01 虛擬化概述
虛擬化是一種廣泛使用的技術(shù)，支撐了幾乎所有現(xiàn)代云計(jì)算和企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。
開(kāi)發(fā)人員基于虛擬化功能可以在單臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，從而完成軟件測(cè)試而不會(huì)存在破壞主計(jì)算環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。
虛擬化為芯片和基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)了許多特性，包括良好的隔離性、不同資源的可及性、同一資源的工作負(fù)載平衡、隔離保護(hù)等。
對(duì)于汽車(chē)芯片，尤其是座艙域SoC，當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)提高集成度來(lái)節(jié)省成本，因此在同一個(gè)SoC芯片上會(huì)集成多個(gè)操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的物理資源，這些資源需要在虛擬化環(huán)境中安全隔離的情況下共存。
具體而言，車(chē)載SoC虛擬化需要面臨的要求和挑戰(zhàn)有：
Hypervisor是虛擬化功能最核心的支持組件。Hypervisor主要負(fù)責(zé)處理虛擬機(jī)下陷和管理實(shí)際物理資源等功能。Hypervisor主要可以分為兩大類(lèi)：
· 原生獨(dú)立的Hypervisor，一般稱(chēng)為Type1 Hypervisor。這類(lèi)Hypervisor以最高權(quán)限運(yùn)行，控制和管理所有物理資源。
在這類(lèi)Hypervisor運(yùn)行過(guò)程中，與每個(gè)虛擬機(jī)相關(guān)的資源管理和調(diào)度功能可以卸載到該虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這樣管理程序可以專(zhuān)注于與虛擬化相關(guān)的功能。這類(lèi)Hypervisor典型的案例有QNX Hypervisor和Xen Hypervisor等。
對(duì)應(yīng)于ARM異常處理體系結(jié)構(gòu)，通常虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序或用戶空間處于EL0安全等級(jí)。
虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)空間處于EL1安全等級(jí)。為了支持虛擬化擴(kuò)展引入EL2安全等級(jí)。具體安全等級(jí)細(xì)分如下圖所示：
圖1. Hypervisor類(lèi)型和對(duì)應(yīng)ARM異常處理等級(jí)
從不失一般性出發(fā)，后續(xù)章節(jié)將以 QNX Hypervisor相關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)和基于ARMv8.0體系結(jié)構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)作為典型示例來(lái)介紹當(dāng)前虛擬化的主要問(wèn)題和解決方案。
根據(jù)虛擬化場(chǎng)景的功能劃分，當(dāng)前主流座艙SoC的虛擬化大致可以分為三類(lèi)：
· 用于VM管理和執(zhí)行的CPU虛擬化；
· 用于內(nèi)存空間分離和管理的內(nèi)存虛擬化；
02 CPU虛擬化
CPU或處理器可以為VM提供虛擬處理器的抽象，并執(zhí)行特定VM的相應(yīng)指令。通常來(lái)說(shuō)，Hypervisor管理程序直接在物理CPU上執(zhí)行，占用物理資源并直接使用物理CPU的ISA。
而虛擬機(jī)操作系統(tǒng)基于虛擬處理器的抽象占用相關(guān)資源并執(zhí)行相關(guān)指令，除了需要更高權(quán)限的動(dòng)作外，大部分場(chǎng)景也可以直接使用物理CPU資源和物理CPU的ISA。
Hypervisor和VM的協(xié)同管理是通過(guò)虛擬機(jī)下陷機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，通常這種下陷是VM或應(yīng)用需要更高的權(quán)限才能執(zhí)行的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生。
在ARM架構(gòu)中，上面介紹的對(duì)虛擬化的異常處理等級(jí)，VM和應(yīng)用程序最多可以擁有EL1權(quán)限，因此對(duì)于不允許執(zhí)行的指令，將觸發(fā)虛擬機(jī)陷阱。詳細(xì)流程如下：
· 通常情況下，VM在物理CPU上運(yùn)行其指令，與沒(méi)有Hypervisor的情況下一樣；
