РадиоЛоцман - Все об электронике

Новый этап развития технологии Интернета вещей - повышение производительности и функциональности периферийных устройств

Stephen Evanczuk

EDN

Концепция Интернета вещей (IoT, Internet of Things) подразумевает сеть физических объектов, оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. Концепция была сформулирована еще в 1999 году в качестве перспективы широкого применения устройств радиочастотной идентификации, но ее развитие и практическая реализация началась лишь в 2010 году, что связано с распространением технологий беспроводной передачи данных, появлением технологий «облачных» вычислений и межмашинного взаимодействия. Конечной точкой в технологии IoT являются интеллектуальные устройства и приложения, но еще до них существует уровень на котором выполняется множество трудных задач по сбору данных, их анализу и управлению системой - уровень шлюза IoT (межсетевой интерфейс). Разработчику встраиваемых систем при решении этих задач необходимо позаботиться о достаточности аппаратных ресурсов,  производительности и функциональности системы, особенно в случае реализации дополнительных функций безопасности, обработки множества датчиков и пр. Благодаря нескольким основным производителям микроконтроллеров (МК), разработчики достигли значительных успехов в решении указанных проблем уже к концу 2013 года. Доступность  специализированных МК, систем-на-кристалле (СнК) и платформенных решений в начале 2014 года означает начало нового этапа развития концепции IoT.

Платформенные универсальные решения, такие как «One Box», совместно разработанное компаниями Freescale, ARM и Oracle иллюстрируют тенденцию более всеобъемлющего подхода к разработке IoT шлюзов между интеллектуальной конечной точкой и облачным приложением обработки данных (Рисунок 1). Аппаратно-программное решение «One Box» представляет собой типовое решение для IoT шлюза и объединяет микроконтроллер Freescale с программным обеспечением Oracle Java и ARM Sensinode для реализации различных протоколов обмена данными.

В приложениях IoT шлюзы выполняют различные функции обработки сигналов, обмена данными, управления и безопасности между конечной точкой и облачным сервисом.
Рисунок 1. В приложениях IoT шлюзы выполняют различные функции обработки сигналов, обмена данными, управления и безопасности между конечной точкой и облачным сервисом.

В идеальном мире, к МК для устройства уровня шлюза IoT предъявляется несколько требований, он должен иметь несколько 32-разрядных высокопроизводительных процессорных ядер, несколько разделов энергонезависимой памяти и ОЗУ, параллельный DSP конвейер, контроллер ЖК дисплея, поддерживать аппаратные функции безопасности, несколько протоколов беспроводных приемопередатчиков и, самое главное, иметь низкое энергопотребление и сохранять полную работоспособность при низком напряжении питания для целевых систем с батарейным питанием. Конечно, соотношение затрат и результатов на выпуск такого идеализированного МК не будет соответствовать оптимальному соотношению цена-производительность для конечной системы. В действительности, наоборот множество требований для подобных систем подразумевает отказ от повышения уровня интеграции МК. Например, универсальный контроллер IoT, скорее всего, должен поддерживать не только Wi-Fi протокол (и в конечном итоге LTE/LTE-Advanced) на стороне облачного сервиса, но и все стандарты обмена данными в алфавитном порядке начиная от ANT+ и до ZigBee.

Многие производители МК отвечают на необходимость развития сферы IoT периферии, разрабатывая высокоинтегрированные и даже реконфигурируемые 32-разрядные многоядерные  архитектуры, которые объединяют традиционный функционал и возможности встраиваемых систем с процессорами приложений более высокого уровня. Уникальность подобных приборов заключается в том, что сфера их целевого применения выходит за рамки вычислений встроенных систем, даже когда появляются специализированные МК, ориентированные на конкретные приложения, включая системы управление двигателями, интеллектуальные приборы учета, системы безопасности.

Многие производители микросхем и МК завершили 2013 год шквалом сообщений и докладов о подготовке новых МК общего назначения, которые позволят добавить интеллектуальный функционал и коммуникационные возможности в устройства конечных точек и на их уровень управления/агрегации. Посмотрите внимательно и вы увидите, что в большинстве случаев новые МК и микросхемы достигают впечатляющего уровня интеграции, в то время как ориентированы они на удовлетворение потребностей разработчиков встраиваемых систем в увеличении плотности кода, повышении производительности и цифровой обработке сигналов, что может означать растущее желание выполнять обработку сигналов на периферии. Ниже мы рассмотрим лишь несколько основных примеров таких высокопроизводительных МК, предназначенных для шлюзов IoT.

Компания Renesas, с целью поддержки приложений обработки сигналов, разработала новые микроконтроллеры на 32-разрядным процессорном ядре RXv2 с двумя 72-разрядными аккумуляторами и однотактным выполнением MAC инструкций (операции умножения с накоплением) с умножением 32×32. Кроме того, используя некоторые архитектурные особенности и 40 нм технологический процесс, команда разработчиков Renesas смогла повысить производительность на 25% и одновременно снизить энергопотребление на 40% по сравнению с предшествующими приборами с ядром RXv1. Основной прирост производительности обеспечивает 5-уровневый двухпотоковый конвейер и усовершенствованный модуль выборки (Advanced Fetch Unit), который позволяет оптимизировать время ожидания и выполняет роль КЭШа инструкций для Flash-памяти. В результате представленная архитектура обладает производительностью 4.0 Coremark/МГц или 2.0 DMIPS/МГц с максимальной тактовой частотой 300 МГц.

