ARM: реализация устройств IoT на управляющей SoC-платформе минимальными инженерными силами

Эти устройства могут быть подключены к маломощной беспроводной сети передачи данных, которая для направления информации через интернет-шлюз в облако также должна иметь соответствующие функции для работы и управления. В облаке эти данные могут быть доступны для просмотра с помощью мобильного устройства или обработаны для принятия решений о дальнейших действиях.

Приложения, использующие технологию «Интернета вещей», должны быть эффективными, а поскольку ключевой характеристикой конечных устройств является их очень низкая стоимость, то счет идет уже на центы, а не на доллары. Кроме того, важно и минимальное потребление энергии. Устройство должно питаться от одной батарейки размером с таблетку или использовать так называемую свободную энергию, то есть добываемую непосредственно из окружающей среды. Это необходимо для того, чтобы срок его работы исчислялся годами и месяцами, а не часами, неделями или днями. Еще одна существенная характеристика конечных устройств — приоритетная работа в спящем режиме, с периодическим подключением к сети для приема и передачи данных. К основным характеристикам следует отнести и требования по безопасности, которые должны находиться на достаточно высоком уровне. Причем это касается как уровня работы самого устройства, так и процесса передачи данных по сети и хранения имеющейся информации в облаке. Помимо этого, программное обеспечение, действующее непосредственно на самом устройстве, должно обеспечивать легкий доступ и контроль для обеспечения его текущей поддержки, а также обновления системы или изменения параметров работы устройства. Система должна обладать высоким уровнем масштабируемости и функционировать одинаково эффективно как при наличии нескольких устройств в сети, так и при сотнях подобных решений.

Цель: силами трех инженеров за три месяца работы

Как и в любой другой области рынка электроники (с учетом достаточного уровня спроса при больших объемах производства), наряду с высокой функциональностью систем на кристалле SoC (англ. SoC — system-on-chip) также важны их низкая стоимость, высокая надежность, малый размер и энергоэффективность. В отличие от мобильных устройств, например смартфонов, продукты технологии «Интернета вещей», в особенности их конечные устройства, в том числе системы контроля окружающей среды, использующие различные сенсоры, требуют совершенно другого подхода в отношении «производительность на ватт потребляемой мощности», что наряду с низким энергопотреблением является определяющим фактором.

В своем проекте компания ARM поставила цель показать в 2015 году, что реализация конечных устройств «Интернета вещей», применяющих SoC и выполняющих требования к ограниченному низкому питанию и низкой стоимости, может быть достигнута малыми группами разработчиков, входящими в состав самых разных компаний, включая как стартапы, так и крупных производителей оригинального оборудования — OEM/ODM-компаний. Более того, целью ARM было создание платформы и прототипа чипа, которые могли бы позволить командам специалистов быстро проектировать адаптируемые решения, используя ARM-ядро совместно с собственными разработками.

Проект должен демонстрировать и потенциальные возможности ARM-платформы для применения в сфере «Интернета вещей», которая минимизирует риски, одновременно уменьшая стоимость и ускоряя выход продукта на рынок, используя при этом минимальное количество инженеров‑разработчиков. Еще одной задачей для компании ARM было достижение лучшего понимания как целей разработки, так и реализации встроенной периферии для устройств «Интернета вещей». В частности, для компании первоочередным стал вопрос интегрирования нового модуля Bluetooth для работы со встроенной флэш-памятью.

Быстрая реализация прототипа кремниевой платформы, в данном случае Beetle, оказалась для компании специфической задачей, которая была выполнена силами трех инженеров менее чем за три месяца работы над проектом. Вышедшая в третьем квартале 2015 года платформа получила интегрированное в одном кристалле ARM-ядро и подсистемы, необходимые для «Интернета вещей», включая процессор Cortex-M, интеллектуальный радиомодуль Bluetooth с низким собственным энергопотреблением BLE (англ. BLE — от Bluetooth “Smart” Low-Energy), а также флэш-память (рис. 1).