· 當(dāng)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序試圖執(zhí)行一條超出執(zhí)行權(quán)限的指令時(shí)，觸發(fā)虛擬機(jī)下陷，虛擬機(jī)操作系統(tǒng)做上下文切換，切到Hypervisor程序；
· 發(fā)生虛擬機(jī)陷阱后，Hypervisor接管現(xiàn)場(chǎng)，并保存虛擬機(jī)的上下文，之后處理虛擬機(jī)操作系統(tǒng)開(kāi)啟的任務(wù)；
圖2. 虛擬機(jī)下陷機(jī)制和處理流程
虛擬機(jī)抽象和下陷處理機(jī)制將在后續(xù)QNX Hypervisor和ARM體系結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步介紹。
QNX Hypervisor軟件架構(gòu)中資源和組件的詳細(xì)層次結(jié)構(gòu)如下圖所示，從Hypervisor作為操作系統(tǒng)視角來(lái)看，各個(gè)VM需要通過(guò)例化qvm進(jìn)程來(lái)在Hypervisor操作系統(tǒng)用戶態(tài)空間中注冊(cè)。
在配置某個(gè)VM時(shí)，會(huì)根據(jù)規(guī)范創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的qvm進(jìn)程并進(jìn)行配置，用以指定該VM的組件，包括虛擬虛擬處理器vCPU、虛擬設(shè)備、內(nèi)存管理頁(yè)表配置等。
圖3. QNX Hypervisor資源層級(jí)示意圖
在Hypervisor正常運(yùn)行期間，qvm 進(jìn)程實(shí)例需要執(zhí)行以下操作：
· 捕獲從虛擬機(jī)出入的訪問(wèn)嘗試，并根據(jù)類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的處理；
· 在切換物理CPU之前保存VM的上下文；
· 在物理CPU重新執(zhí)行某個(gè)VM之前恢復(fù)該VM的上下文；
· 負(fù)責(zé)虛擬化相關(guān)故障處理；
在一個(gè)qvm進(jìn)程被例化的同時(shí)，會(huì)在進(jìn)程內(nèi)實(shí)例化多個(gè)vCPU線程、虛擬設(shè)備列表和Stage2頁(yè)表，分別用于應(yīng)用線程抽象、虛擬設(shè)備抽象和內(nèi)存虛擬化抽象。
對(duì)于vCPU抽象，QNX Hypervisor遵循基于優(yōu)先級(jí)的vCPU共享模型，其中優(yōu)先級(jí)包括qvm進(jìn)程優(yōu)先級(jí)和vCPU線程優(yōu)先級(jí)。
在Hypervisor運(yùn)行規(guī)則中，qvm進(jìn)程的相對(duì)優(yōu)先級(jí)和qvm 進(jìn)程內(nèi)的 vCPU調(diào)度線程的優(yōu)先級(jí)層次化地決定哪個(gè)vCPU可以訪問(wèn)物理CPU。
但是映射過(guò)程和后續(xù)執(zhí)行過(guò)程中，VM中運(yùn)行的內(nèi)容和數(shù)據(jù)對(duì)于Hypervisor來(lái)說(shuō)是完全的黑盒。Hypervisor僅確保在基于 vCPU的優(yōu)先級(jí)和調(diào)度策略共享物理CPU時(shí)，較高優(yōu)先級(jí)的vCPU將始終搶占較低優(yōu)先級(jí)的vCPU。
除此之外的虛擬設(shè)備列表和Stage2頁(yè)表將在后續(xù)章節(jié)介紹。
ARM架構(gòu)中的下陷機(jī)制是通過(guò)異常處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如上文所述，通常虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序或用戶空間處于EL0安全等級(jí)。
虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)空間處于EL1安全等級(jí)。Hypervisor處于EL2安全等級(jí)。
如下如左邊所示，當(dāng)超出EL1安全等級(jí)的VM或者應(yīng)用程序指令執(zhí)行時(shí)，將向 EL2級(jí)別的Hypervisor發(fā)出異常下陷，交由Hypervisor來(lái)處理異常，然后通過(guò)上下文切換返回到EL1安全等級(jí)的VM。
下圖右邊示例了一個(gè)CPU捕獲WFI的處理過(guò)程。執(zhí)行等待中斷WFI指令通常會(huì)使物理CPU進(jìn)入低功耗狀態(tài)。
通過(guò)注入斷言TWI信號(hào)，如果滿足HCR_EL2.TWI==1，則在EL0或EL1安全等級(jí)上執(zhí)行WFI將導(dǎo)致異常并下陷到EL2安全等級(jí)上處理。
在此示例中，VM通常會(huì)在空閑循環(huán)中執(zhí)行WFI，而Hypervisor可以捕獲此類(lèi)下陷動(dòng)作，并調(diào)度不同的vCPU到這個(gè)物理CPU，而不是直接進(jìn)入低功耗狀態(tài)。
圖4. 下陷機(jī)制和WFI下陷示例
