一个可能危及车辆功能安全的应用，这一点尤其值得关注。安全问题可以通过多层次的方法得到最好的控制。对于ECU来说，可以通过硬件和软件的结合来实现。在启动时，ECU的代码必须经过安全认证，而且加载速度要快。在这种情况下，需要对复杂的加密算法提供硬件支持。为了满足这一要求，可以对程序代码和用户的数据进行加密，并利用相应的硬件加速(HSM)来及时解密。此外，至关重要的是，安全硬件及其密钥要受到保护，以免被正在运行的应用程序或硬件算法（如旁路攻击）所破坏（图3）。

图3. 安全运行是车辆系统安全概念中的一个要素（这个图很重要，Security在系统中要考虑的问题基本都包含了）

高性能MCU处理器平台

NXP的S32S处理器提供了一个安全而强大的平台，为Hypervisor用户提供广泛的硬件支持，并具有灵活的安全功能。为了帮助用户更快地将强大的解决方案推向市场，恩智浦已与软件供应商Open Synergy合作，将其专业知识用于开发S32S处理器系列的Hypervisor软件。COQOS Micro-Hypervisor使用S32S247处理器的功能来实现独立的虚拟机，这些虚拟机的运行达到ASIL-D安全等级（图4）。除此之外，ST的Stellar系列与NXP的S32S一样，采用ARM-Cortex-R52系列内核，支持硬件Hypervisor（图5）。以上两家都属于ARM-Cortex-R52阵营。而Infineon同样不甘落后，继续强化Tricore架构，支持基于Hypervisor的虚拟化应用（图6）。