本世紀之交，計算機業界人士開展了一場精彩的辯論：假如高通量應用程序的性能大幅提升，多線程和虛擬化將如何成為桌面PC和服務器的下一個重大突破。他們稱，這是歷史的重演。

十年以后，這兩個概念發生了戲劇性的逆轉。這一次的辯論則與之前不同：我們不再談論服務器的性能，而是專注于下一代嵌入式設備和物聯網節點。會話內容也發生了變化：我們以更智能的方式使用多線程來提高功率和面積效率，同時虛擬化又為整個系統的安全奠定了基礎。

但這兩個概念并不新鮮：多線程計算機架構自20世紀50年代以來就已出現，而虛擬化早在20世紀70年代末就已獲得“年度最具發展前景的技術”殊榮。

但是，這兩個概念對于未來連接運算的發展都至關重要，尤其是物聯網未來的發展。最新預測的物聯網市場將涵括數十億連接設備，包括智能傳感器、網關、中間節點或數據中心。

上述的每一類產品都可受益于多線程和虛擬化。本文我將對虛擬化的概念進行闡述，隨后再介紹虛擬化系統的硬件和軟件架構。最后，我將簡要描述MIPS CPU對虛擬化的支持程度。

虛擬化概念簡述

簡單來講，虛擬化可以使物理設備顯示為一個或多個虛擬設備。可以在處理器級別(如CPU或GPU)或系統級別(如SoC)實現虛擬化。

虛擬化將虛擬機上運行的軟件從底層硬件資源中分離出來

通過添加虛擬化支持，平臺可以創建多個虛擬機(VM)，而每個VM可以運行其自身的操作系統、嵌入式程序或兩者結合。

虛擬化平臺的硬件和軟件架構

說到虛擬化，您將遇到一些常用術語，如主機處理器、虛擬機、根和用戶環境、管理程序等。

主機表示實際的物理硬件，其資源可以被虛擬化。對于MIPS而言，主機處理器等同于CPU的物理實例。

虛擬機(VM)是軟件創建的處理器虛擬環境。在這個環境中，主機支持多個虛擬機，每個用戶操作系統將在其環境中運行一個VM。因此，根環境是物理系統的環境，用戶環境則屬于每個虛擬機。

創建并控制虛擬機的軟件稱為管理程序。管理程序是虛擬系統的關鍵組件，表示虛擬機之間的中間軟件層和實際硬件。在根環境中運行時，管理程序可以直接控制硬件，從而創建及維護可信執行環境。管理程序的主要工作是加載及控制在用戶環境中運行的軟件。

尤其重要的是，在用戶環境中運行的軟件不能檢測到中間軟件層的存在：從用戶環境的角度來看，虛擬機內的軟件似乎可以直接在硬件平臺上運行。

虛擬化的基本原則

正如多線程一樣，虛擬化的概念并不新鮮。1974年時，兩大著名的計算機科學家Gerald J. Popek (加州大學洛杉磯分校) 和Robert P. Goldberg (哈佛大學)寫了一篇名為“虛擬化第三代架構的形式規定”的文章，該文章便涵括了虛擬化的三大支柱要點：

?等價性：虛擬機上運行的程序應該與實際硬件上運行的程序相同

?資源控制：管理程序必須完全控制所有虛擬化的資源

?敏感行為指令：大多數虛擬化軟件執行的指令不需要管理程序的干預

管理程序

有兩種類型的管理程序：第一類(或本地)管理程序可以直接在硬件上運行，同時用戶軟件可以在虛擬機上運行。
SELTECH FEXEROX和PUCRS Hellfire便是MIPS架構本地管理程序的例子。

第二類（托管）管理程序在傳統的操作系統環境中運行。第二類管理程序也被稱為陷阱和模擬管理程序，因為用戶操作系統的所有行為都是受限的，且對硬件的訪問是模擬的。MIPS CPU第二類管理程序最常見的例子就是Linux內核中運行的KVM管理程序。

在MIPS CPU中，第二類管理程序在內核模式中運行，而用戶操作系統則在用戶模式下運行。這樣，一旦用戶操作系統嘗試訪問特殊內存區域或執行特殊指令，內核模式中運行的管理程序將會進行異常處理操作。

MIPS虛擬化模塊（MIPS VZ）和OmniShield-ready MIPS CPU