電源管理入門(mén)：Hypervisor中的電源管理

很多時(shí)候聽(tīng)說(shuō)Hypervisor，但是對(duì)底層軟件技術(shù)不了解的人感覺(jué)挺神秘。本篇文章簡(jiǎn)單介紹下Hypervisor的基本概念，另外介紹下電源管理在Hypervisor之上多OS間怎么應(yīng)用。

1. Hypervisor概念介紹

虛擬機(jī)管理器，又稱Hypervisor ，也稱為虛擬機(jī)監(jiān)控程序（VMM）,其處于SoC 硬件平臺(tái)之上，將實(shí)體資源（如 CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)空間、網(wǎng)絡(luò)適配器、外設(shè)等 ) 轉(zhuǎn)換為虛擬資源，按需分配給每個(gè)虛擬機(jī)，允許它們獨(dú)立地訪問(wèn)已授權(quán)的虛擬資源。

Hypervisor實(shí)現(xiàn)了硬件資源的整合和隔離，使應(yīng)用程序既能共享CPU等物理硬件，也能依托不同的內(nèi)核環(huán)境和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，從而滿足現(xiàn)代復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)多元化應(yīng)用場(chǎng)景需求。目前，通常使用兩種類(lèi)型的管理程序：

Type 1:裸機(jī)虛擬機(jī)管理程序：一種在硬件上本機(jī)運(yùn)行的管理程序。

Type 2:托管虛擬機(jī)監(jiān)控程序：此類(lèi)型的虛擬機(jī)監(jiān)控程序必須由另一個(gè)操作系統(tǒng)托管，并且僅負(fù)責(zé)使用主機(jī)操作系統(tǒng)可用的資源來(lái)虛擬化客戶操作系統(tǒng)。

VMM首先需要對(duì)CPU、內(nèi)存、中斷等資源進(jìn)行管理，并提供對(duì)應(yīng)虛擬化功能；按照I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)的布局，又可以分為Hypervisor模型和混合模型；

Hypervisor模型：VMM設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理，并向上提供服務(wù)；

混合模型：VMM只提供必要的CPU資源管理，由Guest Server OS提供設(shè)備管理和虛擬化服務(wù)。

Type 1和2的區(qū)別就是管理硬件的程序放OS還是OS之下，全放OS就是Type 2，全放OS之下就是Type 1.

驅(qū)動(dòng)程序放OS里面的話會(huì)引起兩個(gè)OS直接通信的開(kāi)銷(xiāo)，全放OS之下VMM的話，VMM驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工作量較大，因?yàn)镺S里面的驅(qū)動(dòng)基本就是現(xiàn)成的，VMM里面很大可能沒(méi)可以抄的驅(qū)動(dòng)。

參考Hypervisor模型：QNX

參考混合模型：代表有

[Xen](https://xenproject.org/)，

Intel的[Acrn](https://projectacrn.org/)，

以及國(guó)內(nèi)的[minos](https://github.com/minosproject/minos)，

和[bao-hypervisor](https://github.com/bao-project/bao-hypervisor)

2. 汽車(chē)軟件中的Hypervisor應(yīng)用

Hypervisor處于 SoC 硬件平臺(tái)之上，將實(shí)體資源（如 CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)空間、網(wǎng)絡(luò)適配器、外設(shè)等 ) 轉(zhuǎn)換為虛擬資源，按需分配給每個(gè)虛擬機(jī)，允許它們獨(dú)立地訪問(wèn)已授權(quán)的虛擬資源。Hypervisor 實(shí)現(xiàn)了硬件資源的整合和隔離，使應(yīng)用程序既能共享 CPU 等物理硬件，也能依托不同的內(nèi)核環(huán)境和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，從而滿足汽車(chē)領(lǐng)域多元化應(yīng)用場(chǎng)景需求。

為什么汽車(chē)中迫切需求Hypervisor？

汽車(chē)上有三個(gè)域：車(chē)身域、座艙域、智駕域。也就是說(shuō)有三個(gè)OS運(yùn)行在復(fù)雜的SoC上。在域融合的同時(shí)，要保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的安全可靠，也要考慮應(yīng)用生態(tài)的可持續(xù)性兼容，這就需要有資源隔離技術(shù)來(lái)支撐在同一 SOC 上切分資源，可并發(fā)運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，保障互不干擾。基于安全和資源隔離的需求需要Hypervisor。

資源隔離技術(shù)有很多，為什么是Hypervisor？

資源隔離技術(shù)有多種，從硬件底層逐層向上包括硬件隔離、虛擬化隔離、容器隔離、進(jìn)程隔離等。硬件隔離的隔離性最好，單隔離域的性能、安全可靠性最好，但靈活性、可配置性差，不能實(shí)現(xiàn)硬件共享，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率差，不能充分達(dá)到軟件定義汽車(chē)的目標(biāo)。容器隔離、進(jìn)程隔離可以更輕量級(jí)地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離，但還是在同一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)，存在著資源干擾、相互安全攻擊的隱患，并且無(wú)法支持異構(gòu)操作系統(tǒng)業(yè)務(wù)域融合，影響傳統(tǒng)業(yè)務(wù)繼承，不利于生態(tài)發(fā)展。在眾多的資源隔離技術(shù)中，虛擬化是安全可靠、彈性靈活的優(yōu)選方案，是軟件定義汽車(chē)的重要支撐技術(shù)。