在ARM體系結(jié)構(gòu)中，vCPU一般代表虛擬的處理單元，每個(gè)vCPU在Hypervisor中需要例化對(duì)應(yīng)的vCPU線程。VM對(duì)應(yīng)的是Hypervisor中例化的qvm進(jìn)程，會(huì)包含一個(gè)或者多個(gè)vCPU線程。
圖5. ARM虛擬機(jī)和虛擬處理器層級(jí)關(guān)系
03 內(nèi)存虛擬化
內(nèi)存虛擬化配合CPU虛擬化，可以保證所有VM都有獨(dú)立的內(nèi)存空間，并嚴(yán)格按照權(quán)限進(jìn)行隔離。而內(nèi)存虛擬化的關(guān)鍵要求是地址管理，根據(jù)上下文配置和控制各個(gè)VM對(duì)物理內(nèi)存的訪問(wèn)。
內(nèi)存虛擬化通常是與通過(guò)內(nèi)存分配和釋放的管理相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從硬件實(shí)現(xiàn)視角，通常的內(nèi)存虛擬化是通過(guò)控制兩級(jí)地址翻譯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
Hypervisor和VM的內(nèi)存分配和釋放機(jī)制都和典型的操作系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)存分配和釋放的機(jī)制類(lèi)似，使用基于分級(jí)頁(yè)表實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理。
ARM架構(gòu)中采用基于頁(yè)表的兩級(jí)地址翻譯機(jī)制。
通常來(lái)說(shuō)，第一層級(jí)轉(zhuǎn)換將虛擬地址VA轉(zhuǎn)換為中間物理地址IPA，這一層級(jí)地址翻譯由操作系統(tǒng)管理和控制。
而第二層級(jí)地址翻譯則將中間物理地址IPA轉(zhuǎn)換為物理地址PA，這一層級(jí)地址翻譯由Hypervisor管理和控制。這兩個(gè)階段的翻譯是相互獨(dú)立，互不干擾的。
如下圖6所示，連續(xù)的虛擬頁(yè)地址可以映射到離散的中間物理頁(yè)中的地址，而離散的中間物理頁(yè)地址可以映射到連續(xù)的物理頁(yè)地址。
圖6. 兩級(jí)地址翻譯機(jī)制
下圖7顯示了ARMv8架構(gòu)的典型兩級(jí)地址空間。其中，虛擬地址空間主要代表有：
· 位于非安全EL0/EL1安全等級(jí)中的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬內(nèi)存映射空間；
· 位于非安全EL2安全等級(jí)中的Hypervisor虛擬內(nèi)存映射空間；
這些虛擬地址空間都是相互獨(dú)立的，并且每個(gè)內(nèi)存空間都有獨(dú)立的配置和頁(yè)表。
圖示的兩級(jí)頁(yè)表可以比較完整地支持內(nèi)存虛擬化功能，其中Stage1虛擬機(jī)操作系統(tǒng)頁(yè)表可以將虛擬地址轉(zhuǎn)換為中間物理地址，包括串口設(shè)備地址、內(nèi)存地址和存儲(chǔ)設(shè)備地址，而Stage2虛擬化頁(yè)表，結(jié)合Hypervisor頁(yè)表和安全監(jiān)視器頁(yè)表，可以將中間物理地址轉(zhuǎn)換為合法的物理地址。
圖7. ARMv8典型的兩級(jí)地址空間
在AArch64架構(gòu)中，物理地址通常為48bits，頁(yè)表大小通常為4KB或者64KB，為避免頁(yè)表空間太大，通常采用4級(jí)頁(yè)表劃分，按照地址段進(jìn)行頁(yè)表項(xiàng)查詢(xún)。
下圖為4級(jí)頁(yè)表和第一層級(jí)地址翻譯示例，具體內(nèi)容本文不再贅述。
圖8. AArch64 4級(jí)頁(yè)表和第一層級(jí)地址翻譯示例
04 設(shè)備虛擬化
虛擬化中Device的概念可以概括為系統(tǒng)中除了運(yùn)行Hypervisor和VM的處理器之外的可訪問(wèn)內(nèi)存的設(shè)備。在座艙芯片中，典型的Device類(lèi)型可以總結(jié)為：
后續(xù)章節(jié)將詳細(xì)介紹QNX Hypervisor中設(shè)備虛擬化的具體實(shí)現(xiàn)以及在ARM體系結(jié)構(gòu)下對(duì)于設(shè)備虛擬化的支持。
QNX Hypervisor中的設(shè)備可以歸納為：
· 物理設(shè)備，包括直通設(shè)備和共享設(shè)備，
如前面所述，QNX Hypervisor在為VM配置和實(shí)例化qvm進(jìn)程時(shí)，需要將物理設(shè)備和虛擬設(shè)備vdev配置給qvm進(jìn)程和VM。
下圖為QNX Hypervisor中對(duì)于不同種類(lèi)設(shè)備虛擬化的支持。
圖9. QNX Hypervisor中的設(shè)備虛擬化支持
對(duì)于直通設(shè)備，VM具有直接且獨(dú)占的訪問(wèn)權(quán)限，并且Hypervisor主機(jī)操作系統(tǒng)將被繞過(guò)。這類(lèi)直通設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序也將由VM直接擁有。
