看虛擬化在PowerVR GPU中是如何進(jìn)行

過(guò)去的幾年里，虛擬化的概念——將軟件從承載其的硬件中分離出來(lái)——已經(jīng)為許多人所熟知。在本文中，我們將描述虛擬化是什么，看看它在PowerVR GPU中是如何工作的，并解釋它是如何給各種市場(chǎng)（尤其是汽車行業(yè)）帶來(lái)巨大的利益。

對(duì)于電腦來(lái)說(shuō)，目前的虛擬化技術(shù)能夠讓一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，例如，一個(gè)開發(fā)人員可以在Microsoft Windows主機(jī)上運(yùn)行一個(gè)Linux“訪客”操作系統(tǒng)，而對(duì)于企業(yè)而言，它通常用來(lái)整合工作負(fù)載以減少CapEx和OpEx。在嵌入式平臺(tái)上，虛擬化技術(shù)的主要目的則是在降低成本的同時(shí)通過(guò)分離確保安全性。

當(dāng)涉及到GPU時(shí)，虛擬化提供了支持多個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的能力，每個(gè)操作系統(tǒng)都能夠?qū)D形工作負(fù)載提交給底層的圖形硬件實(shí)體。這在汽車領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。例如，通過(guò)將一些要求嚴(yán)格的系統(tǒng)比如ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）和數(shù)字化顯示面板分別放在完全獨(dú)立域內(nèi)以保證他們安全獨(dú)立的運(yùn)行。

為了打破它，虛擬化GPU需要執(zhí)行如下操作：

? 管理程序（Hypervisor）：這基本上是為訪客操作系統(tǒng)提供共享虛擬硬件平臺(tái)（在本例中為GPU硬件）并管理客戶操作系統(tǒng)托管的軟件實(shí)體。

? 主機(jī)操作系統(tǒng)（Host OS）——相比訪客操作系統(tǒng)，主機(jī)操作系統(tǒng)具有完整的驅(qū)動(dòng)程序并且對(duì)底層硬件具有更高級(jí)的控制能力。

? 訪客操作系統(tǒng)（Guest OS）：由虛擬機(jī)管理程序托管的具有操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，可以是一個(gè)或多個(gè)，它們可以共享底層可用的硬件資源。

硬件虛擬化 vs 半虛擬化

自Series6系列GPU內(nèi)核以來(lái)，PowerVR已經(jīng)具備高級(jí)的、完整的硬件虛擬化特性，并且在Series8XT中得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)，我們將在本文后面深入討論這個(gè)細(xì)節(jié)。通過(guò)完全虛擬化，這意味著管理程序下運(yùn)行的每個(gè)訪客操作系統(tǒng)都不會(huì)意識(shí)到它正與其他訪客操作系統(tǒng)和主機(jī)操作系統(tǒng)共享GPU資源。每個(gè)訪客系統(tǒng)都具有完整的驅(qū)動(dòng)程序，并且可以以獨(dú)立和并發(fā)的方式直接向底層硬件提交任務(wù)。這種方式的好處是在處理不同“訪客”的任務(wù)提交時(shí)不會(huì)再有管理程序的開銷，從而也減少了向GPU提交任務(wù)的等待時(shí)間，因此具有更高的利用率。

這與半虛擬化解決方案有所不同，在半虛擬化方式中，訪客操作系統(tǒng)能夠意識(shí)到它們是虛擬化的并且與其他訪客系統(tǒng)共享底層硬件資源。這種情況下訪客系統(tǒng)需要通過(guò)管理程序（Hypervisor）提交任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)必須作為一個(gè)內(nèi)聚單元協(xié)同工作。該解決方案的缺點(diǎn)是管理程序（運(yùn)行在CPU上）的開銷過(guò)高，任務(wù)提交延遲過(guò)長(zhǎng)，這潛在的降低了底層GPU硬件的有效利用率。此外，還需要修改訪客操作系統(tǒng)（添加額外的功能）以使得它們能夠通過(guò)管理程序進(jìn)行通信。

GPU虛擬化使用案例：

GPU虛擬化應(yīng)用案例很多，下面列舉的主要集中在嵌入式市場(chǎng)：
? 汽車
? 數(shù)字電視（DTV）/機(jī)頂盒（STB）
? 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）/可穿戴設(shè)備
? 智能手機(jī)/平板電腦