在汽車(chē)領(lǐng)域，Hypervisior 主要完成以下任務(wù)：

虛擬化：為虛擬機(jī)提供 VCPU 資源和運(yùn)行環(huán)境；

內(nèi)存虛擬化：負(fù)責(zé)為其自身和虛擬機(jī)分配和管理硬件內(nèi)存資源；

中斷虛擬化：發(fā)生中斷和異常時(shí)，按需將中斷和異常路由到虛擬機(jī)進(jìn)行處理；

虛擬機(jī)設(shè)備模擬：根據(jù)需求創(chuàng)建虛擬機(jī)可以訪問(wèn)的虛擬硬件組件；

硬件支持 BSP：提供 Hypervisor 在 SoC上運(yùn)行的板級(jí)支持包，如串口驅(qū)動(dòng)；

虛擬機(jī)資源配置：對(duì)虛擬機(jī)的 CPU，內(nèi)存，IO 外設(shè)等資源進(jìn)行配置和管理；

虛擬機(jī)通信：為虛擬機(jī)提供 IPC，共享內(nèi)存等通信機(jī)制。

虛擬機(jī)調(diào)度：為虛擬機(jī)提供優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片等調(diào)度算法；

虛擬機(jī)生命周期管理：創(chuàng)建，啟動(dòng)和停止虛擬機(jī)；

虛擬機(jī)調(diào)測(cè)服務(wù)：提供控制臺(tái)，日志等調(diào)試功能；

3. QNX Hypervisor

QNX Hypervisor是基于Type 1實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的微內(nèi)核管理程序，用于管理虛擬機(jī)。在QNX 虛擬機(jī)管理程序可以更容易地獲得并通過(guò)從不同的客戶機(jī)操作系統(tǒng)的非安全關(guān)鍵組分分離安全關(guān)鍵部件保持安全認(rèn)證。QNX Hypervisor能夠滿足嵌入式零停機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)的精度要求。

基于標(biāo)準(zhǔn)的訪客通信（virtIO）和靈活的虛擬機(jī)配置確保了虛擬機(jī)管理程序環(huán)境可以擴(kuò)展到大型服務(wù)器級(jí)設(shè)計(jì)（根據(jù)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和高端計(jì)算系統(tǒng)的要求）。此外，虛擬機(jī)管理程序環(huán)境可以擴(kuò)展到深度嵌入式系統(tǒng)（集群+信息娛樂(lè)汽車(chē)系統(tǒng)，ECU整合，醫(yī)療設(shè)備，工業(yè)控制）。QNX Hypervisor實(shí)現(xiàn)為經(jīng)過(guò)業(yè)界驗(yàn)證的基于QNX Neutrino微內(nèi)核的RTOS的虛擬化擴(kuò)展; 繼承QNX操作系統(tǒng)的所有實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，該操作系統(tǒng)已經(jīng)在全球數(shù)百萬(wàn)個(gè)嵌入式系統(tǒng)中提供。

Type 1 Hypervisor

安全認(rèn)證譜系

虛擬CPU模型

根據(jù)優(yōu)先級(jí)固定核心或共享核心

自適應(yīng)分區(qū) - 允許客戶運(yùn)行時(shí)的CPU保證

64位和32位客戶：QNX，Linux，Android，RTOS

共享內(nèi)存與觸發(fā)

VirtIO（0.95 / 1.0）設(shè)備共享

TAP和具有橋接功能的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

故障檢測(cè)并重新啟動(dòng)客人

用于訪客完整性檢查的虛擬監(jiān)視器

低開(kāi)銷(xiāo)（典型<2％）

用于分析和調(diào)試的圖形工具

VM間通信

運(yùn)行在多個(gè)虛擬機(jī)中的應(yīng)用程序必須協(xié)同工作才能提供嵌入式設(shè)備的服務(wù)。通過(guò)這種方式，QNX Hypervisor支持共享內(nèi)存訪問(wèn)，共享文件訪問(wèn)以及虛擬機(jī)之間的TCP / IP / UDP網(wǎng)絡(luò)。

QNX ()高級(jí)虛擬化框架 (QAVF) 擴(kuò)展了 QNX ()管理程序和 QNX ()安全管理程序，提供高級(jí)虛擬化軟件組件，使 Android ()、Linux ()和 QNX ()等來(lái)賓能夠在涉及安全性的復(fù)雜環(huán)境中共存，安全認(rèn)證、設(shè)備抽象和設(shè)備共享。

通過(guò)遵循 VIRTIO 等開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，未經(jīng)修改的 Android 和 Linux 客戶機(jī)可以共享底層硬件和高級(jí)軟件服務(wù)，例如圖形顯示、聲學(xué)環(huán)境、觸摸屏、媒體存儲(chǔ)設(shè)備、視頻流、相機(jī)、通信、藍(lán)牙 (等)。

