多核處理器下智能車(chē)載平臺的設計與實(shí)現

　　摘要：隨著(zhù)汽車(chē)智能化程度的不斷加深，車(chē)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(shí)時(shí)控制的能力。傳統的車(chē)載平臺無(wú)法滿(mǎn)足消費者對智能控制的要求，因此需要在車(chē)載環(huán)境中引入嵌入式虛擬化的技術(shù)，使面向控制的實(shí)時(shí)操作系統和支持復雜人機交互接口的非實(shí)時(shí)嵌入式系統能夠同時(shí)運行在同一硬件環(huán)境中。本文分析了目前市場(chǎng)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機制的高效智能車(chē)載平臺的實(shí)現方法，在多核處理器的硬件環(huán)境下，實(shí)現了汽車(chē)控制與信息系統的融合，并在OMAP4430硬件平臺上對其功能進(jìn)行了驗證。

　　概述

　　隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )、人工智能等技術(shù)在汽車(chē)電子領(lǐng)域中的廣泛應用，人、車(chē)、網(wǎng)絡(luò )三者逐漸緊密地融合在了一起，同時(shí)車(chē)載系統逐漸向汽車(chē)控制系統滲透。高度集成化的智能控制和信息交互的需求給車(chē)載平臺的設計實(shí)現帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰。傳統的車(chē)用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統主要面向控制領(lǐng)域，對圖形界面、人機交互等的支持較差，而電子產(chǎn)品中使用的主流復雜嵌入式操作系統如WindowsCE、Android等不能夠滿(mǎn)足車(chē)用控制系統實(shí)時(shí)性、準確性、穩定性的性能要求。

　　高性能的多核處理器為大計算量的應用提供了硬件基礎，提高了資源的利用率^[2]。嵌入式虛擬化技術(shù)^[3]允許多個(gè)操作系統運行在同一物理硬件平臺上，從而滿(mǎn)足了車(chē)載平臺實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制的智能車(chē)載平臺設計和實(shí)現方法。

　　相關(guān)工作

　　過(guò)去十年來(lái)，虛擬化技術(shù)發(fā)展迅速，其應用領(lǐng)域逐漸由桌面系統擴展至嵌入式系統中。下面對兩款主流的嵌入式虛擬機系統及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

　　PikeOS

　　PikeOS是一款基于微內核核架構、面向安全關(guān)鍵領(lǐng)域的商用非開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統和虛擬化平臺^[4]。近年來(lái)，PikeOS逐漸地應用于汽車(chē)電子等領(lǐng)域中。例如由德國OPENSYSNERGY公司針對車(chē)內前部單元組、儀表板、連通性盒子和駕駛員輔助系統開(kāi)發(fā)的COQOS系統，就是基于PikeOS實(shí)現的一個(gè)高度可伸縮軟件框架^[5]。

　　在PikeOS架構中實(shí)現了一種兼容MILS架構^[6]的分離式內核，它為不同設計目標和安全級別的操作系統提供了分區的環(huán)境。這種分區機制被廣泛應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(guò)對各種資源進(jìn)行分區，從而達到相互隔離的目的，有效地防止了一個(gè)系統的錯誤向其他系統中傳播。

　　OKL4

　　OKL4是一個(gè)基于L4微內核架構的開(kāi)源虛擬機監控器^[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核Microvisor，主要應用在智能手機系統中^[9]。

　　OKL4繼承了L4系列微內核的特點(diǎn)，對地址空間、線(xiàn)程、進(jìn)程間通信進(jìn)行了抽象，實(shí)現了安全單元的分區，使得運行其上的虛擬機及其他應用、驅動(dòng)程序分別運行在各自的隔離分區中，并通過(guò)一種相對高效的IPC(Inter-Processor Communication)進(jìn)行通信^[10]。OKL4采用的這種半虛擬化的技術(shù)需要其客戶(hù)機操作系統能夠完全運行在OKL4 Microvisor上，因此需要對操作系統內核進(jìn)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的實(shí)現都相對復雜，對硬件的性能要求較高。

　　平臺設計

　　系統結構設計

　　本文綜合考慮了成本、性能需求以及系統實(shí)現的復雜程度，提出了一種基于分區機制的多操作系統并行處理方法。在多核處理器的硬件平臺上，基于嵌入式虛擬化技術(shù)中的分區機制將軟件平臺隔離為不同計算區域。在每個(gè)物理的處理器上部署一個(gè)嵌入式操作系統，其結構圖如圖1所示。其中，Android OS負責處理非實(shí)時(shí)的人機交互應用，SmartOSEK OS^[11]負責處理實(shí)時(shí)控制應用。本文在系統設計上采用有效的分區機制使二者相互隔離?！　?/p>

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