Khorina · 6月5日

汽车ECU虚拟化技术(二)--U2A虚拟化功能

目录

1.基本概述

1.1 U2A虚拟化辅助功能

1.2 U2A虚拟化使能和资源分配

2. U2A架构概述 

  1. CPU运行模式

3.1 虚拟化模式

3.2 限制运行模式

3.3 权限运行模式

3.4 CPU运行模式小结

4.小结

01.基本概述

1.1 U2A虚拟化辅助功能

汽车ECU虚拟化技术初探(一)中我们聊到,U2A硬件本身的虚拟化辅助功能只能称为半虚拟化,该芯片主要是提供了一种叫做分区功能(partiton function)用于实现虚拟化辅助,该功能对运行在该CPU的软件做了硬件限制,从而将CPU的资源隔离开来;那么运行在虚拟机上的ECU就感觉不到虚拟机的存在,还是像以前一样部署OS即可使用。

1.2 U2A虚拟化使能和资源分配

U2A虚拟化辅助功能是由CPU提供,通过指令LDSR设置系统寄存器HVCFG.HVE,如下:

image.png

打开虚拟化功能之后,此时CPU就又出现了两种运行模式,Host Mode和Guest Mode。

Host Mode可以使用CPU的所有资源,但是Guest Mode就不能使用CPU虚拟化相关的资源,同时也受Host Mode的限制。

具体的资源分配主要由虚拟化软件来指定,但是软件分配好后,这种资源隔离机制由CPU提供,值得注意是CPU对通用寄存器没有隔离机制,因此需要在VM上下文切换时做好保存。CPU可以访问的主要资源如下:

image.png

隔离机制简介如下:

MPU:用于限制访问的地址空间

Guard Mechanism:产品指定的特殊访问限制机制,后面再聊

Partial Multiplexing:系统寄存器在Host/Guest Mode下多路复用

INTC:中断控制器特定的中断通道隔离机制

  • 5:Host指定是否使用Guest Mode

可以看到,这里面光memory就有三种:Flash、Local、Cluster;同时CPU也分为了Outside和Inside,隔离机制由MPU和Guard Mechanism构成;这是以前MCU都没有的概念,因此今天着重分析上述内容。

02.U2A架构概述

首先我们来看U2A-EVA 516的CPU子系统架构框图:

image.png

可以看到,瑞萨将4个核均分给了Cluster#0和#1,Cluster2和3仅包含了Cluster RAM;C#0和C#1里均有两个4MB的CodeFlash和一个64KB的LRAM。与之前RH850-P1x/F1KM系列,缺少了Global RAM,转为了Cluster RAM,这很有意思,为什么要改这个名字呢?后面看到再说。

回过头来,我们根据这个图,就可以判断在上面资源分配所谓的Outside CPU其实就是指的当前这个资源是CPU子系统里的还是外面的,以Flash为例,CPU0访问FLI0必须通过Local FLASH Bus,因此它是CPU外部资源,采用MPU+Guard机制进行资源隔离。

我们知道虚拟化开启后,CPU新增了一种特权模式,叫做hypervisor privilege;不同的权限也对应不同的功能,所以我们来看看当虚拟化开启后,整个系统功能有哪些不一样。如下:

image.png

所以,可以初步得出一个结论,U2A提供的虚拟化辅助功能主要还是从CPU角度出发,分别对CPU运行模式、虚拟化模式的异常处理、内存隔离、存储隔离、指令增加以及特权变化做了硬件机制上的新增。

03.CPU运行模式

U2A基于RISC自行设计的G4MH2内核,它支持3种独立的模式:虚拟化模式、有限制运行模式和权限模式。

3.1 虚拟化模式

该模式主要用于表征CPU虚拟化辅助功能的使用状态,使用系统寄存器HVCFG.HVE进行切换,如下:

image.png

传统模式就是ECU直接运行在裸机上面,因此不能使用虚拟化相关功能或者指令,否则会触发RIE(reserved instruction exception)。

3.2 限制运行模式

如上图所示CPU切换到虚拟化模式后,首先会进入到虚拟化模式中的限制运行子模式Host Mode,如下图所示:

image.png

Host Mode:该模式下不能使用隔离机制(partition function);

Guest Mode:可以使用隔离机制。

因此,我们这里做一些总结,在CPU最初情况下,有两种运行模式可以选择:conventional和virtualized,当选择virtualized模式之后,会进入该模式下的子状态:Host Mode。Host可以通过寄存器PSWH进入到Guest Mode,如下:

image.png

当虚拟化使能后(HVCFG.HV = 1),PSW变成了扩展性寄存器,如下:

image.png

这里有一个很关键的点,GM这一bit是只读的,因此如何使得CPU从Host跳转至Guest模式呢?根据描述需要使用return指令,例如EIRET,

image.png

所以我们看到上图,有一个xxPSWH,可以实际举例为EIPSWH,如下:

image.png

3.3 权限运行模式

权限运行模式主要针对软件的操作权限,分为Supervisor Mode(SV)和User Mode,这些权限通俗讲就是用于操作某些寄存器(寄存器受不同权限保护)。很明显,不管是在3.1、3.2哪种模式,软件权限划分都要分SV和UM。例如在传统运行模式中,通知App是运行在UM里,OS才有SV权限去完全调度CPU资源,因此我们可以把这些权限全部贴进上述模式中,如下:

image.png

而在Host Mode下,有一种独有权限,叫做HV(Hypervisor privilege) ,用于操作受HV保护的寄存器。

3.4 CPU运行模式小结

有了上述基本概念,我们再回过头来看瑞萨提供的这张图就清晰了,如下:

image.png

  1. CPU运行后,首先在Conventional Mode运行,如果不使用虚拟化,那么软件就可以在SV/UM权限去操作不同的寄存器或者资源;
  2. 使能虚拟化后,CPU进入到Virtualized Mode,并且此时软件处在HV特权下;同时Hypervisor的软件也可以在HV\UM跳转;
  3. 当真正运行虚拟机之后,进入到Guest Mode,并且与传统模式一样拥有SV和UM权限

那么具体模式之间跳转后的PC、上下文以及对应寄存器有哪些呢?先来一个Host Mode 寄存器模型大图:

image.png

这里暂时不讲了,不然大伙儿就没兴趣看了。

04.小结

今天讲清楚了CPU的运行模式,以及各种模式的切换方式。接下来,我们要继续深度研究每个模式下的寄存器、内存管理机制、中断虚拟化等内容。

作者:快乐的肌肉
文章来源:汽车MCU软件设计

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