Блок-схема микроконтроллеров Renesas семейства RXv2
Рисунок 2. Микроконтроллеры Renesas семейства RXv2 снабжены двухпотоковым конвейером, усовершенствованным модулем выборки для оптимизации доступа к Flash-памяти и поддерживают DSP инструкции.

В конце 2013 года компания Microchip анонсировала семейство высокопроизводительных 32-разрядных МК PIC32MZ с ядром microAptive, работающих на частоте до 200 МГц. Отличительной особенностью МК PIC32MZ является наличие большого объема памяти и богатая периферия для сбора данных, обмена данными и реализации функций безопасности.

Ядро microAptiv, поддерживающее 159 DSP инструкций, в сочетании с интегрированным высокоскоростным (28 млн. выборок в секунду) 12-разрядным АЦП предоставляет значительные ресурсы для цифровой обработки сигналов. Для приложений, в которых требуется обмен данными, МК предоставляет 10/100 Ethernet MAC, высокоскоростной USB MAC/PHY (впервые для PIC микроконтроллеров) и два канала CAN шины, интерфейс SQI, и множество модулей UART, SPI и I2C. Функции безопасности обеспечиваются встроенными аппаратными модулями шифрования, модулем контроля доступа к памяти и периферии и две отдельные защищенные области Flash-памяти с поддержкой функции обновления «на лету». Наряду с поддержкой предшествующего набора инструкций MIPS32, ядро microAptiv поддерживает набор более эффективных инструкций microMIPS, позволяющий получить более компактный код и повысить общую производительность МК до 330 DMIPS.

Блок-схема микроконтроллеров PIC32MZ
Рисунок 3. В микроконтроллеры PIC32MZ с ядром microAptiv интегрирована богатая периферия, необходимая для поддержки различных требований к функциональности шлюзов IoT.

Первый в индустрии МК с ядром ARM Cortex-M4 с интегрированным Ethernet MAC + PHY предлагает компания Texas Instruments. 32-разрядный МК серии Tiva C TM4C129x на одном кристалле объединяет Ethernet MAC + PHY, большой объем Flash-памяти и ОЗУ, два 12-разрядных АЦП, а также множество дополнительной коммуникационной периферии, включая интерфейс CAN, высокоскоростной интерфейс USB, блоки UART, SPI, I2C. К дополнительным возможностям можно отнести входы квадратурного энкодера, порты ШИМ и контроллер ЖК дисплея. МК оснащены двумя специализированными аппаратными модулями шифрования и портами защиты от несанкционированного доступа, направленными на реализацию политик безопасности, например, полное стирание Flash-памяти в случае несанкционированного доступа.

Микроконтроллеры Texas Instruments Tiva C Series TM4C129x с ядром ARM Cortex-M4
Рисунок 4. Микроконтроллеры Texas Instruments Tiva C Series TM4C129x с ядром ARM Cortex-M4 оснащены богатой периферией, которая идеально подойдет для сбора данных, их защиты, управления и контроля и дальнейшей передачи внешним устройствам по коммуникационным интерфейсам, включая Ethernet MAC + PHY.

Для своего семейства встраиваемых процессоров xCORE-XA (eXtended Architecture) компания XMOS на одном кристалле объединила ядро ARM Cortex-M3 (версия с низким потреблением от Silicon Labs) и несколько ядер собственной разработки xCORE с маломощной периферией и аналоговыми блоками. Предназначенные для высокопроизводительных систем обработки сигналов и управления, процессоры xCORE-XA позволяют инженерам настроить одно или несколько ядер xCORE в качестве программных периферийных устройств для выполнения специализированных требований обработки и обмена данными.

В процессорах XMOS архитектура многоядерных микроконтроллеров расширяется и объединяется с процессором ARM Cortex-M3
Рисунок 5. В процессорах XMOS архитектура многоядерных микроконтроллеров расширяется и объединяется с процессором ARM Cortex-M3 с целью создания конфигурируемого многоядерного процессора для высокопроизводительных систем обработки сигналов и управления.

Мы рассмотрели лишь несколько примеров этой тенденции, которая на сегодняшний день охватила всю индустрию. Последние процессорные ядра HS34 и HS36 семейства DesignWare ARC HS Processor компании Synopsys имеют 10-уровневый конвейер, дополнительные функции DSP и обширный набор конфигурируемых опций наряду с соответствующей периферией. МК LPC4370 компании NXP содержат ядро ARM Cortex-M4 и сопроцессор с ядром ARM Cortex-M0 для обработки ввода/вывода и выполнения других задач. Периферия включает в себя высокоскоростной 12-разрядный АЦП, высокоскоростной порт USB, контроллер Ethernet и ЖК дисплея. В семейство МК Atmel SAMA5D3x входит множество приборов с ядром ARM Cortex-A5 и различной периферией, включая гигабитный Ethernet, двухканальный Ethernet, двухканальный контроллер CAN, LIN, SPI, порт USB, контроллер ЖК дисплея. Функции безопасности возложены на защищенный загрузчик и аппаратные ускорители алгоритмов шифрования. Серии 32-разрядных МК  STM32F429/STM32F439 компании STMicroelectronics выполнены на ядре ARM Cortex-M4, работают на частоте до 180 МГц и содержат богатую периферию и графический ускоритель для реализации пользовательских интерфейсов во встраиваемых проектах конечных точек и шлюзов IoT.

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: The push for performance, functionality in the IoT periphery

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя