高性能Hellfire管理程序運(yùn)行MIPS軍工級(jí)MCU

高性能Hellfire管理程序運(yùn)行MIPS軍工級(jí)MCU在我去年發(fā)表的一篇文章中，我闡述了新款MIPSM級(jí)軍工CPU的設(shè)計(jì)何以滿足下一代連接處理器的安全需求。MIPS單片機(jī)處理器的一大獨(dú)特功能是能支持全硬件虛擬化和多個(gè)可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)。例如，最新的M5150MCU可以在完全孤立的容器內(nèi)運(yùn)行多至7個(gè)操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序，并確保零故障和實(shí)時(shí)操作。今天，我將推薦一款獨(dú)具特色的作品，其來(lái)自里約熱內(nèi)盧天主教大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)（PUCRS）。該大學(xué)是巴西最頂尖的大學(xué)之一，其嵌入式系統(tǒng)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)實(shí)力強(qiáng)大。他們一直致力于研究MIPSCPU管理程序，即Hellfire（地獄之火）。Hellfire項(xiàng)目是某大型項(xiàng)目的一部分。該大型項(xiàng)目涉及從C應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)到FPGA原型等不同的抽象層。PUCRS研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)建了完整的參考設(shè)計(jì)流程，包括一些工具和組成Hellfire框架(HFFW)的模塊。Hellfire管理程序及軟件架構(gòu)總覽通過(guò)使用內(nèi)部操作系統(tǒng)HFOS(Hellfire操作系統(tǒng))，即基于模塊微內(nèi)核架構(gòu)的高度可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員便可以在各個(gè)不同的MIPSCPU上運(yùn)行C代碼。這使得設(shè)計(jì)師可以添加高達(dá)128個(gè)處理器至系統(tǒng)中，并將其單獨(dú)配置及平行部署在嵌入式應(yīng)用程序中，使之得以交換數(shù)據(jù)甚至遷移任務(wù)。PUCRS的嵌入式系統(tǒng)小組最近發(fā)表了一份白皮書(shū)。在白皮書(shū)中，他們對(duì)MIPSM5150MCU上運(yùn)行的創(chuàng)新管理程序進(jìn)行了闡述。通過(guò)使用指令精準(zhǔn)模型和開(kāi)發(fā)板，研發(fā)人員能夠創(chuàng)建一個(gè)充分利用MIPS虛擬化模塊(MIPSVZ)的管理程序。同時(shí)，白皮書(shū)還展示了深度性能的測(cè)量方式。Hellfire管理程序支持MIPSCPU的全虛擬化及混合準(zhǔn)虛擬化，其提供的服務(wù)通常只有高性能CPU中才可能出現(xiàn)(如虛擬機(jī)之間的通信及實(shí)時(shí)支持)。

Hellfire管理程序的外部架構(gòu)下圖是虛擬化模型的總況圖。其底層硬件包括總線及建立在多個(gè)可共享內(nèi)存資源的MIPSCPU上的微處理器架構(gòu)。Hellfire管理程序負(fù)責(zé)每個(gè)虛擬機(jī)的創(chuàng)建和管理，并創(chuàng)建一個(gè)用于連接虛擬機(jī)（VM）及其虛擬CPU的邏輯框架。

Hellfire支持多個(gè)MIPSCPU第二個(gè)圖介紹了管理程序的軟件架構(gòu)，其描述了如何處理各種不同的通信服務(wù)、中斷或超級(jí)調(diào)用

MIPSM5150MCU上運(yùn)行的Hellfire管理程序的軟件架構(gòu)管理程序的一大關(guān)鍵元素是衡量其在實(shí)際應(yīng)用中的性能。研發(fā)人員選擇了一系列算法來(lái)測(cè)試在MIPSM5150MCU上運(yùn)行多個(gè)客戶操作系統(tǒng)的影響。這里有兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子:測(cè)量虛擬MCU的實(shí)際性能1.情境切換開(kāi)銷自適應(yīng)DPCM：本機(jī)性能VS虛擬性能第一套測(cè)試套件旨在確定在比較本機(jī)執(zhí)行和虛擬執(zhí)行時(shí)，客戶操作系統(tǒng)在指令數(shù)量上的開(kāi)銷?？蛻舨僮飨到y(tǒng)可以運(yùn)行一個(gè)通常用于語(yǔ)音編碼的自適應(yīng)DPCM(微分脈沖編碼調(diào)制)算法。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，管理程序開(kāi)銷從未超過(guò)1.8%，即使執(zhí)行2400萬(wàn)條指令時(shí)亦是如此。這意味著相比直接在物理CPU上運(yùn)行，在虛擬機(jī)中運(yùn)行相同代碼占用的處理器計(jì)算資源小于2%。

管理程序運(yùn)行2500萬(wàn)條指令時(shí)的開(kāi)銷低于2%在相同CPU上運(yùn)行多個(gè)客戶操作系統(tǒng)下一個(gè)測(cè)試包旨在顯示在單獨(dú)的虛擬機(jī)上運(yùn)行多個(gè)客戶操作系統(tǒng)的開(kāi)銷。將高效CPU架構(gòu)與設(shè)計(jì)優(yōu)良的軟件有效結(jié)合可以產(chǎn)生極佳的效果。例如，即使添加8個(gè)客戶操作系統(tǒng)，性能之間的差異也非常小——相比本機(jī)性能，虛擬機(jī)開(kāi)銷僅為1.74%。

運(yùn)行8個(gè)客戶操作系統(tǒng)的開(kāi)銷僅為2%2.通信開(kāi)銷最后一個(gè)測(cè)試套件旨在顯示信息從一個(gè)虛擬機(jī)傳入另一個(gè)虛擬機(jī)所需的指令數(shù)量。實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)例是使相同的客戶操作系統(tǒng)交換不同的信息，交換信息大小分別為使用超級(jí)調(diào)用的20、40、60、80和80字節(jié)。研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，從一個(gè)虛擬機(jī)傳輸100字節(jié)長(zhǎng)的消息至另一個(gè)虛擬機(jī)僅消耗了1680個(gè)指令，這一發(fā)現(xiàn)著實(shí)令人興奮。由于MIPSM5150MCU實(shí)現(xiàn)了加載/存儲(chǔ)架構(gòu)與單循環(huán)ALU操作，時(shí)鐘頻率為100MHz的處理器可以每秒執(zhí)行大約1億條指令。因此，1680條指令表示一秒僅占用了0.00168%的CPU時(shí)間。結(jié)語(yǔ)研發(fā)團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，將Hellfire管理程