基于RISC-V的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)

RISC-V等精簡指令集架構(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開發(fā)板圍繞針對基于RISC-V設(shè)計的Intel? MAX 10 FPGA構(gòu)建，提供了一套綜合硬件設(shè)計平臺，是控制面或數(shù)據(jù)路徑應(yīng)用中用于經(jīng)濟高效設(shè)計的一款出色的開發(fā)解決方案，通過高水準(zhǔn)的可編程邏輯來實現(xiàn)其設(shè)計靈活性。

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)字或簡單的串行通信) 組合并橋接到更高級別的串行通信通道 (如簡單的UART) 、更復(fù)雜的通道 (如I2C或SSI，乃至CAN、USB或以太網(wǎng)) 。這種橋接通常會進(jìn)行一些本地計算，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)超出范圍時便發(fā)送通知。

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

這種橋接類型的一款理想目標(biāo)開發(fā)板是Terasic Technologies T-Core FPGA MAX 10開發(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)核來執(zhí)行處理任務(wù)，并且還帶有一個板外QSPI閃存設(shè)備，用于源代碼和數(shù)據(jù)存儲。該FPGA具有雙ADC，最多有10個針腳用于傳感器讀數(shù)。該開發(fā)板有12個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開發(fā)板上實現(xiàn)橋接應(yīng)用的RISC-V

在開發(fā)板上實現(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現(xiàn)更高的效率、更低的成本、廣泛的協(xié)議靈活性和強大的安全性。

效率

RISC-V ISA的基本優(yōu)點之一就是其處理效率。簡單的CPU操作無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)，頻繁使用的位置會自動可用，并且訪問時間更短，從而帶來了快速專門寄存器訪問的優(yōu)勢，無需進(jìn)行復(fù)雜、低效的編程。網(wǎng)關(guān)通過較低的功耗和較小的代碼空間而受益于這種優(yōu)勢。而且，網(wǎng)關(guān)是高度數(shù)據(jù)傳輸密集型的，因為數(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)存搬運成為關(guān)鍵優(yōu)勢。更高效的處理還有助于實現(xiàn)面向AI的網(wǎng)關(guān)功能，以識別異常事件，并在潛在問題變成真正問題之前對其進(jìn)行預(yù)測。

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。通過訪問外圍驅(qū)動程序和堆棧的源代碼以及相關(guān)協(xié)議，可以輕松地在開發(fā)過程中甚至部署后根據(jù)需要對其進(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，這樣就可以延長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實施中的關(guān)鍵因素。

安全性

實現(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、加密計算、安全密鑰和證書存儲) 的已知安全起點。信任根通常通過用于保護安全數(shù)據(jù)和外圍功能、實現(xiàn)篡改保護、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)需要云存儲時，網(wǎng)關(guān)可以使用受信任的加密標(biāo)準(zhǔn)來保護往返于云的數(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)議的開源實現(xiàn)，開發(fā)人員可以訪問所有與安全性相關(guān)的代碼，從而使測試和驗證設(shè)計的穩(wěn)健性更加容易。此外，開源環(huán)境的另一個好處是，能夠根據(jù)特定的應(yīng)用需求自定義和升級代碼，而無需等待第三方開發(fā)和發(fā)布定期更新。

結(jié)語

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開發(fā)板可為開發(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)計經(jīng)濟高效的單芯片解決方案。隨套件提供的開箱即用型RISC-V支持有助于滿足當(dāng)前和未來物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋所需的效率、靈活性和安全性。

審核編輯：郭婷