MIPS架构和虚拟化.docx

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1、MIPS架构和虚拟化本世纪之交，计算机业界人士开展了一场精彩的辩论：假如高通量应用程序的性能大幅提升，多线程和虚拟化将如何成为桌面PC和服务器的下一个重大突破。他们称，这是历史的重演。十年以后，这两个概念发生了戏剧性的逆转。这一次的辩论则与之前不同：我们不再谈论服务器的性能，而是专注于下一代嵌入式设备和物联网节点。会话内容也发生了变化：我们以更智能的方式使用多线程来提高功率和面积效率，同时虚拟化又为整个系统的安全奠定了基础。但这两个概念并不新鲜：多线程计算机架构自20世纪50年代以来就已出现，而虚拟化早在20世纪70年代末就已获得“年度最具发展前景的技术”殊荣。但是，这两个概念对于未来连接运算

2、的发展都至关重要，尤其是物联网未来的发展。最新预测的物联网市场将涵括数十亿连接设备，包括智能传感器、网关、中间节点或数据中心。上述的每一类产品都可受益于多线程和虚拟化。本文我将对虚拟化的概念进行阐述，随后再介绍虚拟化系统的硬件和软件架构。最后，我将简要描述MIPSCPU对虚拟化的支持程度。虚拟化概念简述简单来讲，虚拟化可以使物理设备显示为一个或多个虚拟设备。可以在处理器级别（如CPU或GPU）或系统级别（如SoC）实现虚拟化。OperatingsystemHypennwxVirtua1izationNovirtua1izationHaf(JwareHardware虚拟化将虚拟机上运行的软件从底

3、层硬件资源中分离出来通过添加虚拟化支持，平台可以创建多个虚拟机(VM),而每个VM可以运行其自身的操作系统、嵌入式程序或两者结合。虚拟化平台的硬件和软件架构说到虚拟化，您将遇到一些常用术语，如主机处理器、虚拟机、根和用户环境、管理程序等。主机表示实际的物理硬件，其资源可以被虚拟化。对于M1PS而言，主机处理器等同于CPU的物理实例。虚拟机(VM)是软件创建的处理器虚拟环境。在这个环境中，主机支持多个虚拟机，每个用户操作系统将在其环境中运行一个VM。因此，根环境是物理系统的环境，用户环境则属于每个虚拟机。创建并控制虚拟机的软件称为管理程序。管理程序是虚拟系统的关键组件，表示虚拟机之间的中间软件层

4、和实际硬件。在根环境中运行时，管理程序可以直接控制硬件，从而创建及维护可信执行环境。管理程序的主要工作是加载及控制在用户环境中运行的软件。尤其重要的是，在用户环境中运行的软件不能检测到中间软件层的存在：从用户环境的角度来看，虚拟机内的软件似乎可以直接在硬件平台上运行。虚拟化的基本原则正如多线程一样，虚拟化的概念并不新鲜。1974年时，两大著名的计算机科学家Gera1dJ.Popek（加州大学洛杉矶分校）和RobertP.Go1dberg（哈佛大学）写了一篇名为“虚拟化第三代架构的形式规定”的文章，该文章便涵括了虚拟化的三大支柱要点：?等价性：虚拟机上运行的程序应该与实际硬件上运行的程序相同?资

5、源控制：管理程序必须完全控制所有虚拟化的资源?敏感行为指令：大多数虚拟化软件执行的指令不需要管理程序的干预管理程序有两种类型的管理程序：第一类（或本地）管理程序可以直接在硬件上运行，同时用户软件可以在虚拟机上运行。SE1TECHFEXEROX和PUCRSHeIIfire便是MIPS架构本地管理程序的例子。Type1hypervisor第二类（托管）管理程序在传统的操作系统环境中运行。第二类管理程序也被称为陷阱和模拟管理程序，因为用户操作系统的所有行为都是受限的，且对硬件的访问是模拟的。MIPSCPU第二类管理程序最常见的例子就是1inUX内核中运行的KVM管理程序。Type2hypervisor在MIPSCPU中，第二类管理程序在内核模式中运行，而用户操作系统则在用户模式下运行。这样，一旦用户操作系统尝试访问特殊内存区域或执行特殊指令，内核模式中运行的管理程序将会进行异常处理操作。MIPS虚拟化模块（MIPSVZ）和OmniShie1d-readyMIPSCPU