Toradex Verdin iMX8M Plus 上使用 Bao Hypervisor

• 工业自动化：伴随 Linux HMI 运行确定性控制回路

• 机器人技术：结合 ROS 2 或更高层协议栈的实时控制

• 医疗系统：安全关键型监测与用户界面的分离

• 汽车领域：控制域与车载信息娱乐域之间的隔离

• 其他混合关键性领域：航空电子、国防、铁路和能源系统

Bao 是一款轻量级、开源的静态分区 hypervisor，旨在实现强隔离和可预测的执行。它支持 Arm（AArch64/AArch32）、RISC-V 及其他嵌入式架构，并采用 Apache 2.0 许可证发布。

• 其核心分区模型中不包含运行时调度器

• 不进行运行时内存分配 

• 不包含完整的设备仿真层

取而代之的是，Bao 依赖于 Stage-2 MMU/MPU 等硬件机制来实现隔离。设备在配置时被专属分配给单个虚拟机，中断直接路由至其对应的虚拟机，从而避免了大部分虚拟化开销。

某些用例需要对以太网或存储设备等硬件资源进行受控共享。针对此类场景，Bao 支持基于 VirtIO 的通信：由一个虚拟机独占物理设备，并通过共享内存的前端/后端接口向其他虚拟机提供共享访问权限。

针对更动态配置的可选调度支持目前正在开发中，预计将于 2026 年第三季度左右推出。

Bao 支持广泛的平台，尤其侧重于工业和汽车应用中常用的 NXP i.MX SoC。本演示以 Verdin iMX8M Plus 为目标平台，在 Toradex Verdin iMX8M Plus 模块上运行 Bao，并托管：

• Torizon OS（Toradex 的基于容器的嵌入式 Linux 平台）

• FreeRTOS（实时操作系统）

该配置演示了静态分区虚拟机管理程序如何在同一SoC上同时运行这两个系统，并实现强隔离和可预测的执行。

• Toradex Verdin iMX8M Plus 系统级模块：Verdin iMX8MP Q 2GB WB IT V1.1A

• Verdin 开发板：Dahlia V1.1D

• Bao Hypervisor：v2.0.0 (0af4a1a)

• bao-demos 分支：master (f4d55d8)

• Torizon 操作系统：7.1.0

• FreeRTOS：demo (a4787e2)

• U-Boot：v2024.10

• 需要在单个 SoC 上整合实时和 Linux 工作负载

• 需要确定性执行，且不受通用操作系统干扰

• 已使用 Torizon OS 并希望集成 RTOS 工作负载

• 正在为新设计评估基于分区的架构

试用指南：如果您已使用 Torizon OS，并希望在 i.MX8M Plus 硬件上评估混合关键度工作负载的整合，本演示将为您提供一个实用的起点。 该设置需要一块 Verdin iMX8M Plus 模块、一块 Verdin 开发板以及一台标准的 Ubuntu 构建主机。完整的构建和部署流程可在 Bao 演示代码库中找到。

• 虚拟机 1（Torizon OS）：Linux、容器、网络

• 虚拟机 2（FreeRTOS）：具有专用资源的实时任务

通过共享内存区域和中断机制，实现两者之间的受控通信。

以下配置定义了由 Bao 强制执行的静态分配：

这种资源划分可确保：

• 为 FreeRTOS 提供专用的 CPU 时间

• 虚拟机之间不存在设备争用

• 明确界定的通信边界

系统启动过程如下：

1. 开发板通电

2. 固件初始化硬件

3. U-Boot 启动

4. U-Boot：

1. 从SD卡将bao.bin加载到RAM中

2. 跳转至 Bao 的入口点

5. Bao：

1. 为每个虚拟机生成第二阶段页表

2. 为每个虚拟机分配内存区域、设备和中断

3. 共享内存区域和进程间通信（IPC）通道

4. 将控制权移交给虚拟机

5. 初始化 CPU、内存管理子系统和控制台

6. 并行进行虚拟机初始化：

此时：

• FreeRTOS在CPU 3上启动并开始执行任务

• Torizon OS 在 CPU 0–2 上启动，并初始化 Linux、Docker 和 SSH

• 两个系统并行运行，且不存在调度交互

虚拟机之间的通信通过以下方式实现：

• 一个 64 KB 的共享内存区域

• 门铃中断机制

/dev/baoipc0

echo "Hello from TorizonOS" > /dev/baoipc0

FreeRTOS 接收并输出：

Task1: 53
Task2: 53
message from linux: Hello from TorizonOS
Task1: 54
Task2: 54

FreeRTOS 还会写回数据：

cat /dev/baoipc0
freertos has received 16 uart interrupts!

这展示了在没有共享调度或意外交互的情况下，如何实现受控通信。

该演示程序可在 Bao 演示代码库中获取：

• https://github.com/bao-project/bao-demos

• 平台：imx8mp-verdin

• 演示项目：torizonos+freertos

export CROSS_COMPILE=/path/to/aarch64-none-elfgit
clone https://github.com/bao-project/bao-demos
cd bao-demos
export PLATFORM=imx8mp-verdin
export DEMO=torizonos+freertos
make -j$(nproc)

输出：

wrkdir/imgs/imx8mp-verdin/torizonos+freertos/bao.bin
wrkdir/imgs/imx8mp-verdin/torizonos+freertos/torizonos.tar

Torizon OS 的构建使用 Yocto，首次运行可能需要较长时间。

• Toradex Verdin iMX8M Plus 模块 + 开发板

• microSD 卡

• USB-C 调试线（用于 UART 和固件刷写）

• 支持 DHCP 的以太网

• 主机：Ubuntu 22.04 及以上版本，约 60 GB 磁盘空间

运行演示时，请重点关注：

• 启动隔离：两台虚拟机独立启动

• 确定性执行：FreeRTOS在专用CPU上运行

• 资源隔离：无意外的内存或设备访问

• 受控进程间通信（IPC）：仅通过定义的通道进行通信

为评估虚拟化开销，分别对原生 FreeRTOS 执行环境和在 Bao 上运行的 FreeRTOS 进行了中断延迟测量。

结果表明，Bao 在保持确定性执行特性的同时，引入的额外延迟极小。

还可以采用直接中断注入和缓存分区（缓存着色）等额外优化技术，以进一步降低混合关键性部署中的干扰效应。OSYX 支持根据应用需求对这些技术进行评估和集成。

有关静态分区和混合关键度系统的更深入分析，请参阅： 深入解析基于 Arm 的混合关键度系统中的静态分区 Hypervisor

进一步探索：

• 修改分区配置（CPU、内存、设备）

• 集成特定于应用程序的工作负载

• 在实际条件下评估延迟和抖动

若需最简入门方案：

• https://github.com/bao-project/bao-helloworld

Bao 支持的其他配置包括：

• 多个 Linux 虚拟机（包括 Android 虚拟机）

• Zephyr 虚拟机

• 裸机分区

• 虚拟机之间的 VirtIO 设备共享

• 通过缓存着色实现缓存分区

本演示展示了如何通过 Bao 实现静态分区，从而在现代嵌入式平台上对混合工作负载进行可预测且隔离的执行。

通过结合：

• 用于实现高级功能的 Torizon OS

• FreeRTOS 用于实时控制

• Bao 实现严格分区

开发人员可以在保持明确隔离边界和确定性行为的同时，实现系统整合。

• Bao 项目

• Bao 虚拟机监控程序

• Bao 演示

• Bao Hello World

• OSYX