我們?cè)谶@篇文章中討論的虛擬化主要集中在汽車方面，因?yàn)樵谶@個(gè)市場(chǎng)，虛擬化將會(huì)帶來(lái)很多的好處。它有特定的要求，這使它成為比較復(fù)雜的市場(chǎng)之一，對(duì)于這方面的內(nèi)容你可以參考我們的白皮書。

為什么汽車市場(chǎng)需要虛擬化？

GPU虛擬化正在成為汽車行業(yè)的必備需求。大多數(shù)一級(jí)代理商和OEM廠商都選擇加入更多的ADAS功能，在新款汽車中多個(gè)高分辨率的顯示器也變得越來(lái)越普遍。

隨著汽車越來(lái)越自動(dòng)化，ADAS的功能也隨之增加。這些功能在計(jì)算上十分復(fù)雜，而現(xiàn)在GPU強(qiáng)大的并行計(jì)算能力使得它們能夠很好的處理這些任務(wù)。于此同時(shí)，儀表板集群和信息娛樂(lè)設(shè)備（在儀表板和后排座位處）以及擋風(fēng)玻璃上更高分辨率的顯示正在成為發(fā)展趨勢(shì)。

面向汽車行業(yè)

那么，為什么PowerVR虛擬化特性如此適合汽車呢？從本質(zhì)上講，這是因?yàn)樗峁┝艘幌盗薪鉀Q多種問(wèn)題的特性，例如，硬件穩(wěn)健性以實(shí)現(xiàn)最大的安全性和服務(wù)質(zhì)量，以確保持續(xù)的性能，同時(shí)確保硬件的最大硬件利用率。

隔離

首先讓我們看看基本的隔離方式，這是不同操作系統(tǒng)（OS）及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序之間的隔離，這些應(yīng)用程序通過(guò)分離應(yīng)用程序來(lái)提供安全性，當(dāng)然這是虛擬化基本的好處之一。

下面的視頻演示了這個(gè)特性，視頻中顯示的是一個(gè)操作系統(tǒng)，一個(gè)顯示關(guān)鍵信息比如速度、警示燈等的顯示器，并在其旁邊有一個(gè)導(dǎo)航應(yīng)用程序，這是一個(gè)不太重要的操作系統(tǒng)，先是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用程序崩潰（人為），緊隨其后是“內(nèi)核崩潰”，然后是全面的重啟。我們要注意的關(guān)鍵點(diǎn)是這些并不會(huì)影響運(yùn)行在其他操作系統(tǒng)上的儀表板顯示應(yīng)用；它繼續(xù)完全不間斷的工作，另外請(qǐng)注意，一旦這個(gè)操作系統(tǒng)重新啟動(dòng)，它就能再次無(wú)縫的向GPU提交任務(wù)。

服務(wù)質(zhì)量：保證性能水平

汽車行業(yè)的關(guān)鍵要求之一是要求一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用程序/操作系統(tǒng)得到足夠的資源來(lái)提供所需的性能。在PowerVR上，這是通過(guò)優(yōu)先級(jí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，GPU中一個(gè)專用的微控制器（MCU）處理調(diào)度并對(duì)每個(gè)操作系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置（如果需要也可以設(shè)置每個(gè)操作系統(tǒng)中應(yīng)用程序/工作負(fù)載的優(yōu)先級(jí)）。當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)操作系統(tǒng)的工作負(fù)載提交給GPU時(shí)，低優(yōu)先級(jí)操作系統(tǒng)的工作負(fù)載會(huì)從上下文中切換出來(lái)。

在簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)中，“上下文切換”是當(dāng)前操作在盡可能早的時(shí)間點(diǎn)暫停的地方，所需的數(shù)據(jù)會(huì)被保存出來(lái)以便在稍后的時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)操作時(shí)使用。

在本次演示中使用的Series6XT（第一代PowerVR GPU支持完全硬件虛擬化）平臺(tái)最早可能使用的時(shí)間點(diǎn)是：
? 幾何處理：調(diào)用繪制粒度
? 像素處理：貼片粒度
? 計(jì)算處理：工作組粒度

