1.1 虛擬化技術的發展歷史

1955年，Fortran語言之父John Backus首次提出了分時（Time-Sharing）技術，透過該技術，昂貴的大型主機可以被多個用戶同時使用，這被公認為最早的虛擬化技術的概念[1 ]。 1972年，IBM公司研發了VM/370虛擬機器作業系統，真正實現了虛擬化技術的商業落地。 1974年，Gerald J. Popek和Robert P. Goldberg系統闡述了實現電腦虛擬化所需滿足的特性，以及虛擬機器和虛擬機器監控器的概念，這些概念一直沿用至今[2]。現今的虛擬化技術已從PC端發展到嵌入式系統領域。

1.2 嵌入式虛擬化的發展

嵌入式虛擬化的興起首先得益於半導體技術的快速發展，以英飛凌的TriCore™品牌為例（圖1），經過多年的發展，TriCore™的核心架構不斷升級，主頻持續攀升，最新的下一代AURIX™ TC4x首次引進了虛擬化技術，讓嵌入式MCU從硬體上支援虛擬化成為現實。

其次，在汽車領域，軟體定義汽車日漸盛行，MCU的軟體架構也從單核心到多核心，再到多核心的虛擬化逐漸演進[3]，如圖2所示。

最後，從顧客角度出發，出於節約成本，系統整合，功能安全，資訊安全以及配置彈性等多維度考量，嵌入式虛擬化也是其中的關鍵突破口（圖3）。

2.1虛擬環境的組成

典型的虛擬環境由三個部分組成：硬件，虛擬機器以及虛擬機器監控器（圖4）。

1. 硬件，可以是任意支援虛擬化技術的處理器，如英飛凌的下一代高性能MCU，AURIX™ TC4x。
2. 虛擬機器（VM，Virtual Machine），是執行不同虛擬化應用程式的容器。透過虛擬化技術，將實體電腦系統依照CPU，Memory，外設，中斷等維度進行虛擬分配，形成所謂的虛擬電腦。
3. 虛擬機器監控器（VMM，Virtual Machine Monitor），又稱為Hypervisor（以下皆簡稱Hypervisor），它是橫跨在虛擬機器和硬體之間的軟體層，其主要作用是協調不同虛擬機器的運行，確保它們之間互不干擾。

2.2 虛擬化系統的分類

根據Hypervisor在整個虛擬化系統中實現位置的不同，Hypervisor可以分成兩種[1]（圖5）：

Type1 Hypervisor：Hypervisor直接跑在硬體的裸板上，並且運行在最高特權級，而所有的虛擬機器運行在較低的特權級。 Hypervisor直接負責其上各個虛擬機器的資源分配以及運行時的調度策略。

Type2 Hypervisor：Hypervisor作為一個應用程式跑在主機的OS上，與其他應用程式沒有本質區別。 Hypervisor需要與主機上的OS協商資源分配。

兩種Hypervisor相比，Type1的Hypervisor因為直接存取底層的硬體資源，在使用效率和效能上較好，一般適用於嵌入式系統。而Type2的Hypervisor因為運行在作業系統之上，即使非技術型使用者也可以很好地操作Hypervisor，一般用於桌上型系統，例如個人電腦等等。

在汽車電子應用領域，嵌入式虛擬化有以下幾個方面的優點：

有利於系統整合

從系統架構層面來看，整車的EE架構已從傳統的分散式系統轉變為集中式架構（圖6）。

以網域控制器架構為例，乙太網路作為主幹網路連接各個網域控制器，在它們下方掛著不同功能模組的小型ECU[4]。在引入虛擬化技術之後，可以將其中部分小型ECU以虛擬機器的形式移植到網域控制站裡面，最大化地使用域控MCU的硬體資源，從而減少ECU的數量[5]，降低系統的BOM成本。圖7是一個簡單的例子來說明這個概念。

從軟體開發的角度來看，引入虛擬化之後，Hypervisor將硬體資源分配給不同的虛擬機，虛擬機跟應用程式之間有一定的映射關係。各個軟體開發團隊根據Hypervisor分配的硬體資源和調度策略去執行自己的應用程式開發，然後做軟體整合（圖8）。由於各個虛擬機器可以獨享自己的硬體資源，彼此之間互不干擾，各個虛擬機器甚至可以使用不同的AUTOSAR軟體，不同的作業系統，不同的開發工具。這樣就解決了不同開發團隊或不同供應商的程式在同一個硬體系統中運行，系統整合難度高的問題。

有利於功能安全和資訊安全的部署

虛擬化技術的一個顯著特定是隔離，Hypervisor為不同的虛擬機器分配硬體資源，如CPU，內存，外設以及中斷。以AURIX™ TC4x為例，使用者可以對每一個虛擬機器分配特定的記憶體和外設，以及它們的存取權限，中斷也可以給到指定的虛擬機器去回應。這樣原本在不同ECU層面的功能安全與資訊安全目標，現在在不同虛擬機器之間就能夠實現（圖9）。

增強了系統整合的靈活性

每一個虛擬機器可以做到獨立的啟動和停止，以及獨立的去編程和燒錄，這大大增強了系統的可擴展性和整合的靈活性。