虛擬化技術(shù)為為汽車(chē)ECU提供基礎(chǔ)架構(gòu)

1.ECU整合趨勢(shì)和虛擬化的力量

隨著信息娛樂(lè)和 ADAS 等新功能被添加到汽車(chē)中，每輛車(chē)中安裝的 ECU 數(shù)量也在增長(zhǎng)。越來(lái)越多的 ECU 會(huì)產(chǎn)生一些不良副作用：設(shè)備管理復(fù)雜、重量和功耗只是其中的一部分。

為了阻止這種趨勢(shì)，汽車(chē)行業(yè)正在尋求從獨(dú)立的面向功能的方法轉(zhuǎn)變?yōu)榧煞椒ǎ渲袉蝹€(gè) ECU 提供多種功能。

圖 1：ECU 整合旨在從單功能 ECU 方法（左）轉(zhuǎn)向多功能 ECU（右）

在嘗試向多功能 ECU 遷移時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)：每個(gè)功能可能需要在不同的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，并且 CPU、內(nèi)存和外圍設(shè)備等硬件資源必須在它們之間共享。此外，需要確保功能之間的隔離和“不受干擾”。

幸運(yùn)的是，這正是虛擬化技術(shù)幫助提供基礎(chǔ)架構(gòu)的地方，該基礎(chǔ)架構(gòu)允許多個(gè)“客戶(hù)”操作系統(tǒng)（也稱(chēng)為虛擬機(jī)或 VM）以安全、獨(dú)立和隔離的方式執(zhí)行。

2. 汽車(chē)以太網(wǎng)

ECU 中實(shí)現(xiàn)的功能變得越來(lái)越復(fù)雜，需要靈活的互連和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。汽車(chē)以太網(wǎng)正在成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò)解決方案的首選。以太網(wǎng)具有巨大的未來(lái)潛力，因?yàn)樗峁┝藥挕⑤p型布線(xiàn)（例如非屏蔽單雙絞線(xiàn)）、龐大的生態(tài)系統(tǒng)和可靠的軟件基礎(chǔ)設(shè)施。此外，交換式以太網(wǎng)提供了極大的可擴(kuò)展性，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 擴(kuò)展提供了改進(jìn)的同步、低延遲和可靠性。

當(dāng)多功能 ECU 使用虛擬化來(lái)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)，一種常見(jiàn)的解決方案是處理各種 VM，就好像它們連接到同一個(gè)物理以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)一樣。

如果只有一個(gè)以太網(wǎng)接口，則管理程序提供了在 VM 之間共享接口的機(jī)制，并且通常在軟件中實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。由于這種軟件實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生開(kāi)銷(xiāo)，因此硬件制造商正在為其設(shè)備添加硬件輔助虛擬化功能，以便在無(wú)需管理程序干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)共享。

在這篇博客中，我們描述了一個(gè)概念驗(yàn)證 （POC），我們?cè)谄渲斜容^了讓兩個(gè) VM 共享一個(gè)集成硬件交換機(jī)和一個(gè)軟件交換機(jī)的好處。

三、硬件說(shuō)明

此 POC 基于車(chē)載計(jì)算機(jī) 3 板 （VC3），配備 Renesas R-Car H3 SoC 和 TSN 以太網(wǎng)交換機(jī) （R-Switch2）。以太網(wǎng)交換機(jī)在通過(guò) PCIe 連接到 R-Car 的 FPGA 上實(shí)現(xiàn)。

R-Switch2 有四個(gè)外部端口（1G-T1 連接器）和一個(gè)內(nèi)部端口（命名為 CPU 端口或 tsngw）暴露給 R-Car SoC 中的 CPU。R-Switch2 和 CPU 之間的接口允許在 R-Car 上運(yùn)行的操作系統(tǒng)成為以太網(wǎng)幀的來(lái)源或目的地。

R-Switch2 和 CPU 之間的數(shù)據(jù)通過(guò)多個(gè)隊(duì)列進(jìn)行交換。每個(gè)隊(duì)列由一個(gè)描述符列表表示，這些描述符駐留在主內(nèi)存中，由運(yùn)行在 CPU 上的軟件設(shè)置：

RX 隊(duì)列中的描述符告訴 R-Switch2 硬件應(yīng)將 CPU 的傳入以太網(wǎng)幀復(fù)制到主存儲(chǔ)器的哪個(gè)位置

TX 隊(duì)列中的描述符告訴 R-Switch2 硬件 CPU 將其希望發(fā)送的幀放置在何處，以便硬件知道應(yīng)該從主存儲(chǔ)器中的哪個(gè)位置獲取數(shù)據(jù)

如果在 CPU 上運(yùn)行管理程序，則可以將隊(duì)列分配給特定的客戶(hù)操作系統(tǒng)以進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理。

四、軟件說(shuō)明

對(duì)于這個(gè)概念證明，選擇 Xen v4.14 作為管理程序。開(kāi)發(fā)了額外的前端和后端驅(qū)動(dòng)程序來(lái)共享 R-Switch2 硬件，作為典型 Xen 橋接網(wǎng)絡(luò)的替代方案（更多信息在這里）。Xen（也稱(chēng)為域）上運(yùn)行著兩個(gè)客戶(hù)操作系統(tǒng)：

dom0：一個(gè)特權(quán)域，可以直接訪(fǎng)問(wèn)大多數(shù) R-Car 外圍設(shè)備和 R-Switch

domU：無(wú)特權(quán)的域，不能直接訪(fǎng)問(wèn)任何特定的硬件設(shè)備。但是，domU 可以訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè) R-Switch2 隊(duì)列（一個(gè) RX 和一個(gè) TX）

