2021年
第4期
【摘要】基于NXP 公司开发的i.MX8处理器，使用Xen 虚拟化设计启动Linux 双系统，在原有的嵌入式Linux 单系统中
加入Xen Hypervisor ，通过定制U-Boot 、Domain-0内核、Domain-U 内核，修改设备树分配硬件资源，并开发双屏显示驱动程序，完成了Linux 双系统的启动和双屏显示，实现“一机双系统双屏”，验证了嵌入式虚拟化方案在智能座舱系统上应用的可行性。
主题词：智能交通i.MX8嵌入式虚拟化
Xen Linux 双系统
中图分类号：U462.1
文献标识码：A
DOI:10.19620/jki.1000-3703.20200821
Design of A Dual-Linux System Based on Xen Virtualization Project
on i.MX8
Ni Zihao 1,He Zhaodan 1,2,Geng Yang 2,Zhang Kai 1,2
（1.Tsinghua Shenzhen International Graduate School,Shenzhen 518055;2.Shenzhen Adan Energy Information Technology
Co.,Ltd.,Shenzhen 518126）
【Abstract 】Based on the i.MX8processor developed by NXP,Xen virtualizati on is utilizedto start a dual-Linux system.By adding Xen Hypervisor to the original embedded single Linux system,customizing the U-Boot,Domain-0kernel,Domain-U kernel,modifying the device tree to allocate hardware resources,and developing a dual-screen display driver,a dual-Linux system startup and dual-screen display is constructed.The feasibility of the embedded virtualization
solution in the intelligent cockpit system is verified through “one machine,two systems,two screens ”.
Key words:Intelligent transportation,i.MX8,Embedded virtualization,Xen,Linux,Dual
system
倪子豪1
何照丹1,2
耿杨2
张凯1,2
（1.清华大学深圳国际研究生院，深圳518055；2.深圳市阿丹能量信息技术有限公司，深圳518126）
基于i.MX8虚拟化Xen 方案的Linux 双系统设计
汽车技术·Automobile Technology
1前言
随着汽车多元化需求的增加，车载系统向着智能座舱方向发展，成为同时具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能的综合平台。现代化的智能座舱系统在保证车辆安全、稳定的前提下，对信息、娱乐和辅助驾驶的集成提出了新的要求。智能座舱需要集成度更高、感官效果更好的整体系统，因此需要将组合仪
表、中控台等多个工作目的、性能要求不同的系统进行集成。
目前，汽车普遍将2套完全独立的系统分别安装于2个处理器上，分别负责仪表的数据处理与显示，以及信息娱乐功能。该方法需2套硬件资源，成本较高，且2个系统需要通过总线或以太网协议进行信息交互，系统
间交互较为复杂。另一种方法是使用虚拟化系统，即在1套硬件资源上通过虚拟化技术运行2个系统。若沿用类似VMWare 的基于软件的虚拟化方案，会增加系统代码量，从而影响可靠性。因此，必须寻新的基于硬件的虚拟化方案，通过采用多核方案实现硬件虚拟化，从而兼顾安全性与成本。
Xen 是开源的虚拟化管理软件，其核心是虚拟机监
视器，负责完成CPU 调度和内存资源分配[1]，具有高性能和占用资源少的特点，且与操作平台的结合极为密切，并支持ARMv8嵌入式架构。相比于其他虚拟化方案，Xen 相对成熟，且其ARM 架构支持相对前沿。在各种车载嵌入式系统的虚拟化中，Xen 的应用相对较少。在国外：Avanzini 等人[2]提出了基于Xen 的车载系统虚拟
【引用格式】倪子豪，何照丹，耿杨，等.基于i.MX8虚拟化Xen 方案的Linux 双系统设计[J].汽车技术,2021(4):1-5.
NI Z H,HE Z D,GENG Y,et al.Design of a Dual-Linux System Based on Xen Virtualization Project on i.MX8[J].Automobile Technology,2021(4):1-5.
