理想星环OS：智能车控的安全隔离之道

理想星环OS 2025-09-16 23:03 四川

压缩版：

核心矛盾：将分散在不同物理硬件（ECU）上的功能，集中到同一个高性能计算单元上运行，容易引发资源冲突和互相干扰的风险。一个非关键功能（如热管理）的软件错误，可能会意外修改关键功能（如刹车）的数据，导致灾难性后果。

解决方案的顶层设计：智能车控OS提出了一套轻量级安全隔离框架。其设计哲学为：在同一计算平台上，为不同功能划分清晰的、不可逾越的边界，同时保证跨越边界的通信高效且低延迟，并确保任何一个边界内的“火灾”（故障）不会蔓延，且能被迅速扑灭和重建（恢复）。

该框架最值得关注的三个技术亮点，解答了如何隔离、如何通信以及如何恢复这三个根本问题。

亮点一：硬隔离 —— 动态的、细颗粒度的访问权限力场

传统的隔离好比修墙，但这套方案更像是一个动态变化的力场，其访问权限会随着系统当前执行的任务而瞬时改变。

实现原理：它并非简单粗暴地划分几块大内存，而是利用了硬件的内存保护单元（MPU）。OS首先建立了一个多维度的内存地图，对每一块数据从不同维度进行分类和标记，例如：它属于哪个应用、是代码还是数据、是私有数据还是共享数据、是只读还是可读写。

核心在于：当CPU从一个任务（比如APP1的Task1）切换到另一个任务（比如APP1的Task2）时，OS会立刻更新MPU的配置规则。这意味着，权限是与执行上下文严格绑定的。Task1运行时，它只能访问自己的栈和APP1的相关数据区；当Task2运行时，访问权限立刻切换为Task2的最小集合。这种方式确保了任何任务在任何时刻都只拥有完成其工作所必需的最小权限，从根本上杜绝了越权访问的可能。

亮点二：低开销 —— “绕过调度系统”的高效跨域通信

隔离之后，应用间的通信就成了性能瓶颈。传统的跨进程通信机制通常涉及复杂的消息传递和任务调度，对于汽车控制这种需要高频实时交互的场景来说，开销过大。

实现原理：该OS设计了一种“轻量级同步远程调用”机制。其核心思想是将“内存访问域的切换”与“任务调度”这两个操作解耦。

核心在于：当一个应用需要调用另一个被隔离应用的功能时，系统并不进行完整的任务切换。取而代之的是，它会保持当前的调用栈不中断，仅仅通过MPU快速、临时地将目标代码区域的访问权限开放给当前任务。函数执行完毕后，权限立刻恢复。整个过程几乎等同于一次直接的函数调用，省去了内核进行任务调度和上下文切换的巨大开销。单次通信耗时增量小于900个时钟周期（在特定硬件上约1.5μs到3μs），完全满足高频、实时的要求。

亮点三：快恢复 —— 单元化、可独立重启的故障熔断机制

在复杂的系统中，任何一个功能模块都无法保证永远不出错。关键在于，当错误发生时，系统能否在不掀桌子（重启整个CPU）的前提下，处理失败。

实现原理：该方案将每个应用或功能视为一个可独立复位的隔离单元，并建立了一套高效的故障检测与恢复流程。

核心在于：当某个应用（如APP B）发生非法访问等致命错误时，硬件会触发异常，由OS内核捕获。内核随即通知一个应用管理模块，该模块根据预设策略，启动对APP B的定点清除。这个过程包括：强制终止该应用的所有相关资源（如任务、中断服务），并回收其占用的内存。清理完毕后，再根据用户定义的逻辑重新加载和启动该应用。最关键的是，在整个故障处理过程中，其他的应用（APP A和APP C）因为处在被严格保护的内存空间中，所以完全不受影响，持续正常运行。这套机制将故障的影响范围控制在了最小的独立单元内，实现了高系统稳定性。

以下为理想星环OS原文：

引言：

汽车电子正从“多ECU分散式”走向“中央集中式”。好处是硬件更少、资源更集中，但风险也更直观：很多不同安全等级的功能要在同一块计算平台上并行运行，一旦相互干扰，轻则性能抖动，重则功能失效。

为解决这个问题，智能车控OS提供了一套“安全隔离”方案，目标是在同一域控里让不同功能“各有边界、互不越界”，同时尽量不牺牲性能，并在出错时能快速恢复。那么，智能车控OS究竟如何在不过多增加开销的前提下，让功能既“隔得住”又“协同得上”，并在故障时还能“迅速拉回”？请阅读本篇文章来找到答案。

