多核处理器下智能车载平台的设计与实现

　　摘要：随着汽车智能化程度的不断加深，车载平台既要提供良好人机交互服务^[1]，又要具备良好的实时控制的能力。传统的车载平台无法满足消费者对智能控制的要求，因此需要在车载环境中引入嵌入式虚拟化的技术，使面向控制的实时操作系统和支持复杂人机交互接口的非实时嵌入式系统能够同时运行在同一硬件环境中。本文分析了目前市场上主流的嵌入式虚拟化产品及相关的技术，提出了一种基于分区机制的高效智能车载平台的实现方法，在多核处理器的硬件环境下，实现了汽车控制与信息系统的融合，并在OMAP4430硬件平台上对其功能进行了验证。

　　概述

　　随着计算机网络、人工智能等技术在汽车电子领域中的广泛应用，人、车、网络三者逐渐紧密地融合在了一起，同时车载系统逐渐向汽车控制系统渗透。高度集成化的智能控制和信息交互的需求给车载平台的设计实现带来了新的问题和挑战。传统的车用嵌入式实时操作系统主要面向控制领域，对图形界面、人机交互等的支持较差，而电子产品中使用的主流复杂嵌入式操作系统如WindowsCE、Android等不能够满足车用控制系统实时性、准确性、稳定性的性能要求。

　　高性能的多核处理器为大计算量的应用提供了硬件基础，提高了资源的利用率^[2]。嵌入式虚拟化技术^[3]允许多个操作系统运行在同一物理硬件平台上，从而满足了车载平台实时控制与人机交互的需求。因此，本文在多核处理器的硬件环境下，提出了了一种融合人机交互和实时控制的智能车载平台设计和实现方法。

　　相关工作

　　过去十年来，虚拟化技术发展迅速，其应用领域逐渐由桌面系统扩展至嵌入式系统中。下面对两款主流的嵌入式虚拟机系统及相关技术进行分析。

　　PikeOS

　　PikeOS是一款基于微内核核架构、面向安全关键领域的商用非开源嵌入式实时操作系统和虚拟化平台^[4]。近年来，PikeOS逐渐地应用于汽车电子等领域中。例如由德国OPENSYSNERGY公司针对车内前部单元组、仪表板、连通性盒子和驾驶员辅助系统开发的COQOS系统，就是基于PikeOS实现的一个高度可伸缩软件框架^[5]。

　　在PikeOS架构中实现了一种兼容MILS架构^[6]的分离式内核，它为不同设计目标和安全级别的操作系统提供了分区的环境。这种分区机制被广泛应用在航空电子等高安全性需求的嵌入式领域中^[7]。它通过对各种资源进行分区，从而达到相互隔离的目的，有效地防止了一个系统的错误向其他系统中传播。

　　OKL4

　　OKL4是一个基于L4微内核架构的开源虚拟机监控器^[8]。OKL4针对于嵌入式虚拟化领域的发展趋势提出了具有虚拟化功能的微内核Microvisor，主要应用在智能手机系统中^[9]。

　　OKL4继承了L4系列微内核的特点，对地址空间、线程、进程间通信进行了抽象，实现了安全单元的分区，使得运行其上的虚拟机及其他应用、驱动程序分别运行在各自的隔离分区中，并通过一种相对高效的IPC(Inter-Processor Communication)进行通信^[10]。OKL4采用的这种半虚拟化的技术需要其客户机操作系统能够完全运行在OKL4 Microvisor上，因此需要对操作系统内核进行修改，提供其对OKL4半虚拟化的支持，如OK:Linux、OK:Android、OK:Windows等^[10]。

　　上述两款嵌入式虚拟化系统的实现都相对复杂，对硬件的性能要求较高。

　　平台设计

　　系统结构设计

　　本文综合考虑了成本、性能需求以及系统实现的复杂程度，提出了一种基于分区机制的多操作系统并行处理方法。在多核处理器的硬件平台上，基于嵌入式虚拟化技术中的分区机制将软件平台隔离为不同计算区域。在每个物理的处理器上部署一个嵌入式操作系统，其结构图如图1所示。其中，Android OS负责处理非实时的人机交互应用，SmartOSEK OS^[11]负责处理实时控制应用。本文在系统设计上采用有效的分区机制使二者相互隔离。