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化方案，将Linux系统和ERIKA实时系统进行整合；Luca等人[3]的研究表明，Xen和KVM都可以作为实时管理程序，并提供了一些减少延迟的指导机制，有利于提高Xen在车载系统中的实时特性。在国内，主流的方案有：使用ARM和Windows Embedded CE设计车载系统[4]；使用嵌入式Linux进行开发，例如结合图形界面QT设计车载虚拟仪表[5]等；王冲[6]提出了基于Xen的半虚拟化系
统设计，讨论了Linux与μC/OS-Ⅱ系统结合的性能，但由于μCOS-Ⅱ目前尚未开源，所以无法定制开发。
基于以上背景，本文使用NXP公司开发的高配版i.MX8系列处理器，基于i.MX8系列ARMv8架构处理器，使用Xen虚拟化方案实现Linux双系统的启动。
2通用引导加载程序设计
2.1通用引导加载程序
在嵌入式Linux系统常用的引导加载程序（BootLoader）中，通用引导加载程序（Universal Boot Loader，U-Boot）使用频率最高。其“通用”有两层含义，一是支持多种不同的嵌入式操作系统，二是支持诸多常用系列的处理器。U-Boot项目的开发目标与之契合，即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。本文对U-Boot进行一些定制化设计，将Xen引导命令编译入U-Boot，使其能够正常启动虚拟机管理器。
U-Boot目录分为3类：与处理器架构和板极硬件相关的代码；通用函数和驱动、检测程序；参考文档和工具。修改代码时只需要修改/arch/arm、/board、/configs、/include 目录下有关开发板和处理器架构等方面的配置文件。2.2U-Boot的修改与设计
U-Boot启动过程分为3个阶段，其中第3个阶段主要任务是加载内核并跳转到内核启动。而Xen Hypervisor 是类似内核的模块，因此U-Boot设计与修改的重点在于了解第3个阶段如何调用内核并传递必要参数。
按照正常的单系统启动流程，应在内存中将U-Boot、Linux系统内核、根文件系统等启动相关的镜像按照图1的顺序加载。
图1Linux单系统启动流程
Xen是一个微内核，作为Linux虚拟机的管理者，需要先于Linux系统启动，在Xen虚拟化方案下的启动镜像应按照图2的顺序加载。
图2Xen虚拟化方案下Linux双系统启动流程
比较图1和图2可以明确需对U-Boot进行的修改：将传递给Linux和Xen的参数全部传递给Xen内核，并加载Xen内核到内存中，最后启动Xen Hypervisor。
基于上述分析，本文对U-Boot进行了如下修改：a.在定义环境变量中加入有关Xen启动的变量：#define XEN_BOOT_ENV
b.对Xen Hypervisor使用参数进行定义，包括命令行为串口1、加载地址为0x80280000、启动介质为SD 卡，在此基础上传递Linux系统Domain-0启动所需参数，包括加载地址为0x85000000、分配内存2048M和分配4个虚拟CPU。最后定义指令run xenmmcboot作为U-Boot命令行调用这些代码加载Xen内核的入口："xenmmcboot="\
"setenv get_cmd\"fatload mmc${mmcdev}: ${mmcpart}\";"\
"setenv console${xenlinux_console};"\
"run mmcargs;"\
"run xenboot_common;"\
"\0"\
通过以上操作，完成了U-Boot的设计与修改，设置了启动方式和命令，使U-Boot从SD卡启动，使得U-Boot 启动目标为复制Xen内核到内存中，最后启动Xen内核，并将控制权交给Xen Hypervisor。经过上述修改，对Xen 加入内存前、后的内存空间进行比较，如图3所示。
（a）Linux单系统（b）虚拟化Linux双系统
图3Linux系统和Xen虚拟化方案Linux双系统内存空间分布3特权域Domain-0设计与启动
3.1Domain-0内核配置与编译
从Linux3.0开始，Linux内核添加了Xen 相关的支
上
电BootLoader 启
动
参
数
内
核
根
文
件
系
统
应
用
程
序
上电
BootLoader
启动参数
Xen Hypervisor
Domain-0内核
电脑怎么装linux和windows双系统Domain-U内核
Domain-0根文件系统
Domain-U根文件系统
Domain-0应用程序
Domain-U 应用程序
Domain-0Kernel
hdprx
dhp
fdt
Xen Hypervisor
text+data+bss
U-Boot
0×85000000
0×84800000
0×84000000
0×83000000