1. 背景随着汽车电子电气架构向中央集中式演进，多个功能被融合到同一域控制器中运行。与传统独立ECU的天然物理隔离不同，这种融合更容易出现“安全串扰”：一个功能无意间改了另一个功能的数据，可能让后者异常甚至失效。应用安全隔离的目标，就是为这些融合的功能建立清晰的空间与权限边界，确保不同安全等级的功能在同一平台上稳定共存。

打个比方，把操作系统看作一栋管理有序的公寓大厦，每个APP就是一间独立的房间。某个APP崩溃就像某个房间起火，安全隔离框架相当于大厦的消防与物业系统，能迅速把火控制在该房间内、组织修复并恢复入住，而其他住户（其他APP）不受波及。这不仅说明了“隔得住”，也强调了“出了事能快恢复”。

落到实际的域控制器场景，车身、底盘、车控、热管理等不同安全等级的模块要共享同一套CPU与内存。如果没有安全隔离框架，各模块之间缺少严格的访问权限约束，可能误改彼此数据，导致连锁异常；一旦某模块出故障，往往牵连整机，缺乏按模块独立重启的能力，最后只能整颗CPU重启。这正是安全隔离要解决的核心问题。

2. 目标安全隔离框架可以保护高安全等级模块不被低安全等级模块影响。以热管理为例：当其软件非法修改刹车数据时，隔离防火墙生效，会阻止刹车数据被非法篡改，阻止因热管理专业故障造成刹车故障，保证用户安全。同时，热管理故障发生时，可以被操作系统接管，操作系统可单独重启热管理功能，而不需要重启整个CPU，将故障后处理影响控制在最小范围。

在此背景下，智能车控OS提供一套易用高效的安全隔离框架，方便应用开发者使用。本文结合车控域应用的部署场景，重点演示安全隔离框架硬隔离、低开销、快恢复三个特性，它们分别解决“怎么隔”、“怎么快”、“怎么稳”的问题。

2.1 硬隔离不同安全等级的功能集没有内存隔离限制，存在修改其他功能数据、影响其他功能的风险。智能车控OS提出多维分层内存映射和细颗粒度隔离机制，结合硬件MPU单元，对应用内任务、中断、数据等资源空间隔离保护。把物理内存按照堆栈段、APP数据段、Const数据段、代码段分大类及大类中细颗粒度小类区域，系统运行中根据上下文动态切换可访问区域。

如图所示：

当APP1的Task1在运行时：可以读写Task1的栈、APP1的私有区和半共享区；只能只读APP2的半共享区和Const数据区域；不能访问Task2/3的栈和APP2的私有区。

切到APP1的Task2时：规则同步更新。Task2只能动自己的栈和APP1相关区域，对其他任务的栈和APP2的私有区仍然禁止访问。

这保证了权限随上下文切换而变，谁在运行，谁就拥有哪些最小必需的访问权，既满足功能需要，又避免越权操作。

2.2 低开销

在硬隔离的基础上，不同功能集之间需要支持跨功能集的隔离通信调用，由隔离前的“直接函数调用”调整为“跨功能集远程调用”，不同功能集之间的调用会增加系统开销，高频调用会增加CPU负载，需要考虑实时性及系统开销。智能车控OS结合车控域功能集部署场景，提出轻量级同步远程调用方案。

轻量级同步远程调用将隔离单元空间切换和任务调度解耦。当需要调用其他隔离单元保护区域功能时，通过直接更新隔离单元的内存保护区域配置，执行对应保护区域内代码。不需要做任务调度，省去了消息传递，整体流程接近于直接函数调用，单次通信耗时增量小于900cycles（e3650平台1.5μs，tc397平台3μs），满足高频调用和实时性要求。

如图所示，同一核内存在两条典型调用路径：一条是应用向内核请求服务的系统调用（syscall，跨特权边界用），一条是应用与应用之间的受保护调用（ppc，用于本节的轻量级同步远程调用）。我们的低开销方案采用后者，通过快速切换访问域完成跨功能集调用，而仅在必须进入内核时才走syscall。

2.3 快恢复

不同安全等级的功能集在一个车控域上运行，某功能故障触发系统运行异常，需要系统重启恢复，影响其他隔离功能正常运行。智能车控OS提出高效故障检测恢复机制，对隔离单元故障检测，检测出故障在可独立恢复的隔离单元内，用户自定义重启逻辑，对隔离单元资源有限终止和加载，恢复隔离单元正常调度。

