工业物联网通信系统可扩展设计

November 22, 2017 Nicholas Cravotta

工业物联网 (IIoT) 多种多样,涉及从机器人到智能能源的各种应用。为满足这些多样化使用案例的通信需求,开发人员通常需要创建应用特定的通信平台。这种一次性设计存在的问题就是不能扩展。这也就造成了工程成本高,每一项新设计的上市准备时间加长。这两个因素已经阻碍了工业物联网的发展。理想情况下,OEM 可以设计和制造单一的工业物联网通信系统来满足一系列要求。这种方法可以降低成本和开发时间,由于共享硬件平台,还可以改善软件创新。显而易见,这样的系统需要灵活的 I/O 来适应工业环境中使用的各种通信接口和协议。从资源受限边缘节点到工业服务器的全系设备性能扩展能力也是很有用的。系统还需要灵活的功能来满足很多使用案例。无风扇现场应用需要低功耗,与此同时,高可靠性、可用性和可服务性 (RAS) 对服务器级部署而言不可或缺。

灵活的平台统一工业物联网通信

新款英特尔凌动® 处理器 C3000 系列(原代号为“Denverton”)的设计体现了这些目标要求。新款芯片的灵活性和可扩展性在单一架构之下统一了工业物联网通信。平台的 I/O 包括多达 20 个可配置的高速通道,具有优越的灵活性。这些通道可用于综合实施多达 16 个 PCIe Gen 3 通道、16 个 SATA 3.0 通道和 4 个 USB 3.0 通道。(图 1)。

图 1. 20 个可配置高速 I/O (HISO) 通道可以满足各种要求。(资料来源:英特尔)

而且,性能可扩展性高,2 至 16 内核配置,相比上一代处理器,性能提升高达 2.3 倍。该系列内核选件分别对应 8.5 至 24 W 散热层,使平台适合不支持风扇冷却的使用案例。与此同时,C3000 家族提供服务器级功能,例如英特尔® 通信加速技术(英特尔® QAT)。英特尔® QAT 是一个硬件加速引擎,为数据压缩和加密工作负载提供高达 20 Gbps 的吞吐量。英特尔® 虚拟化技术(英特尔® VT)是另一项服务器级技术。开发人员可以利用 VT 将网络功能虚拟化 (NFV) 扩展到边缘设备。这可以进一步增强网络安全。C3000 架构还包括平台级错误管理和纠错码 (ECC) 内存,可确保数据和程序恢复能力。

灵活的固件

C3000 架构凭借其优异的灵活性,适用于广泛的系统要求。当然,处理器只是系统的一个组件。为满足不同的设计要求,系统必须适应不同组合的 I/O、可管理性要求等。这意味着要对固件进行定制,这会是一个困难、耗时的任务。为简化固件设计,提高灵活性,开发人员可以使用英特尔革新引擎为 C3000 系列处理器快速定制生产级固件。英特尔革新引擎是指定英特尔® 处理器平台控制器中枢 (PCH) 中的嵌入式内核。革新引擎可用于固件改造以达到特定系统的接口要求,添加轻巧的可管理性功能,或者通过 BIOS 和基板管理控制器 (BMC) 例程负载转移来提升系统性能(图 2)。

图 2. 使用英特尔革新引擎,可以加快定制固件开发。(资料来源:American Megatrends Inc.)

以这种方式,可通过单一的公共硬件架构创建多个差异化产品。

通过模块化设计实现灵活的通信

OEM 将 C3000 处理器的可扩展功率、性能和服务器级功能与模块化硬件标准结合,现可推出基于单一架构的全套工业物联网通信系统产品组合。举例来说,American Portwell Technology Inc.PCOM-B701 便是基于 C3000 系列处理器打造的 COM Express Type 7 模块(图 3)。PCOM-B701 向后兼容 COM Express Type 6 引出线,但放弃了 I/O 接口的所有图形接口以提供作为工业物联网通信平台的灵活性。

图 3. PCOM-B701 是一个 COM Express Type 7 模块,利用英特尔® 凌动 C3000 系列处理器实施工业物联网设计。(资料来源 American Portwell Technology Inc.

COM Express 架构通过将 I/O 载板设计与 PCOM-B701 处理器模块分离,帮助工业物联网设计师进一步实现其解决方案的差异化。因此,相同的处理器主板可以与针对多种工业物联网通信系统量身定制的载板结合使用,使 OEM 能够尽可能灵活地再次利用其设计。

简化设计,加快上市速度

借助英特尔凌动 C3000 系列处理器的灵活性和可扩展性,工程师可以设计单一的通信架构,满足各种工业应用需求。OEM 在结合了模块化硬件标准和革新固件开发技术之后,现可有效降低开发成本,迅速推向市场,顺应工业物联网的要求。

作者简介

Nicholas Cravotta

Nicholas Cravotta is a veteran of the electronics industry. He has been technical editor for EDN, Embedded Systems Programming, and Communications Systems Design, and was the founding editor-in-chief of Multimedia Systems Design. During his years as an engineer, he designed hard real-time embedded systems, wrote application software for PCs and workstations, built an operating system from the ground up, and developed in-house software and hardware development and test tools, among many other projects. He has written over 600 published articles and has taught programming and technical writing at UC Berkeley. When he isn’t writing about engineering, he is an award-winning game designer for BlueMatter Games where he focuses on innovative ways to engage people, including the home-version of Escape the Room and Houdini, the reconfigurable disentanglement puzzle. He was recently a contestant on the reality TV show, “The Toy Box” showing the Pinata Backpack.

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