QAVF 允許在訪客外部共享設(shè)備。這是支持響應(yīng)式用戶體驗(yàn)的重要功能。例如，它使用戶能夠在來(lái)賓仍在啟動(dòng)時(shí)與硬件設(shè)備（如相機(jī)、顯示器、音頻或觸摸屏）進(jìn)行交互。

4. Hypervisor中的多OS通信技術(shù)

Hypervisor中有很多技術(shù)，例如CPU 虛擬化和節(jié)能降耗技術(shù)、IO 設(shè)備虛擬化、實(shí)時(shí)性技術(shù)、安全和可靠性技術(shù)等，大家可以自己查資料去學(xué)習(xí)，特別是參考國(guó)內(nèi)的minos，bao-hypervisor開(kāi)源軟件去學(xué)習(xí)，修改，使用（大家懂的）。

這里主要介紹下多OS的通信技術(shù)，后面在介紹多OS電源管理時(shí)會(huì)用到。

Hypervisor（虛擬化管理程序）是一種軟件或硬件層面的虛擬化技術(shù)，用于在物理計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)虛擬操作系統(tǒng)（OS）。Hypervisor需要提供一種有效的機(jī)制，以便不同虛擬機(jī)（VM）之間以及虛擬機(jī)與宿主機(jī)（host）之間進(jìn)行通信。以下是幾種常見(jiàn)的Hypervisor的OS間通信機(jī)制：

1. 虛擬網(wǎng)絡(luò)：Hypervisor可以創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，為虛擬機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)連接和通信功能。虛擬網(wǎng)絡(luò)允許虛擬機(jī)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，就像它們連接在同一物理網(wǎng)絡(luò)上一樣。這種通信機(jī)制基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。

2. 共享內(nèi)存：Hypervisor可以在物理內(nèi)存中創(chuàng)建共享區(qū)域，允許不同的虛擬機(jī)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)。通過(guò)在共享內(nèi)存區(qū)域中讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，虛擬機(jī)可以進(jìn)行相互通信。這種通信機(jī)制可以在虛擬機(jī)之間高效地傳遞數(shù)據(jù)，但需要適當(dāng)?shù)耐胶突コ鈾C(jī)制來(lái)處理并發(fā)訪問(wèn)。

3. 虛擬設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序：Hypervisor可以為虛擬機(jī)提供虛擬設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序，使得虛擬機(jī)可以與宿主機(jī)和其他虛擬機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)虛擬設(shè)備接口和相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，虛擬機(jī)可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包、訪問(wèn)存儲(chǔ)資源和執(zhí)行其他設(shè)備相關(guān)的操作。

4. 信號(hào)和事件：Hypervisor可以使用信號(hào)和事件機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)之間的通信。例如，一個(gè)虛擬機(jī)可以向Hypervisor發(fā)送信號(hào)，通知其他虛擬機(jī)發(fā)生了特定事件或狀態(tài)變化。這些信號(hào)可以在虛擬機(jī)之間進(jìn)行同步或觸發(fā)相應(yīng)的處理邏輯。

5. 宿主機(jī)通道：有些Hypervisor提供了特定的宿主機(jī)通道，允許虛擬機(jī)與宿主機(jī)之間進(jìn)行通信。這些通道可以用于傳遞命令、狀態(tài)信息、性能指標(biāo)等。通常，宿主機(jī)通道是通過(guò)特定的API或驅(qū)動(dòng)程序提供的。

其實(shí)就是：

要么共享內(nèi)存+中斷，

要么寄存在某個(gè)程序上（驅(qū)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)、虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)）

要么Hypervisor加一套消息處理通道機(jī)制（事件、信號(hào)、通道）。

5. 電源管理相關(guān)

例如司機(jī)不開(kāi)車(chē)時(shí)對(duì)整車(chē)進(jìn)行關(guān)機(jī)，那么這個(gè)命令如何在三個(gè)OS直接傳遞執(zhí)行，這里必須有一個(gè)次序，并且有一個(gè)代理人。比如司機(jī)（上帝）發(fā)送了一個(gè)指令給汽車(chē)，汽車(chē)?yán)锩娴?strong>車(chē)控OS最先接收到指令（教皇），然后教皇下令給座艙OS（大主教），大主教繼續(xù)給智駕OS（主教）傳達(dá)命令，然后各自去完成指令。

教皇就是Host OS，其他的都是Guest OS。Host OS和Guest OS的通信就是上面3章說(shuō)的一種方法即可。例如采用中斷+共享內(nèi)存，那么兩個(gè)OS都需要注冊(cè)對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)，映射好共享內(nèi)存，Guest OS一旦接受到中斷，讀取共享內(nèi)存中的命令后就去執(zhí)行。

不管是Host OS或者Guest OS執(zhí)行電源命令都是通過(guò)HVC命令陷入到Hypervisor去處理。

審核編輯：湯梓紅