Enablement of Multi-Core-Based Automotive Embedded Systems through I/O- and Network Virtualization
Christian Herber · mediaTUM – the media and publications repository of the Technical University Munich (Technical University Munich) · 2016
More than 70% of innovation in modern cars can be attributed to developments in electronics and associated software components.A steady growth in computing power and communication resources is necessary to sustain the introduction of new functions.However, scalability limits have been reached in automotive electronics due to installation space and weight constraints, so that the number of electronic control units (ECUs) cannot be increased any further.To enable continuing innovation, ECUs must be consolidated on shared hardware platforms.In this context, multi-core processors are a key technology, because they allow concurrent execution of previously distributed functions on one silicon chip.While this tight integration can solve today's scalability issues, it introduces new technological challenges.The consolidation of electronic functions on multi-core ECUs and the introduction of new functions lead to increased communication demands.In future, consolidated ECUs could be interconnected by a backbone network.Such a network must support high bandwidth and real-time communication at the same time.This requirement can be satisfied by real-time capable Ethernet versions, e.g.Audio Video Bridging (AVB) Ethernet.Electronic functions which are consolidated may differ in their requirements for safety, security, real-time capability etc.In such mixed-criticality scenarios, isolation among functions is of key importance for all shared components.Virtualization is a technology that is successfully used in server environments to provide isolated workload consolidation.To be applicable to multi-core ECUs, domain specific challenges like real-time capability have to be solved.This thesis focuses on the enablement of communication in virtualized multi-core ECUs considering automotive specific requirements.To enable the use of legacy networking technologies in such scenarios, a hardware-assisted virtualization architecture and implementation for Controller Area Network (CAN) controllers is presented.Additionally, a network virtualization approach is introduced, which enables mixed-criticality communication on a CAN bus.To address the increased communication demand of multi-core ECUs, the integration of AVB Ethernet into legacy dominated automotive embedded systems is discussed.Specifically, gateway strategies between CAN and AVB Ethernet as well as AVB communication controllers are researched.iii Zusammenfassung Über 70% der Innovation in modernen Automobilen wird durch Fortschritt in Elektronik und zugehöriger Software erreicht.Eine stetige Verbesserung von Rechenleistung und Kommunikationsressourcen ist nötig, um zukünftig einen Zuwachs an elektronischen Funktionen zu ermöglichen.Aktuelle Bordnetzarchitekturen können aufgrund von Bauraum-und Gewichtslimitierungen nicht weiter skaliert werden.Insbesondere ist es nicht möglich, die Anzahl der verbauten Steuergeräte zu erhöhen.Um weiter innovationsfähig zu sein, müssen Steuergeräte auf gemeinsamen Hardwareplattformen konsolidiert werden.Multicore Prozessoren stellen eine Schlüsseltechnologie dar, da sie die nebenläufige Ausführung zuvor verteilter Funktionen auf einem einzigen Chip erlauben.Diese Integration erhört die Skalierbarkeit fahrzeuginterner Elektronik, führt jedoch auch zu technologischen Herausforderungen.Durch Konsolidierung auf Multicore Prozessoren und einen Zuwachs an elektronischen Funktionen steigen die Kommunikationsanforderungen einzelner Steuergeräte.In Zukunft könnten konsolidierte Steuergeräte durch ein Backbonenetzwerk verbunden sein.Solche Netzwerke müssen einen hohen Durchsatz mit Realzeitfähigkeit verbinden.Diese Anforderung wird durch realzeitfähige Ethernet Varianten erfüllt wie z.B.Audio Video Bridging (AVB) Ethernet.Konsolidierte elektronische Funktionen können sich in ihren Eigenschaften in Bezug auf Sicherheit, Realzeitfähigkeit etc. unterscheiden.Gemeinsam genutzte Ressourcen müssen eine Isolation von Funktionen unterschiedlicher Kritikalität sicherstellen.Virtualisierung ist eine etablierte Technologie im Serverbereich, welche eine sichere Integration mehrerer Betriebssysteme auf einer gemeinsamen Plattform in so genannten Virtuellen Maschinen ermöglicht.Um in Multicoresteuergeräten eingesetzt werden zu können, müssen domänenspezifische Herausforderungen adressiert werden.Diese Arbeit erforscht Beiträge zur Unterstützung von Kommunikation in virtualisierten Multicoresteuergeräten. Um den Einsatz bestehender Netzwerktechnologien in solchen Szenarien zu ermöglichen wird eine dedizierte Hardwareunterstützung zur Virtualisierung von Controller Area Network (CAN) Controllern eingeführt.Zusätzlich wird ein Ansatz zur Netzwerkvirtualisierung von CAN Bussen präsentiert, wodurch isolierte Kommunikationskanäle auf einem einzigen physikalischen Bus geschaffen werden.Der erhöhte Kommunikationsbedarf von Multicoresteuergeräten wird durch die Integration von AVB Ethernet in bestehende Bordnetze adressiert.Im Speziellen werden Gateways zwischen CAN und AVB Ethernet sowie AVB Kommunikationscontroller erforscht.