如图所示，流程展示了从故障检测到局部重启、资源回收与重新加载，再到恢复调度的闭环，强调“只修出错单元、不影响其他单元”。

3. 技术方案

智能车控OS的轻量级软件解耦框架实现了核与核、系统软件间、以及应用层级间和内核态与业务态“三横一纵”的空间隔离机制，支持车控域业务在功能隔离与独立复位的安全能力，实现隔离安全性与资源效率间的平衡，具体原理和效果如下图所示：

具体而言，这套轻量级软件解耦框架具有多维分层内存映射、细颗粒度隔离、功能集间高性能通信机制、高效故障检测恢复机制等特色。

3.1 多维分层内存映射和细颗粒度隔离

空间映射将用户数据按用户需求映射到指定内存区间，即把数据精确地“放到哪”定下来；多维分层是把数据按所属owner、功能用途、所属层次分类，即从多种维度给数据清楚地“定身份”：

数据所属owner的层次：比如归属core、application还是task（isr或hook）。

数据功能用途分类：比如rodata是否标定数据，bss/data是某个application的private私有数据或者semishare半共享数据。

数据所在软件层次分类：用户可以自定义软件层次，数据归属不同层次。

如下图，基于多维分层内存映射，可以对application、task和isr细颗粒度隔离：

3.2 功能集间高性能通信机制调用者和被调用者之间空间隔离后，需要考虑正常跨功能集通信需求，结合车控域同核通信场景，智能车控OS设计了一套同核功能集间高性能通信机制，满足如下需求：

被调用者必须和调用者在一个调度实体上，防止“生产者-消费者”的问题;

必须单栈，防止资源消耗过大的问题;

被调用者必须能够区分出来其所属的应用，调用者必须能够恢复其调用时的上下文并能够返回错误;

能够支持特权态应用到特权态应用、非特权态应用到特权态应用、特权态应用到非特权态应用；

能够利用编译器提供参数传递方式，不需要参数的串行和解串；

用户使用起来无感。

如下图，调用者调用被调用者函数，保持任务调用栈，保存当前调用者所属应用的空间区域，切换到目标应用的空间区域，执行被调用者函数，执行完成后恢复应用保护空间区域。

3.3 高效故障检测恢复机制对于trap类型的故障，应用单独重启机制功能上作为异常处理的扩展，在异常后系统挂死的基础上增加场景判断，在满足特定条件的情况下进行应用单独重启的故障处理方式。

对于非trap类型的故障，应用单独重启作为protection hook的扩展，在protection hook中增加场景判断，在满足特定条件的情况下进行应用单独重启的故障处理方式。

如图所示，应用级重启的大致流程为：

崩溃发生：APP B 内部执行非法操作（如访问受限内存），CPU硬件检测到异常。

捕获异常：内核异常处理器接管，分析该异常是否致命无法恢复。

检测重启策略：内核通过信号机制通知应用管理器。

管理器决策：应用管理模块收到来自内核的通知，触发APP B重启逻辑。

资源清理：内核的线程/内存管理强制终止APP B ，并处理APP B占用的所有资源。

触发重启：通知应用管理模块资源清理完毕，可执行APP B定制重启流程。

应用重启：系统调用接口恢复APP B资源和调度。

整个过程中，APP A 和 APP C 的内存空间由于被内核严格保护，没有受到任何影响，继续正常运行。

4. 案例实操基于TC397或E3650开发板，配合上位机的VCOS Studio或Shell，运行Isolate_Demo并在不同场景下查看日志结果。下图即案例实操的整体示意：上位机触发用例，下发到开发板；板端按核运行多个用户应用与一个内核应用，用于演示硬隔离、低开销通信和快恢复三种能力在真实部署下的协同效果。

若您需要了解详细实操步骤，请访问理想星环OS社区（点击文末“阅读原文”即可跳转）：https://gitee.com/haloos/docs/blob/master/tech_cases/vehicle_control_application_space_isolation_practice.md

5. 总结本文针对中央集中式车控的串扰与实时性挑战，介绍了智能车控OS的轻量级安全隔离：用多维分层内存映射+MPU实现细颗粒硬隔离，通过受保护过程调用实现低开销跨应用通信，并以应用级独立重启实现快速恢复，从而在安全与效率间取得平衡。随着星环OS持续开源，后续还会有更多相关的技术文章与实践案例推送给大家，敬请关注。

理想星环OS官网：https://www.lixiang.com/tech/haloos

理想星环OS社区：https://gitee.com/haloos

加微信，进群深度交流理想长期基本面。不是技术群，不是车友群。

Fish AI Reader

FishAI

联系邮箱 441953276@qq.com

相关标签