高性能Hellfire管理程序運行MIPS軍工級MCU - 全文

在我去年發(fā)表的一篇文章中，我闡述了新款MIPS M級軍工CPU的設計何以滿足下一代連接處理器的安全需求。

MIPS單片機處理器的一大獨特功能是能支持全硬件虛擬化和多個可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)。例如，最新的M5150 MCU可以在完全孤立的容器內運行多至7個操作系統(tǒng)或應用程序，并確保零故障和實時操作。

今天，我將推薦一款獨具特色的作品，其來自里約熱內盧天主教大學的研發(fā)團隊（PUCRS）。該大學是巴西最頂尖的大學之一，其嵌入式系統(tǒng)科學家團隊實力強大。他們一直致力于研究MIPS CPU管理程序，即 Hellfire（地獄之火）。

Hellfire項目是某大型項目的一部分。該大型項目涉及從C應用程序開發(fā)到FPGA原型等不同的抽象層。PUCRS研究團隊已經創(chuàng)建了完整的參考設計流程，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總覽

通過使用內部操作系統(tǒng)HFOS(Hellfire操作系統(tǒng))，即基于模塊微內核架構的高度可配置實時操作系統(tǒng)，開發(fā)人員便可以在各個不同的MIPS CPU上運行C代碼。

這使得設計師可以添加高達128個處理器至系統(tǒng)中，并將其單獨配置及平行部署在嵌入式應用程序中，使之得以交換數據甚至遷移任務。

PUCRS的嵌入式系統(tǒng)小組最近發(fā)表了一份白皮書。在白皮書中，他們對MIPS M5150 MCU上運行的創(chuàng)新管理程序進行了闡述。通過使用指令精準模型和開發(fā)板，研發(fā)人員能夠創(chuàng)建一個充分利用MIPS虛擬化模塊(MIPS VZ)的管理程序。同時，白皮書還展示了深度性能的測量方式。

Hellfire管理程序支持MIPS CPU的全虛擬化及混合準虛擬化，其提供的服務通常只有高性能CPU中才可能出現(如虛擬機之間的通信及實時支持)。

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可共享內存資源的MIPS CPU上的微處理器架構。Hellfire管理程序負責每個虛擬機的創(chuàng)建和管理，并創(chuàng)建一個用于連接虛擬機（VM）及其虛擬CPU的邏輯框架。

第二個圖介紹了管理程序的軟件架構，其描述了如何處理各種不同的通信服務、中斷或超級調用

管理程序的一大關鍵元素是衡量其在實際應用中的性能。研發(fā)人員選擇了一系列算法來測試在MIPS M5150 MCU上運行多個客戶操作系統(tǒng)的影響。這里有兩個簡單的例子:

測量虛擬MCU的實際性能

1.情境切換開銷

自適應DPCM：本機性能VS虛擬性能

第一套測試套件旨在確定在比較本機執(zhí)行和虛擬執(zhí)行時，客戶操作系統(tǒng)在指令數量上的開銷?？蛻舨僮飨到y(tǒng)可以運行一個通常用于語音編碼的自適應DPCM(微分脈沖編碼調制)算法。

在整個測試過程中，管理程序開銷從未超過1.8%，即使執(zhí)行2400萬條指令時亦是如此。這意味著相比直接在物理CPU上運行，在虛擬機中運行相同代碼占用的處理器計算資源小于2%。

在相同CPU上運行多個客戶操作系統(tǒng)

下一個測試包旨在顯示在單獨的虛擬機上運行多個客戶操作系統(tǒng)的開銷。將高效CPU架構與設計優(yōu)良的軟件有效結合可以產生極佳的效果。例如，即使添加8個客戶操作系統(tǒng)，性能之間的差異也非常小——相比本機性能，虛擬機開銷僅為1.74%。

2.通信開銷

最后一個測試套件旨在顯示信息從一個虛擬機傳入另一個虛擬機所需的指令數量。實驗中使用的實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調用的20、40、60、80和80字節(jié)。

研發(fā)人員發(fā)現，從一個虛擬機傳輸100字節(jié)長的消息至另一個虛擬機僅消耗了1680個指令，這一發(fā)現著實令人興奮。由于MIPS M5150 MCU實現了加載/存儲架構與單循環(huán)ALU操作，時鐘頻率為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時間。

結語

研發(fā)團隊得出結論，將Hellfire管理程序移至單片機處理器中將享有MIPS架構最新版的獨特性能。

上述良好的性能結果展示了，當尋求在實時嵌入式平臺中傳遞優(yōu)越性能和確保安全性時，MIPS M5150 MCU是非常重要的選擇。

在未來，該團隊希望添加對全方位Linux內核的支持，并在MIPS M5150開發(fā)板上執(zhí)行更多的性能基準。您可以參考項目
頁面及從我們的網站下載相關演示項目的資訊。