隨著汽車智能化程度的不斷加深，車載平臺既要提供良好人機交互服務(wù)[1]，又要具備良好的實時控制的能力。傳統(tǒng)的車載平臺無法滿足消費者對智能控制的要求，因此需要在車載環(huán)境中引入嵌入式虛擬化的技術(shù)，使面向控制的實時操作系統(tǒng)和支持復(fù)雜人機交互接口的非實時嵌入式系統(tǒng)能夠同時運行在同一硬件環(huán)境中。本文分析了目前市場上主流的嵌入式虛擬化產(chǎn)品及相關(guān)的技術(shù)，提出了一種基于分區(qū)機制的高效智能車載平臺的實現(xiàn)方法，在多核處理器的硬件環(huán)境下，實現(xiàn)了汽車控制與信息系統(tǒng)的融合，并在OMAP4430硬件平臺上對其功能進行了驗證。
概述
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)在汽車電子領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，人、車、網(wǎng)絡(luò)三者逐漸緊密地融合在了一起，同時車載系統(tǒng)逐漸向汽車控制系統(tǒng)滲透。高度集成化的智能控制和信息交互的需求給車載平臺的設(shè)計實現(xiàn)帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的車用嵌入式實時操作系統(tǒng)主要面向控制領(lǐng)域，對圖形界面、人機交互等的支持較差，而電子產(chǎn)品中使用的主流復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)如WindowsCE、Android等不能夠滿足車用控制系統(tǒng)實時性、準確性、穩(wěn)定性的性能要求。
高性能的多核處理器為大計算量的應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)，提高了資源的利用率[2]。嵌入式虛擬化技術(shù)[3]允許多個操作系統(tǒng)運行在同一物理硬件平臺上，從而滿足了車載平臺實時控制與人機交互的需求。因此，本文在多核處理器的硬件環(huán)境下，提出了了一種融合人機交互和實時控制的智能車載平臺設(shè)計和實現(xiàn)方法。
相關(guān)工作
過去十年來，虛擬化技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由桌面系統(tǒng)擴展至嵌入式系統(tǒng)中。下面對兩款主流的嵌入式虛擬機系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)進行分析。
PikeOS
PikeOS是一款基于微內(nèi)核核架構(gòu)、面向安全關(guān)鍵領(lǐng)域的商用非開源嵌入式實時操作系統(tǒng)和虛擬化平臺[4]。近年來，PikeOS逐漸地應(yīng)用于汽車電子等領(lǐng)域中。例如由德國OPENSYSNERGY公司針對車內(nèi)前部單元組、儀表板、連通性盒子和駕駛員輔助系統(tǒng)開發(fā)的COQOS系統(tǒng)，就是基于PikeOS實現(xiàn)的一個高度可伸縮軟件框架[5]。
在PikeOS架構(gòu)中實現(xiàn)了一種兼容MILS架構(gòu)[6]的分離式內(nèi)核，它為不同設(shè)計目標和安全級別的操作系統(tǒng)提供了分區(qū)的環(huán)境。這種分區(qū)機制被廣泛應(yīng)用在航空電子等高安全性需求的嵌入式領(lǐng)域中[7]。它通過對各種資源進行分區(qū)，從而達到相互隔離的目的，有效地防止了一個系統(tǒng)的錯誤向其他系統(tǒng)中傳播。
OKL4
OKL4是一個基于L4微內(nèi)核架構(gòu)的開源虛擬機監(jiān)控器[8]。OKL4針對于嵌入式虛擬化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢提出了具有虛擬化功能的微內(nèi)核Microvisor，主要應(yīng)用在智能手機系統(tǒng)中[9]。
OKL4繼承了L4系列微內(nèi)核的特點，對地址空間、線程、進程間通信進行了抽象，實現(xiàn)了安全單元的分區(qū)，使得運行其上的虛擬機及其他應(yīng)用、驅(qū)動程序分別運行在各自的隔離分區(qū)中，并通過一種相對高效的IPC(Inter-Processor Communication)進行通信[10]。OKL4采用的這種半虛擬化的技術(shù)需要其客戶機操作系統(tǒng)能夠完全運行在OKL4 Microvisor上，因此需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核進行修改，提供其對OKL4半虛擬化的支持，如OK:Linux、OK:Android、OK:Windows等[10]。
上述兩款嵌入式虛擬化系統(tǒng)的實現(xiàn)都相對復(fù)雜，對硬件的性能要求較高。
平臺設(shè)計
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文綜合考慮了成本、性能需求以及系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜程度，提出了一種基于分區(qū)機制的多操作系統(tǒng)并行處理方法。在多核處理器的硬件平臺上，基于嵌入式虛擬化技術(shù)中的分區(qū)機制將軟件平臺隔離為不同計算區(qū)域。在每個物理的處理器上部署一個嵌入式操作系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，Android OS負責處理非實時的人機交互應(yīng)用，SmartOSEK OS[11]負責處理實時控制應(yīng)用。本文在系統(tǒng)設(shè)計上采用有效的分區(qū)機制使二者相互隔離。
