RISC-V等精簡(jiǎn)指令集架構(gòu) (ISA) 比復(fù)雜指令集架構(gòu)更高效，并且占用資源更少。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用通常不僅需要模塊之間具有高度連接性和協(xié)作水平，還需要保持較低成本以及降低功耗。Terasic T-Core FPGA MAX 10開(kāi)發(fā)板圍繞針對(duì)基于RISC-V設(shè)計(jì)的Intel? MAX 10 FPGA構(gòu)建，提供了一套綜合硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，是控制面或數(shù)據(jù)路徑應(yīng)用中用于經(jīng)濟(jì)高效設(shè)計(jì)的一款出色的開(kāi)發(fā)解決方案，通過(guò)高水準(zhǔn)的可編程邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)靈活性。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)關(guān)將眾多傳感器讀數(shù) (通常使用模擬、數(shù)字或簡(jiǎn)單的串行通信) 組合并橋接到更高級(jí)別的串行通信通道 (如簡(jiǎn)單的UART) 、更復(fù)雜的通道 (如I2C或SSI，乃至CAN、USB或以太網(wǎng)) 。這種橋接通常會(huì)進(jìn)行一些本地計(jì)算，這樣就不需要將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，而是在傳感器讀數(shù)超出范圍時(shí)便發(fā)送通知。

用于這類物聯(lián)網(wǎng)橋接的開(kāi)發(fā)平臺(tái)需要極大的靈活性——在傳感器端支持各種模擬輸入、通用輸入和簡(jiǎn)單串行通信；在管理端提供更高級(jí)別的通信 (如I2C和SSI) ——同時(shí)還提供用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算和存儲(chǔ)能力。

這種橋接類型的一款理想目標(biāo)開(kāi)發(fā)板是Terasic Technologies T-Core FPGA MAX 10開(kāi)發(fā)板 (圖1) 。MAX 10 FPGA可以部署許多標(biāo)準(zhǔn)串行接口可編程邏輯元件， 還可以托管RISC-V內(nèi)核來(lái)執(zhí)行處理任務(wù)，并且還帶有一個(gè)板外QSPI閃存設(shè)備，用于源代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該FPGA具有雙ADC，最多有10個(gè)針腳用于傳感器讀數(shù)。該開(kāi)發(fā)板有12個(gè)I/O針腳，可用于通用用途或用作I2C或SSI通信通道。

在Terasic T-Core FPGA MAX 10開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)橋接應(yīng)用的RISC-V

在開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)高效的RISC-V處理器，可謂非常契合物聯(lián)網(wǎng)橋的許多關(guān)鍵要求，此舉最關(guān)鍵的方面包括在功率和處理方面實(shí)現(xiàn)更高的效率、更低的成本、廣泛的協(xié)議靈活性和強(qiáng)大的安全性。

效率

RISC-V ISA的基本優(yōu)點(diǎn)之一就是其處理效率。簡(jiǎn)單的CPU操作無(wú)需特殊的處理器寄存器即可直接使用內(nèi)存，從而提高了速度并減少了所需的內(nèi)存占用。利用緩存子系統(tǒng)，頻繁使用的位置會(huì)自動(dòng)可用，并且訪問(wèn)時(shí)間更短，從而帶來(lái)了快速專門寄存器訪問(wèn)的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜、低效的編程。網(wǎng)關(guān)通過(guò)較低的功耗和較小的代碼空間而受益于這種優(yōu)勢(shì)。而且，網(wǎng)關(guān)是高度數(shù)據(jù)傳輸密集型的，因?yàn)閿?shù)據(jù)包通常僅僅是被傳輸、分解或縫合在一起。從一種協(xié)議更改為另一種協(xié)議所需的處理很少，這樣就使高效的內(nèi)存搬運(yùn)成為關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。更高效的處理還有助于實(shí)現(xiàn)面向AI的網(wǎng)關(guān)功能，以識(shí)別異常事件，并在潛在問(wèn)題變成真正問(wèn)題之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。

靈活性和協(xié)議支持

網(wǎng)關(guān)在協(xié)議、操作系統(tǒng)以及物理連接和模塊化結(jié)構(gòu)方面需要靈活。RISC-V開(kāi)源架構(gòu)讓支持各種協(xié)議和適應(yīng)不斷變化的需求變得容易。通過(guò)訪問(wèn)外圍驅(qū)動(dòng)程序和堆棧的源代碼以及相關(guān)協(xié)議，可以輕松地在開(kāi)發(fā)過(guò)程中甚至部署后根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行修改。這使外圍設(shè)備便于模塊化，使得協(xié)議能夠隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的變化輕松互換、更新或增強(qiáng)，這樣就可以延長(zhǎng)IIoT網(wǎng)關(guān)的生命周期，并降低整體系統(tǒng)部署成本，這是IIoT實(shí)施中的關(guān)鍵因素。

安全性

實(shí)現(xiàn)信任根需要基于RISC-V硬件的安全性，而信任根是任何強(qiáng)大的安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)。信任根是眾多安全相關(guān)功能 (例如安全啟動(dòng)、加密計(jì)算、安全密鑰和證書存儲(chǔ)) 的已知安全起點(diǎn)。信任根通常通過(guò)用于保護(hù)安全數(shù)據(jù)和外圍功能、實(shí)現(xiàn)篡改保護(hù)、生成密鑰并為應(yīng)用軟件提供安全更新的專門硬件提供支持。當(dāng)系統(tǒng)需要云存儲(chǔ)時(shí)，網(wǎng)關(guān)可以使用受信任的加密標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保護(hù)往返于云的數(shù)據(jù) 。利用可用于加密、解密、證書管理和安全數(shù)據(jù)通信協(xié)議的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)人員可以訪問(wèn)所有與安全性相關(guān)的代碼，從而使測(cè)試和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性更加容易。此外，開(kāi)源環(huán)境的另一個(gè)好處是，能夠根據(jù)特定的應(yīng)用需求自定義和升級(jí)代碼，而無(wú)需等待第三方開(kāi)發(fā)和發(fā)布定期更新。

結(jié)語(yǔ)

隨著IIoT環(huán)境產(chǎn)生新的應(yīng)用和收入流，網(wǎng)關(guān)將繼續(xù)發(fā)展。隨著它們變得越來(lái)越復(fù)雜，將需要額外的處理能力，這意味著還需要在網(wǎng)關(guān)內(nèi)進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)處理，以盡可能減少發(fā)送到云的數(shù)據(jù)流量。Terasic T-Core FPGA MAX 10開(kāi)發(fā)板可為開(kāi)發(fā)人員提供所需的工具，為這些數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)高效的單芯片解決方案。隨套件提供的開(kāi)箱即用型RISC-V支持有助于滿足當(dāng)前和未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋所需的效率、靈活性和安全性。

審核編輯：郭婷