對(duì)于直通設(shè)備，Hypervisor只需要將來(lái)自物理設(shè)備的中斷直接路由到對(duì)應(yīng)的VM，并將來(lái)自VM的所有信號(hào)直接傳遞到對(duì)應(yīng)的設(shè)備。
所有交互都在VM和設(shè)備之間，Hypervisor需要識(shí)別并允許通過(guò)來(lái)自設(shè)備的中斷和來(lái)自來(lái)VM的信號(hào)。直通設(shè)備的典型示例是 PCIe、以太網(wǎng)等。
對(duì)于共享設(shè)備，這些設(shè)備可以被多個(gè)訪客使用，典型示例是共享內(nèi)存。QNX Hypervisor支持兩種不同類(lèi)型的設(shè)備共享，引用共享和中介共享：
對(duì)于虛擬設(shè)備，QNX Hypervisor支持全虛擬化和半虛擬化設(shè)備，用來(lái)隔離系統(tǒng)上物理設(shè)備之間的直接通信：
· 全虛擬化設(shè)備/軟件模擬虛擬化設(shè)備：為VM模擬實(shí)際物理設(shè)備的虛擬設(shè)備。使用此類(lèi)設(shè)備時(shí)，VM不需要知道它在虛擬化環(huán)境中運(yùn)行。
根據(jù)物理設(shè)備的類(lèi)型，全虛擬化設(shè)備可以自己處理所有事務(wù)，也可以充當(dāng)VM和實(shí)際物理設(shè)備之間的中介。典型示例包括中斷控制器GIC、計(jì)時(shí)器Timer等。
· 半虛擬化設(shè)備：與全虛擬化設(shè)備相比，半虛擬化設(shè)備可以通過(guò)單次異常下陷批量處理設(shè)備調(diào)用，從而提高效率，減少因?yàn)樘摂M化而額外引入的異常下陷下陷。
QNX Hypervisor支持基于VirtIO1.0標(biāo)準(zhǔn)的半虛擬化設(shè)備，包括典型的塊設(shè)備、I/O 設(shè)備、控制臺(tái)、GPU、DPU、ISP等。
ARM架構(gòu)中針對(duì)設(shè)備虛擬化提供了多方位的支持，其中主要的機(jī)制包括系統(tǒng)內(nèi)存管理單元SMMU和支持虛擬化的中斷控制器GIC。
對(duì)于SoC系統(tǒng)中除處理器以外的設(shè)備，尤其是DMA控制器或具有DMA控制器的設(shè)備，在虛擬化場(chǎng)景下由VM分配時(shí)，可以通過(guò)SMMU保證地址轉(zhuǎn)換和OS級(jí)別的內(nèi)存保護(hù)。
下圖左圖顯示了操作系統(tǒng)視角下不帶虛擬化支持的DMA控制器。
DMA控制器將通過(guò)主機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核空間中的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，該驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒏鶕?jù)MMU單元為DMA配置物理地址。
但是在虛擬化環(huán)境中，特定VM的視角下，直通DMA只能基于該VM所對(duì)應(yīng)的第一層級(jí)MMU做地址翻譯，從而只能配置中間物理。
因此，下圖右圖顯示了用于該 DMA 控制器的虛擬化支持的系統(tǒng)內(nèi)存管理單元SMMU，可以在支持VM直接配置直通DMA。
所有的內(nèi)存訪問(wèn)都可以通過(guò)管理程序主機(jī)編程的SMMU從IPA轉(zhuǎn)換為PA，以確保VM和DMA都是基于IPA進(jìn)行地址操作而保持統(tǒng)一的視角。
圖10. ARM架構(gòu)中SMMU對(duì)設(shè)備虛擬化的支持
從Arm GICv2開(kāi)始，如下圖所示，GIC可以通過(guò)提供物理CPU接口和虛擬CPU接口來(lái)發(fā)出物理和虛擬中斷信號(hào)。
從GIC功能來(lái)看，這兩個(gè)接口是相同的，區(qū)別是一個(gè)發(fā)出物理中斷信號(hào)而另一個(gè)發(fā)出虛擬中斷信號(hào)。Hypervisor可以將虛擬CPU接口映射到VM，允許該VM中的軟件直接與GIC通信。
這個(gè)機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是Hypervisor只需要設(shè)置虛擬接口，而不需要采用全虛擬化的方式來(lái)支持GIC。可以減少中斷下陷的次數(shù)，從而減少中斷虛擬化的開(kāi)銷(xiāo)。
圖11. ARM架構(gòu)中GIC對(duì)設(shè)備虛擬化的支持
05 結(jié)語(yǔ)
虛擬化正迅速成為現(xiàn)代車(chē)載場(chǎng)景軟件架構(gòu)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，尤其是座艙SoC當(dāng)前面臨著安全隔離、靈活性和高利用率的挑戰(zhàn)。
Hypervisor軟件與硬件虛擬化擴(kuò)展的配合，可以讓座艙場(chǎng)景中的虛擬化特性更加高效、安全。
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