下面的圖 2 顯示了這種配置。

圖 2 此 POC 的軟件配置

前端和后端驅(qū)動(dòng)程序之間的通信僅用于以下情況：

在初始化時(shí)，前端發(fā)送請(qǐng)求以保留兩個(gè) R-Switch2 隊(duì)列（1 TX 和 1 RX）

在運(yùn)行時(shí)，前端使用此通信通道通過(guò)后端通知 R-Switch2 硬件 TX 隊(duì)列已準(zhǔn)備好進(jìn)行處理。每當(dāng) domU 的 RX 隊(duì)列中有新數(shù)據(jù)可用時(shí)，后端也使用它來(lái)通知前端

請(qǐng)注意，在為 domU 設(shè)置隊(duì)列所需的初始握手之后，前端驅(qū)動(dòng)程序只需直接訪(fǎng)問(wèn)由 R-Switch2 硬件處理的相同隊(duì)列即可傳輸和接收幀，而來(lái)自 dom0 端的干預(yù)最少。與其他用于虛擬機(jī)的 SW 網(wǎng)絡(luò)解決方案相比，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，其中 domU 的幀通常與后端驅(qū)動(dòng)程序共享，并由 dom0 中的網(wǎng)絡(luò)堆棧重新路由。

例如，當(dāng) domU 想要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸一些幀時(shí)，使用共享 R-Switch2 解決方案所涉及的步驟如下（如圖 3 所示）：

domU 將數(shù)據(jù)寫(xiě)入自己的 TX 隊(duì)列

domU 通知 R-Switch2 硬件（通過(guò)后端）隊(duì)列已準(zhǔn)備好進(jìn)行處理

R-Switch2 硬件直接從 domU 隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)

圖 3 來(lái)自 domU 的數(shù)據(jù)包傳輸示例（R-Switch2 共享）

另一方面，當(dāng)使用 Xen 橋接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，從 domU 傳輸幀所涉及的步驟是（參見(jiàn)圖 4）：

domU 將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存

內(nèi)存與 dom0 中的后端共享

后端將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 Xen Bridge

數(shù)據(jù)包通過(guò) dom0 網(wǎng)絡(luò)堆棧路由，最終到達(dá)網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序

驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)復(fù)制到 NIC 隊(duì)列中

網(wǎng)卡從內(nèi)存中訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)

圖 4 來(lái)自 domU（Xen 橋接網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)包傳輸示例

5.性能與比較

系統(tǒng)的性能是通過(guò)生成來(lái)自/到 domU 的恒定比特率 UDP 流并同時(shí)測(cè)量 dom0 和 domU 上的 CPU 負(fù)載來(lái)測(cè)量的。

即使網(wǎng)絡(luò)幀是從 domU 傳輸/接收的，我們也測(cè)量 dom0 的 CPU 使用率的原因是，我們希望在軟件中實(shí)現(xiàn)虛擬交換機(jī)的情況下看到更高的負(fù)載，因?yàn)?domU 數(shù)據(jù)包需要重新路由通過(guò) dom0 的網(wǎng)絡(luò)堆棧。

然后將此 POC 中實(shí)施的解決方案與 Xen 橋接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較，這是一種常見(jiàn)的軟件解決方案，可實(shí)現(xiàn)虛擬交換機(jī)并允許在同一網(wǎng)絡(luò)上連接多個(gè)虛擬機(jī)。

結(jié)果如圖 5 和圖 6 所示，證實(shí)了我們的假設(shè)。使用 R-Switch2 共享方案時(shí)，dom0 CPU 負(fù)載比 Xen Bridged 網(wǎng)絡(luò)低約 50%，而 domU CPU 負(fù)載幾乎相同。

圖 5 domU 接收測(cè)試期間的 CPU 負(fù)載（1 Gbps 的恒定數(shù)據(jù)速率）

圖 6 domU 傳輸測(cè)試期間的 CPU 負(fù)載（600 Mbps 的恒定數(shù)據(jù)速率）

R-Switch2 情況下的剩余 dom0 CPU 負(fù)載是由來(lái)自/到 domU 的事件通知引起的，即當(dāng)有新的傳入數(shù)據(jù)可用時(shí)，dom0 通知 domU，或者 dom0 將來(lái)自 domU 的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給 R-Switch2 HW 以開(kāi)始處理 TX隊(duì)列。

對(duì)于像 Xen Bridge 這樣的基于軟件的交換機(jī)，dom0 有額外的任務(wù)來(lái)路由 domU 數(shù)據(jù)包，這可能成為系統(tǒng)的瓶頸。在我們的解決方案中，domU 數(shù)據(jù)包的路由由集成網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在硬件中完成，從而釋放 CPU 資源并提高兩個(gè)域之間的隔離度。

六，結(jié)論

集成的硬件交換機(jī)可以簡(jiǎn)化軟件交換機(jī)甚至是冗余的，從而為應(yīng)用程序處理而不是內(nèi)務(wù)管理任務(wù)釋放資源。評(píng)估表明，使用硬件輔助虛擬化可節(jié)省超過(guò) 50% 的寶貴 CPU 資源。事實(shí)證明，瑞薩 R-Switch2 支持多個(gè)接收和傳輸隊(duì)列在通過(guò)虛擬化整合 ECU 的環(huán)境中具有明顯優(yōu)勢(shì)。此功能與對(duì) L2 和 L3 路由和 TSN 擴(kuò)展的硬件支持一起，使其成為實(shí)現(xiàn)未來(lái) ECU 的完美選擇。

審核編輯：郭婷