最初的 MIPS CPU 架構(gòu)是在 80 年代中期推出的，在其整個(gè)歷史中，MIPS CPU 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已進(jìn)入許多面向網(wǎng)絡(luò)的片上系統(tǒng) （SoC） 和應(yīng)用程序。從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到移動(dòng)設(shè)備，MIPS 已被用于各種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)關(guān)、基站和用戶設(shè)備應(yīng)用。隨著移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施從 3G 過渡到 LTE 和 5G，MIPS 繼續(xù)發(fā)揮作用。我與 MIPS 市場(chǎng)營銷總監(jiān) Saraj Mudigonda 就最近發(fā)布的 MIPS LTE/5G 調(diào)制解調(diào)器 CPU 進(jìn)行了交談。

LTE 趨勢(shì)

LTE 帶來了一個(gè)全 IP 演進(jìn)分組核心 （EPC），以及移動(dòng)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)之間不斷增加的端到端 IP 分組數(shù)據(jù)環(huán)境。這些面向全 IP 網(wǎng)絡(luò)的新進(jìn)展正在推動(dòng)用戶帶寬使用的大幅增加。5G 標(biāo)準(zhǔn)正在開發(fā)中，目標(biāo)是提高支持物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 用例和應(yīng)用的能力。這反過來又推動(dòng)了需要解決方案的需求：

需要用于 LTE+ 和 5G 的多種無線電接入技術(shù) （RAT） 以實(shí)現(xiàn)跨代兼容性和快速上下文切換。

可以聚合多達(dá)五個(gè)用于 LTE 尤其是 5G 的分量載波，以增加支持 LTE/5G 應(yīng)用所需的下行鏈路帶寬。

LTE 語音 （VoLTE） 消除了電路交換移動(dòng)語音路徑，并使用 SIP/SDP 進(jìn)行信令和 RTP IP 用于通信內(nèi)容。但是從自適應(yīng)多速率 （AMR） 升級(jí)到更新、更復(fù)雜的增強(qiáng)型語音服務(wù) （EVS） 編解碼器需要更高的時(shí)鐘速度和內(nèi)存。

LTE Unlicensed Spectrum （LTE-U） 通過聚合未經(jīng)許可和許可的運(yùn)營商來增加容量。這使得 RAT 問題以及與 Wi-Fi 等技術(shù)的共存變得重要。

準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 5G 的目標(biāo)是 2018 年冬季奧運(yùn)會(huì)，這給移動(dòng)運(yùn)營商和生態(tài)系統(tǒng)帶來了難以置信的上市時(shí)間壓力。

MIPS 和 LTE/5G

MIPS IP 組合和支持生態(tài)系統(tǒng)使 MIPS 成為集成 SoC 解決方案的理想選擇。該解決方案需要物理調(diào)制解調(diào)器堆棧、RF 堆棧以及加密引擎。重點(diǎn)是物理層控制和 L2/L3 協(xié)議棧，這需要結(jié)合性能來處理總數(shù)據(jù)帶寬，以及支持載波聚合等特性的快速上下文切換。MIPS 多線程、多核 CPU 促進(jìn)了這一點(diǎn)。物理層本身通常位于 DSP/硬件加速器上，可從生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴處獲得，盡管一些制造商集成了自己的物理層。

結(jié)果是各種基站和UE設(shè)備都使用了MIPS。客戶已經(jīng)部署了從窄帶物聯(lián)網(wǎng)到 LTE 和 LTE Advanced 的產(chǎn)品，其中一些產(chǎn)品致力于 5G。

細(xì)粒度多線程

該應(yīng)用領(lǐng)域中使用的 MIPS 內(nèi)核的關(guān)鍵特性之一是 Saraj 所說的“細(xì)粒度多線程”。傳統(tǒng)的 CPU 多線程涉及一個(gè)線程運(yùn)行，直到它被導(dǎo)致更長(zhǎng)延遲停止的事件中斷。MIPS 實(shí)現(xiàn)了基于硬件的細(xì)粒度多線程功能，其中 CPU 內(nèi)核在每個(gè)周期檢查當(dāng)前線程是否停止。如果停止，硬件調(diào)度程序會(huì)將執(zhí)行更改為準(zhǔn)備好運(yùn)行的另一個(gè)線程。通過在硬件中利用此功能，甚至可以處理單周期停頓，從而提高每周期總指令 （IPC）。

MIPS 細(xì)粒度多線程功能提供了極快的上下文切換：在實(shí)現(xiàn) LTE 產(chǎn)品時(shí)，對(duì)四個(gè)分量載波使用四個(gè)線程使實(shí)現(xiàn)者能夠?qū)⒚總€(gè)分量載波的上下文存儲(chǔ)在一個(gè)線程中，并且硬件負(fù)責(zé)上下文切換，這允許四個(gè)組件同時(shí)同時(shí)操作。還有額外的內(nèi)核或線程可用于運(yùn)行具有更大操作系統(tǒng)（如 Linux）的應(yīng)用程序。