0×80280000
0×80080000
0×80000000
hdprx
dhp
fdt
Kernel
U-Boot
0×84800000
0×84000000
0×83000000
0×80280000
0×80000000
……
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汽车技术
持，可以选择是否作为Domain-0内核使用，给内核编译带来不少方便。Domain-0内核修改过程如图4所示。
图4Domain-0内核修改过程
由于i.MX8系列处理器使用ARMv8架构，属于64位处理器，所以需要在内核配置前执行：$export ARCH=ARM64
上述代码将架构改为ARM64，并在内核根目录的/arch/arm64/configs下对默认配置文件defconfig进行修
改，调整是否为Domain-0的配置，将修改后的配置文件重命名为Dom0_defconfig、DomU_defconfig并保存，如是便可以在后续修改2个系统的内核时分别拥有对应的默认配置文件。进而执行：
$make Dom0_defconfig
则make脚本会读取Dom0_defconfig中的代码，对内核进行配置，并保存文件.config。该文件即内核在进行编译时参考的最终配置文件。
其中，关于Xen和Domain-0的部分重要配置如下：CONFIG_XEN_DOM0=y
CONFIG_XEN_DEV_EVTCHN=y CONFIG_XEN_SYS_HYPERVISOR=y CONFIG_XEN_BACKEND=y
CONFIG_XEN_NETDEV_BACKEND=m CONFIG_XEN_BLKDEV_BACKEND=m
以上即以Domain-0作为特权域必须的配置，能使Domain-0在启动时加载特权域相关组件，及组成Xen Hypervisor中分离驱动架构的必要部分——backend驱动。
配置结束后保存，然后对内核进行编译。本文使用的Linux内核加入了Yocto Project的支持，可以使用bitbake linux-imx-C compile指令一步完成内核编译和部署，之后会直接将编译生成的镜像文件Image和设备树.dtb文件保存于deploy目录下，方便查和使用。
3.2系统启动介质的制作
一个Linux系统的运行包含4个必需部分：Linux 系统内核Image、设备树.dtb文件、BootLoader、根文件系统。通过Yocto Project提供的bibake编译指令可在/tmp/deploy目录下生成单独的内核、文件系统等，也有将上述4个部分全部打包的镜像.sdcard文件，供开发人员制作启动介质，可以直接使用dd指令将打包好的完整系统镜像.sdcard文件烧录到SD卡中。但是使用这种固定的烧录镜像方法时，无论SD卡的存储空间多大，都会对SD卡进行固定大小的分区，且仅有2个分区。这会造成SD卡存储资源的浪费，且空间大小不可调节，若文件系统中放入大量应用程序，则会造成分区空间不足，但空余空间无法利用的后果。另外，由于使用Xen 虚拟化方案启动2个系统，则需要在一张SD卡上烧录2个系统，以上方法便不能适应此需求。
对上述结果进行分析，并结合Linux系统启动过程，本文手动对SD卡进行分区并格式化，根据需求自定义分区大小。此后，按地址前后顺序在SD卡上烧录U-Boot、在第1个分区放置设备树.dtb文件和系统镜像，在第2个分区放入根文件系统。后续空间为未分区或格式化的raw存储空间，仍可在后期增加分区和放置系统文件。
考虑到目前本课题实际需要，暂不涉及多系统的试验，因此对SD卡分为3个分区，如表1所示。
表1自定义SD卡分区情况
分区完成后需要进行格式化，第1个分区格式为vfat，用于存放设备树文件和内核镜像，第2、第3个分区格式为ext4，用于存放根文件系统。接下来分别完成单独烧录BootLoader、复制根文件系统等操作，即完成了启动介质的自定义制作。
经试验验证，该方法具有可行性，同时解决了无法烧录多个系统、SD卡空间浪费的问题。为提高SD卡内存使用率，在后续研究中将全部使用该方法。
完成SD卡启动介质制作后，将SD卡插入开发板卡槽，输入run xenmmcboot，即从SD卡中启动Xen Hypervi⁃sor。初始化Xen的一些资源后，内核开始启动Domain-0。4非特权域Domain-U设计与启动
4.1Domain-U内核配置与编译
Domain-U内核的配置过程与Domain-0类似，但在设备分配上有所不同。Domain-U的配置主要是内核模块与硬件设备的分配。Linux内核从3.x版本开始引入设备树的概念，用于实现驱动代码与设备信息的分离。
根据处理器类型调整内核架构编写配置文件Dom0_defconfig
使用make指令配置内核
使用bitbake指令编译内核
分区名称起点扇区编号终点扇区编号扇区数量/个分区容量
Id
类型
/dev/sdc1
