RISC-V助力网关、路由器扩展
工业物联网不断变化的需求促进其加速增长
作者：Alex Pluemer，贸泽电子专稿
（来源：a-image/Shutterstock.com）
RISC-V等精简指令集架构 (ISA) 与复杂指令集架构相比具有更高的效率和更少的资源负担。工业物联网 (IIoT) 应用通常需要模块之间具有高度连接性和协作水平，同时需要通过降低功耗来保持较低成本。人工智能功能不断增强，缩短了响应时间并降低了成本，并为新增收益源创造了机会。工业物联网以及通过它实现网关和路由器的各种用例每天都在扩展。RISC-V是一种开放标准指令集架构，它基于成熟的精简指令集计算机原理，可以显著推动这一加速发展进程。网关在工业物联网实现中以各种方式得到使用，RISC-V的优点使其成为优化这些应用的有利解决方案。下面，我们就来探讨下它是如何做到的。
工业物联网应用中的网关
工业网关和路由器是在公共和私营部门的各种用例中实现的。市政当局使用网关通过从中心位置或路边远程连接，监视交通信号灯、运动传感器和摄像头并进行编程，实现交通流量管理/优化。制造商和零售商通过网关实时监控库存和跟踪出货量，缩短出货延迟和与补货相关的延迟。大型项目利用工业网关/路由器来构建和管理其公用事业网络，提高其能源效率并提高安全性，同时降低总体成本。
经营和维护大型商用或乘用车队的企业使用网关来跟踪其车辆行程，并利用大数据驱动的AI功能执行预测性维护，这是保持良好车况并尽可能降低维修/更换成本的关键因素。银行和金融机构使用网关来运行大型ATM网络，实现安全的远程连接以监控现金水平，并提供视频监控。通过网关/路由器对苛刻或恶劣的制造环境进行远程管理，可以保护员工并减少维护和/或清理所需的停机时间。
现代工厂通常采用详细的物料管理和控制（图1）。物料由智能传送带传送，先进的跟踪和检查传感器确保它们在生产单位之间平稳过渡：在每个生产单位，各种材料逐步集成在一起，直到最终产品组装完毕。每个生产单位都可能需要管理在用物料（机械和电子模块、紧固件、电缆和包装材料）的库存，以避免短缺和过量，这两种情况都会增加成本。部署网关要素可监视和控制完成产品制造所涉及的各种流程，同时向人类（或基于AI的）操作员提供关键数据。数据通常传递到云端，帮助管理库存、预测所需的维护并优化制造效率。网关是将这种环境中使用的大量协议和物理接口连接在一起的粘合剂。
图1： 现代工厂使用智能传送带来确保产品在工作站之间平稳过渡（来源：Shutterstock.com/d1sk)
这种应用需要IIoT网关（例如在本例中）来支持工厂车间所需的各种通用协议。这些协议包括无线、以太网、USB、CAN、UART和模拟，以及可编程逻辑控制器 (PLC) 模块中使用的各类标准数字接口。这些协议还需要定期更新以修复错误以及应用修补程序。安全性对于这些更新来说至关重要，既是为了防御来自恶意软件和病毒的恶意攻击，也是为了在敏感的制造数据从网关移动到云时对其进行保护。当需要添加工作站或更改流程/协议时，网关必须灵活并且易于重新配置， 毕竟评估和重新配置制造流程以提高效率，减少功耗和浪费，并将库存管理费用保持在最低水平，一直以来都是一大难题。无论是实时操作系统 (RTOS) 还是Linux这样的完整操作系统，操作系统还必须具有自适应性，容易修改/升级。对于面向大数据的AI功能而言，确保送向云端的高效数据流至关重要，这需要IIoT网关内部和周围传感器和数据聚合器提供的连续数据。
更高的效率、灵活性和安全性
RISC-V等精简ISA可以满足IIoT网关应用的关键要求，同时提高整体效率，并提供适应制造环境不断变化情况所必需的灵活性。
效率
RISC-V ISA的基本优点之一就是其处理效率。简单的CPU操作无需特殊的处理器寄存器即可直接使用内存，从而提高了速度并减少了所需的内存占用。利用缓存子系统，频繁使用的位置会自动可用，并且访问时间更短，从而带来了快速专门寄存器访问的优势，无需进行复杂、低效的编程。网关通过较低的功耗和较小的代码空间而受益于这种优势。而且，网关是高度数据传输密集型的，因为数据包通常仅仅是被传输、分解或缝合在一起。从一种协议更改为另一种协议所需的处理很少，这样就使高效的内存搬运成为关键优势。更高效的处理还有助于实现面向AI的网关功能，以识别异常事件，并在潜在问题变成真正问题之前对其进行预测。
灵活性和协议支持
网关在协议、操作系统、物理连接和模块化结构方面需要灵活。RISC-V开源架构让支持各种协议和适应不断变化的需求变得容易。通过访问外围驱动程序和堆栈的源代码以及相关协议，可以轻松地在开发过程中甚至部署后根据需要对其进行修改。这使外围设备便于模块化，并且协议可随着行业标准的变化轻松互换、更新或增强， 这样就可以延长IIoT网关的生命周期，并降低整体系统部署成本，这是IIoT实施中的关键因素。
安全性和云连接性
实现信任根需要基于RISC-V硬件的安全性，而信任根是任何强大的安全系统的基础。信任根是众多安全相关功能（例如安全启动、加密计算、安全密钥和证书存储）的已知安全起点。信任根通常通过用于保护安全数据和外围功能、实现篡改保护、生成密钥并为应用软件提供安全更新的专门硬件提供支持。当系统需要云存储时，网关可以使用受信任的加密标准来保护往返于云的数据（图2）。利用可用于加密、解密、证书管理和安全数据通信协议的开源实现，开发人员可以访问所有与安全性相关的代码，从而使测试和验证设计的稳健性更加容易。此外，开源环境的另一个好处是，能够根据特定的应用需求自定义和升级代码，而无需等待第三方开发和发布定期更新。
图2：网关可以使用受信任的加密标准来保护往返于云的数据。（来源：shutterstock.com/sdecoret）
结论
随着IIoT环境产生新的应用和收入流，网关将继续发展和变化。随着它们变得越来越复杂，将需要额外的处理能力，这意味着还需要在网关内进行更多的数据处理，以尽可能减少发送到云的数据流量。这将需要自适应处理，也许还需要使用基于AI的算法来快速响应数据流量模式和处理要求的变化。随着网关响应IIoT不断变化的需求而不断发展，RISC-V的灵活性、效率和自适应能力将继续提供实现方面的优势。