5G要求

3GPP將5G分為三個(gè)部分：

5G 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 （eMBB） – 其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)速率和載波聚合。5G 使用擴(kuò)展的毫米波頻率，但可以為您提供更高的性能和數(shù)據(jù)速率。這就是 MIPS CPU 的細(xì)粒度多線程功能和多核支持很重要的地方。

5G 超可靠和低延遲通信（URLLC）——這些應(yīng)用的特點(diǎn)是要求低延遲，安全性強(qiáng)，可靠性高。應(yīng)用涉及自動(dòng)駕駛汽車、遠(yuǎn)程醫(yī)療程序控制和工廠自動(dòng)化，其中實(shí)時(shí)和低延遲至關(guān)重要。

5G 大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）——這基本上是物聯(lián)網(wǎng)。這些應(yīng)用的特點(diǎn)是成本低、功耗低、復(fù)雜度低。

下圖顯示了具有 MIPS 功能的相同圖片。MIPS 多核、多線程能力、電源、集成和虛擬化/安全特性可以幫助圖中的每個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)要求。

安全

Saraj 還提到了 MIPS 中的 Omnishield 功能。Omnishield 通過分離每個(gè)功能組件使用的內(nèi)存和 I/O 空間來提供安全性。MIPS 通過提供可以在系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建的多個(gè)域來擴(kuò)展這個(gè)概念。MIPS 允許多達(dá) 255 個(gè)域，這使得應(yīng)用程序能夠在單獨(dú)的域中相互隔離，而不是這些應(yīng)用程序駐留在單個(gè)區(qū)域中。

這是通過使用看起來“邏輯上”的東西作為第二個(gè) MMU 來實(shí)現(xiàn)的，這是 MIPS 虛擬化架構(gòu)足跡的一個(gè)特征。

Omnishield 可以在多種情況下發(fā)揮作用：

惡意軟件試圖訪問未經(jīng)授權(quán)的信息。

可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的惡意或意外軟件執(zhí)行。

實(shí)現(xiàn) Omnishield 需要一個(gè)支持 CPU 完全虛擬化的 I 類管理程序。然后管理程序管理資源/特權(quán)以訪問這些域或來賓中的一個(gè)或多個(gè)。訪客可以由小至單個(gè)應(yīng)用程序或大至整個(gè)操作系統(tǒng)或多個(gè)操作系統(tǒng)來定義。

安全啟動(dòng)

5G 和物聯(lián)網(wǎng)的另一個(gè)重要問題是如何以安全、可靠的方式執(zhí)行軟件下載和更新。MIPS 實(shí)現(xiàn)了安全啟動(dòng)和信任鏈功能來解決這個(gè)問題。0 級(jí)引導(dǎo)加載程序，信任根，是一切開始的地方。0 級(jí)引導(dǎo)加載程序驗(yàn)證下一個(gè)引導(dǎo)加載程序，然后加載并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到該引導(dǎo)加載程序。此 0 級(jí)引導(dǎo)加載程序在 OEM 處編程，制造后無法更改。通過這種方式，它不能被更改，因此可以被信任來驗(yàn)證并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給執(zhí)行軟件更新的后續(xù)代理。

1 級(jí)引導(dǎo)加載程序處理映像的身份驗(yàn)證。身份驗(yàn)證通常涉及確認(rèn)有效負(fù)載（代碼、數(shù)據(jù)、機(jī)密等）未被篡改。一旦通過身份驗(yàn)證，還可以執(zhí)行有效載荷的解密（如果需要）。

然后，1 級(jí)引導(dǎo)加載程序讓位于 2 級(jí)引導(dǎo)加載程序，該引導(dǎo)加載程序?qū)芾沓绦蛴诚襁M(jìn)行身份驗(yàn)證，建立信任鏈。一旦啟動(dòng)受信任的虛擬機(jī)管理程序，它就可以執(zhí)行系統(tǒng)的初始配置、設(shè)置內(nèi)存域和驗(yàn)證來賓。

概括

LTE 和 5G 定義了豐富的功能集和各種需要低延遲、高可靠性和安全功能的獨(dú)特組合的應(yīng)用。安全性很重要的低端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的虛擬化以及 DSP 擴(kuò)展的可用性為語音控制揚(yáng)聲器、調(diào)制解調(diào)器、VoLTE 和監(jiān)控?cái)z像頭等開辟了更廣闊的市場(chǎng)。MIPS 架構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的特性和功能為滿足這些新的苛刻要求提供了一種有效的方法，以實(shí)現(xiàn)即將出現(xiàn)的新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

審核編輯：郭婷