高性能Hellfire管理程序运行MIPS军工级MCU

在我去年发表的一篇文章中，我阐述了新款MIPS M级军工CPU的设计何以满足下一代连接处理器的安全需求。

MIPS单片机处理器的一大独特功能是能支持全硬件虚拟化和多个可信执行环境(TEE)。例如，最新的M5150 MCU可以在完全孤立的容器内运行多至7个操作系统或应用程序，并确保零故障和实时操作。

今天，我将推荐一款独具特色的作品，其来自里约热内卢天主教大学的研发团队（PUCRS）。该大学是巴西最顶尖的大学之一，其嵌入式系统科学家团队实力强大。他们一直致力于研究MIPS CPU管理程序，即 Hellfire（地狱之火）。

Hellfire项目是某大型项目的一部分。该大型项目涉及从C应用程序开发到FPGA原型等不同的抽象层。PUCRS研究团队已经创建了完整的参考设计流程，包括一些工具和组成Hellfire框架(HFFW)的模块。

Hellfire管理程序及软件架构总览

通过使用内部操作系统HFOS(Hellfire操作系统)，即基于模块微内核架构的高度可配置实时操作系统，开发人员便可以在各个不同的MIPS CPU上运行C代码。

这使得设计师可以添加高达128个处理器至系统中，并将其单独配置及平行部署在嵌入式应用程序中，使之得以交换数据甚至迁移任务。

PUCRS的嵌入式系统小组最近发表了一份白皮书。在白皮书中，他们对MIPS M5150 MCU上运行的创新管理程序进行了阐述。通过使用指令精准模型和开发板，研发人员能够创建一个充分利用MIPS虚拟化模块(MIPS VZ)的管理程序。同时，白皮书还展示了深度性能的测量方式。

Hellfire管理程序支持MIPS CPU的全虚拟化及混合准虚拟化，其提供的服务通常只有高性能CPU中才可能出现(如虚拟机之间的通信及实时支持)。

Hellfire管理程序的外部架构

下图是虚拟化模型的总况图。其底层硬件包括总线及建立在多个可共享内存资源的MIPS CPU上的微处理器架构。Hellfire管理程序负责每个虚拟机的创建和管理，并创建一个用于连接虚拟机（VM）及其虚拟CPU的逻辑框架。

Hellfire支持多个MIPS CPU

第二个图介绍了管理程序的软件架构，其描述了如何处理各种不同的通信服务、中断或超级调用

MIPS M5150 MCU 上运行的Hellfire管理程序的软件架构

管理程序的一大关键元素是衡量其在实际应用中的性能。研发人员选择了一系列算法来测试在MIPS M5150 MCU上运行多个客户操作系统的影响。这里有两个简单的例子:

测量虚拟MCU的实际性能

1.情境切换开销

自适应DPCM：本机性能VS虚拟性能

第一套测试套件旨在确定在比较本机执行和虚拟执行时，客户操作系统在指令数量上的开销。客户操作系统可以运行一个通常用于语音编码的自适应DPCM(微分脉冲编码调制)算法。

在整个测试过程中，管理程序开销从未超过1.8%，即使执行2400万条指令时亦是如此。这意味着相比直接在物理CPU上运行，在虚拟机中运行相同代码占用的处理器计算资源小于2%。

管理程序运行2500万条指令时的开销低于2%

在相同CPU上运行多个客户操作系统

下一个测试包旨在显示在单独的虚拟机上运行多个客户操作系统的开销。将高效CPU架构与设计优良的软件有效结合可以产生极佳的效果。例如，即使添加8个客户操作系统，性能之间的差异也非常小——相比本机性能，虚拟机开销仅为1.74%。

运行8个客户操作系统的开销仅为2%

2.通信开销

最后一个测试套件旨在显示信息从一个虚拟机传入另一个虚拟机所需的指令数量。实验中使用的实例是使相同的客户操作系统交换不同的信息，交换信息大小分别为使用超级调用的20、40、60、80和80字节。

研发人员发现，从一个虚拟机传输100字节长的消息至另一个虚拟机仅消耗了1680个指令，这一发现着实令人兴奋。由于MIPS M5150 MCU实现了加载/存储架构与单循环ALU操作，时钟频率为100MHz的处理器可以每秒执行大约1亿条指令。

因此，1680条指令表示一秒仅占用了0.00168%的CPU时间。

结语

研发团队得出结论，将Hellfire管理程序移至单片机处理器中将享有MIPS架构最新版的独特性能。

上述良好的性能结果展示了，当寻求在实时嵌入式平台中传递优越性能和确保安全性时，MIPS M5150 MCU是非常重要的选择。