20480
1024000
1003521
490MB
c
W95FAT32(LBA)
/dev/sdc2
1228800
16172544
14943745
7.1GB
83
Linux
/dev/sdc3
16377344
31116287
14738944
7GB
83
Linux
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对于Linux双系统，需要编写2个系统分别对应的设备树.dts文件。而NXP公司对于单Linux系统已经编写了针对该开发板的设备树文件fsl-imx8qm-mek.dtsi，因此可以在此基础上进行修改。
设备树文件的修改原理如图5所示。根据Xen Hypervisor虚拟化方案的原理，Domain-0作为特权域拥有所有硬件资源的访问权，因此在Domain-0的设备树中理应包括所有的设备，但有些需要设置为“xen，passthrough”属性，传递给Domain-U供其重写属性并使用。本文完成了fsl-imx8qm-mek-dom0.dts和fsl-imx8qm-mek-domu.dts2个文件的编写，并在调试中进一步修正。
图5Xen资源分配方法
根据Domain-U的配置要求，对其内核配置make menuconfig时，将XEN_BACKEND设为n，即将与Xen有关的backend驱动全部关闭。此外，在启动过程中经常遇到启动Domain-U时部分模块启动异常而出现
致命错误，导致内核错误（kernel panic）的问题。以加密算法模块（Cryptographic Accelerator and Assurance Module，CAAM）为例，由于其需要直接与硬件通讯，而根据Xen 虚拟化方案，只有Xen Hypervisor工作在ring0时可以直接访问硬件，其他域的特权级均低于它。非特权域中的操作系统不能直接与硬件通讯，因此，在启动过程中CAAM模块会因不到硬件地址而出现野指针，从而导致内核出现错误，无法正常启动。
根据以上原因，需要把Domain-U中与硬件资源直接相关的配置删除，重新编译内核作为Domain-U的Image，以上便完成了Domain-U的内核配置。随后使用与编译Domain-0内核相同的方法完成Domain-U内核的编译。
4.2创建并启动Linux双系统
Xen Hypervisor将策略的制定和实施分离，将管理和配置工作交给Domain-0进行，而并非给Hypervisor实施。亦即若将虚拟机的管理工作分为2类，即确定如何管理和实施，则Domain-0负责第1类工作，Xen Hypervisor负责第2类。之后，Domain-U创建的过程即在Domain-0中对其配置进行设置，继而通过xl create、xl console等命令行指令进行创建。同理，用户在Domain-0中可以设置虚拟机的管理参数，而Xen Hypervisor按照在Domain-0中设置的参数设置并启动客户虚拟机。
根据以上分析，对于从Domain-0到Domain-U的启动，需要经过如图6所示的操作过程。
图6Domain-U的启动过程
其中重点在于需要编写/etc/xen/domu-im8qm-mek. cfg配置文件，对Domain-U进行配置。domu-im8qm-mek.cfg文件的主要内容包括：
kernel="/run/media/mmcblk1p1/Image_domU"#内核文件位置
device_tree="/run/media/mmcblk1p1/fsl-imx8qm-mek-domu.dtb"#设备树位置
disk=[′format=raw,access=rw,vdev=xvda,target=/ dev/mmcblk1p3′]#启动盘挂载点
cmdline="console=hvc0root=/dev/xvda" name="DomU"#系统名称
on_reboot="soft-reset"
memory="3584"#内存大小
vcpus=4#虚拟CPU数量
cpus=[′2′,′3′,′4′,′5′]#与物理CPU的硬件相关
该.cfg文件中对Domain-U的内存进行了设置，同时在U-Boot中也对内存资源进行了预分配。其中.cfg文件中指定最大内存容量，U-Boot中通过宏分配实际的内存地址空间大小。若U-Boot中分配的内存大于.cfg文件中配置的最大内存，则在创建过程中Domain-U正在使用的内存会超出最大允许范围，出现野指针导致系统跑飞，进而被Xen Hypervisor强制关闭。根据以上情况，对2处内存设置进行协调，完成Domain-U的创建。
本文使用xl create/etc/xen/domu-im8qm-mek.cfg的方法将配置要求传递给Xen Hypervisor，随后Xen Hypervisor进行资源分配，并创建Domain-U。xl create 方法流程图如图7所示。