一旦更高優(yōu)先級(jí)操作系統(tǒng)的工作復(fù)雜完成后，較低優(yōu)先級(jí)的工作負(fù)載就會(huì)恢復(fù)并完成，這個(gè)特性有助于確保關(guān)鍵的更高優(yōu)先級(jí)的工作負(fù)載獲得所需的GPU資源，從而保證所需性能要求。

下面的視頻演示了這一點(diǎn)，視頻中在GPU上運(yùn)

更進(jìn)一步：Series 8XT增強(qiáng)虛擬化

第一個(gè)支持完全硬件虛擬化的PowerVR系列是Series6XT，上文中所有視頻/演示使用的都是Series 6XT平臺(tái)。在本節(jié)，我們將討論在Series8XT如何進(jìn)一步增強(qiáng)，并提供了一些新特性和增強(qiáng)功能。

上下文切換細(xì)粒度

在Series8XT上，中上下文切換可以更細(xì)粒度地執(zhí)行，從而確保更快速的上下文切換，在較低優(yōu)先級(jí)的工作負(fù)載和較高優(yōu)先級(jí)的工作負(fù)載之間的切換，上下文切換細(xì)粒度目前主要是：
? 頂點(diǎn)處理：原始粒度
? 像素處理：次平鋪或最壞情況下回到貼片粒度

每個(gè)數(shù)據(jù)主的終止

在優(yōu)先級(jí)較低的應(yīng)用沒(méi)有在定義的時(shí)間范圍內(nèi)切換上下文的情況下，這時(shí)需要根據(jù)數(shù)據(jù)主（計(jì)算、頂點(diǎn)或像素處理）采用DoS機(jī)制終止某個(gè)集成或者將應(yīng)用程序進(jìn)行軟件復(fù)位。前幾代只支持計(jì)算終止，而頂點(diǎn)和像素處理則需要軟復(fù)位，因此如果與不安全的低優(yōu)先級(jí)應(yīng)用程序重疊運(yùn)行，則會(huì)影響高優(yōu)先級(jí)的工作負(fù)載。在Series8XT中，現(xiàn)在所有數(shù)據(jù)主都可以被終止，確保即使高優(yōu)先級(jí)/關(guān)鍵的工作負(fù)載與需要結(jié)束的應(yīng)用程序重疊時(shí)也不會(huì)受到影響。

每個(gè)SPU工作負(fù)載的提交控制

得益于此特性，一個(gè)特定的應(yīng)用程序就可以在GPU中為它自己的可擴(kuò)展處理單元（SPU）執(zhí)行它的工作負(fù)載。例如，有利于汽車中基于計(jì)算的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的ADAS應(yīng)用，在應(yīng)用程序中可以不間斷的運(yùn)行自己的專用SPU，而其他應(yīng)用程序，可能來(lái)自于其他操作系統(tǒng)，則使用另一種機(jī)制（比如基于上下文切換的更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)）分享剩余的GPU資源。

緊密集成二級(jí)MMU

上一代的GPU采用一級(jí)MMU，因此要求SoC供應(yīng)商設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)二級(jí)/系統(tǒng)級(jí)MMU或相似的機(jī)制來(lái)支持虛擬化。現(xiàn)在Series8XT已經(jīng)在GPU中集成了二級(jí)MMU，這帶來(lái)了以下好處：
? 優(yōu)化設(shè)計(jì)并與一級(jí)MMU緊密耦合，實(shí)現(xiàn)低延遲并提高效率
? 降低SoC供應(yīng)商的開發(fā)難度，使產(chǎn)品更快的上市
? 在管理應(yīng)用程序中對(duì)于可用的實(shí)體設(shè)置對(duì)應(yīng)的獨(dú)立軟件
? 支持全/雙向相干支持，提高性能并減少系統(tǒng)帶寬
? 從本質(zhì)上說(shuō)，可以在虛擬化環(huán)境中提供更高級(jí)別的保護(hù)和更小的細(xì)粒度（頁(yè)界，計(jì)算機(jī)專用名詞）安全支持

總結(jié)

PowerVR GPU集成的硬件虛擬化技術(shù)非常的有效，非常適合并滿足汽車行業(yè)的許多需求。我們最新的Series8XT GPU已經(jīng)證明了這一點(diǎn)，它進(jìn)一步加強(qiáng)了它的功能，以幫助實(shí)現(xiàn)下一代車載信息娛樂(lè)和自動(dòng)駕駛， 安全且經(jīng)濟(jì)高效。