IIoT 通訊系統的可擴充式設計

November 22, 2017 Nicholas Cravotta

工業物聯網 (IIoT) 的多元性極高,包含各種各樣的應用,從機器人到智慧能源皆有。為了滿足各式各樣使用情境的通訊需求,開發人員一般要為特定應用建立通訊平台。這類單一用途的設計皆有無法擴充的問題,致使每一項新設計都必須負擔極高的工程成本,而且上市時程極長,這兩項因素均不利於 IIoT 發展。最理想的情況是 OEM 可以設計並製造出能滿足各種各樣要求的單一 IIoT 通訊系統。這種做法會降低成本和縮短開發時間,而且因為共用硬體平台故能發揮更大的軟體設計創意。這類系統肯定需要彈性化的 I/O 才能容納工業環境中各種不同的通訊介面和通訊協定。從資源有限的邊緣節點直至工業伺服器皆可擴充效能的話,也一定很有幫助。該系統也需要彈性的功能來滿足許多使用情境。無風扇的實地應用需要低功耗,而伺服器級部署則重視高可靠性、可用性和可服務性 (RAS)。

彈性平台統合 IIoT 通訊

全新 Intel Atom® 處理器 C3000 系列(舊代號是「Denverton」)便是針對上述目標而設計。新晶片有彈性且可以擴充,用單一架構統一 IIoT 通訊。I/O 最能體現平台之靈活彈性,包含最多 20 條可設定的高速通道。這些通道可混合設定,包含最多 16 條 PCIe Gen 3、16 條 SATA 3.0 以及 4 條 USB 3.0。(圖 1)。

圖 1. 20 條可設定的高速 I/O (HISO) 通道可以滿足不同的需求。(資料來源:Intel)

效能亦可大幅擴充,藉由 2 至 16 核心的組態可達成比前代處理器更高 2.3 倍的效能。核心數選項的範圍對應至 8.5 W 至 24 W 的熱限度範圍,讓無法使用風扇散熱的使用情境也能使用這個平台。同時,C3000 系列具備伺服器級的功能,例如 Intel® QuickAssist 技術。Intel® QAT 是硬體加速引擎,提供高達 20 Gbps 的傳輸量供資料壓縮和加密工作負載使用。Intel® 虛擬化技術是另一項伺服器級技術,允許開發人員將網路功能虛擬化延伸至邊緣裝置。這麼做可以進一步增強網路安全。C3000 架構也包含平台層級的錯誤管理和錯誤修正碼 (ECC) 記憶體,確保資料與程式具備恢復力。

彈性的韌體

因為具備這樣的靈活彈性,C3000 架構適用於各種各樣的系統要求。當然,處理器只是系統的元件之一。為了滿足不同的設計要求,系統必須能應對不同的 I/O 混合、管理能力要求等等。這意味著必須自訂韌體,而這是一項困難又耗時的作業。為了讓韌體設計更簡單且更具彈性,Intel Innovation Engine 協助開發人員迅速自訂 C3000 系列處理器的生產級韌體。Intel Innovation Engine 是特定數款 Intel® 處理器之 Platform Controller Hub (PCH) 的內嵌核心。您可以使用 Innovation Engine 按照某個系統的介面要求修改韌體、新增小型管理功能,或是卸載 BIOS 和基礎板管理控制器 (BMC) 例常作業以改善系統效能(圖 2)。

圖 2. Intel Innovation Engine 可快速開發自訂韌體。(資料來源:American Megatrends Inc.)

如此一來便可以利用單一的通用硬體架構創造多個差異化產品。

利用模組化設計達成彈性化通訊

將 C3000 處理器的可擴充能力、效能和伺服器級功能結合模組化硬體標準後,OEM 便可以引進採用單一架構的整套 IIoT 通訊系統組合。例如 American Portwell Technology Inc.PCOM-B701,即是採用 C3000 系列處理器建置的 COM Express Type 7 模組(圖 3)。PCOM-B701 可向下相容於 COM Express Type 6 針腳輸出但是以 I/O 介面的所有圖形介面為代價,換取 IIoT 通訊平台的彈性。

圖 3.  PCOM-B701 是一個 COM Express Type 7 模組,它利用 Intel® Atom C3000 系列處理器的優勢來實現 IIoT 設計。(資料來源:American Portwell Technology Inc.

COM Express 架構將 I/O 載板設計與 PCOM-B701 處理器模組分開,協助 IIoT 設計師凸顯其解決方案的差異性。因此,同一款處理器板可與針對不同 IIoT 通訊系統量身打造的多種自訂載板搭配使用,讓 OEM 能夠彈性地盡可能再利用他們的設計。

簡化設計和加速上市時程

工程師可以利用 Intel Atom C3000 系列處理器的彈性和可擴充性,設計出能滿足工業應用各種不同需求的單一通訊架構。將模組化硬體標準和創新韌體開發技巧結合後,OEM 便可以把開發成本降到最低,迅速上市並依循 IIoT 需求逐步進化,這是前所未見的事。

作者簡介

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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