将修改好的Domain-U内核镜像Image、Domain-U 设备树文件复制到SD卡中的第1个分区。随后在SD 卡中的第3个分区中装入Domain-U的根文件系统，将写好的Domain-U系统配置文件放在/etc/xen目录下。Domain-0系统启动后，进入到/etc/xen，然后执行
Domain-0
ldb1 ldb1_phy i2c1_lvds0
ldb2
ldb2_phy
i2c1_lvds1
Domain-U
ldb2
ldb2_phy
i2c1_lvds1
xen,passthrough
硬件资源（物理CPU、物理内存等）
上电
启动Domain-0
解析.cfg文件
使用xl指令创建虚拟机对象
传递参数给Xen Hypervisor
分配内存及硬件资源
启动Domain-U内核
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汽车技术
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xl create domu-imx8qm-mek.cfg ，成功创建Domain-U 系统。随后执行xl console DomU 接入Domain-U 的控制，
完成双系统启动。
图7xl create *.cfg 创建客户虚拟机流程
为了方便区分2个系统，在用户名中把Domain-U 的root 用户名设置为guest 。登录Domain-U 后，可以回到特权域Domain-0，通过xl list 命令可以看到正在运行的2个虚拟机系统及其相关信息。
5双屏显示驱动设计
双屏显示驱动程序的开发过程中需要根据Xen Hypervisor 的驱动结构对一般的显示驱动进行前、后端分离。Xen 的虚拟设备架构采用前、后端分离的设备驱动结构。虚拟设备驱动包含Domain-U 中前端设备驱动
和Domain-0中后端设备驱动。后端设备驱动可以通过原生设备驱动访问真实的硬件设备，其架构如图8所示。
图8Xen 设备驱动架构
基于Xen 的虚拟驱动架构，本文完成了双屏显示所需的原生驱动程序、资源配置、设备节点分配、前后端驱动的所有设计与开发，最终完成了双屏显示的驱动程序设计，显示效果如图9所示。
（a ）动画演示
（b ）组合仪表演示
图9
双系统双屏显示
6结束语
本文在NXP 公司开发的基于i.MX8处理器的i.MX8QuadMax Mek 开发板上完成了虚拟化Xen 方案下的Linux 双系统设计，在i.MX8系列处理器上实现了Xen 虚拟化方案，验证了虚拟化方案在车载智能座舱系统上的可行性，是嵌入式虚拟化技术在车载智能座舱系统上使用的新尝试。在本文研究成果的基础上，未来可以进行进一步探索，如：开发系统间通讯机制，在2个系统之间提高数据传递速度；将Linux 系统升级为Android 系统，并在Android 系统中开发更加丰富的中控系统应用，最终真正应用于实际的车载智能座舱系统。
参
考文
献
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（责任编辑
斛
畔）
修改稿收到日期为2020年8月4日。
xl create *.cfg main_create
(int argc,char **argv)int create_domain
(struct domain_create domain_info)
解析参数
domain_info.debug;domain_info.daemonize;itor;domain_info.paused;domain_info.dryrun;domain_info.quiet;domain_info.vnc;
domain_info.vncautopass;
sole_autoconnect;
libxl_domain_create_new (*ctx,*d_config,*domid,*ao_how,
aop_console_how)do_domain_create
(*ctx,*d_config,*domid,restore_fd,send_back_fd,*params,*ao_how,
aop_console_how)initiate_dormain_create(*egc,*dcs)在xenstore 中写入Domain-U 的基本信息，分配之间通道、共享页面xenstore 创建新的domain 管理对象
完成Domain-U 启动
Domain-0Guest App
Guest OS 原生设备驱动
后端设备
驱动Backend Domain-U Guest App Guest OS
前端设备驱动Frontend
Xen Hypervisor
vcpu
虚拟mmu
事件通道
硬件接口
硬件资源（物理CPU 、物理内存等
）
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