Рис. 1. Тестовый чип Beetle:
а) функциональные блоки;
б) кристалл

Тестовый чип Beetle не является примером высочайшего уровня оптимизации использованной площади и системы управления питанием. Несмотря на это, даже при отсутствии значительных достижений, начальные тесты и анализы производительности показали его сходство с устройствами, выполненными на базе ARM Cortex-M3. Радиомодуль ARM Cordio работает при напряжении ниже 1 В, вследствие чего при операциях, связанных с передачей данных, достигается крайне низкое энергопотребление.

Этот тестовый чип построен с помощью физического ядра ARM Artisan, специально выпускаемого для устройств типа приложений «Интернет вещей». Решение полностью совместимо с платформой ARM mbed IoT Device Platform, что позволяет проводить быструю разработку и прототипирование.

Подготовка основных блоков для построения

На рис. 2 показана демонстрационная платформа для устройства ARM IoT, реализованная компанией TSMC по 55‑нм техпроцессу и использующая для работы операционную систему mbed OS. Центральным элементом платформы является подсистема IoT, которая была запущена в середине 2015 года и разработана для процессоров Cortex-M3 или Cortex-M4, применяемых в высокопроизводительных устройствах, требующих специальных инструкций цифровых сигнальных процессоров DSP.

Рис. 2. Демонстрационная платформа ARM IoT — тестовый чип Beetle

Следующая ключевая особенность — наличие радиомодуля ARM Cordio BLE, объединяющего ядро Bluetooth версии 4.2 и лучший в своем роде аппаратный макропроцессор. Данные решения позволяют инженерам, знакомым с цифровыми разработками и трендами цифрового мира, оперативно проводить интеграцию модуля в свои проекты. Созданный для оптимально эффективной работы с процессором Cortex-M, модуль обеспечивает потребление ядром менее 1 В, а радиомодуль BLE поддерживает минимальное в отрасли потребление энергии — ниже 6,5 мВт (при питании в 1 В) в активном режиме передачи данных и 700 нВт — в дежурном, спящем режиме. Все эти элементы дополняет стандартное ядро ARM Artisan, память SRAM и физическая реализация на уровне ядра библиотек системы ввода/вывода общего назначения.

Устройства, построенные на основе ARM mbed IoT Device Platform, кроме основных преимуществ в плане коммуникаций и безопасности, также включают свободно распространяемую операционную систему mbed OS и сервис mbed Device Connector Service, предназначенный для обмена информацией между конечными устройствами «Интернета вещей». Операционная система mbed имеет обширную экосистему пользователей, состоящую более чем из 150 000 разработчиков по всему миру, а также свыше 50 партнеров, предлагающих совместимые компоненты, облачные серверы и программные инструменты.

Безопасность устройства на верхнем уровне обеспечивается с помощью супервизора mbed OS µVisor, который, используя возможности модуля защиты памяти MPU (англ. MPU — Memory Protected Unit), создает изолированное безопасное окружение внутри процессора Cortex-M. Безопасность на уровне коммуникаций слоев реализуется с помощью модуля mbed TLS (англ. TLS — Transport Layer Security). Во многих устройствах «Интернета вещей» дополнительная безопасность может быть создана с помощью расширенных аппаратных функций, например в демонстрационной SoC-платформе Beetle аппаратно имплементирован генератор случайных чисел TRNG разработки компании ARM (англ. TRNG — True Random Number Generator).

Интеграция

Реализованная с помощью стандартных методов и инструментов проектирования, платформа позволит командам проектировщиков, которые имеют ноу-хау в области интеграции встраиваемых и радиорешений, использовать возможность предельно высокой скорости разработки в сочетании с минимальным количеством необходимого инженерно-технического персонала.

Пакет для проектирования на физическом уровне EDA-tool-agnostic, применяющий тайминги и абстрактную физическую модель, значительно упрощает задачу встраивания радиорешений в разработки. Данный набор инструментов не требует от инженера расширенных знаний в области аналогово‑цифровых схем и ВЧ-технологий, фактически модуль BLE может быть представлен как цифровой вычислительный блок.

Процесс интеграции в новые разработки происходит относительно просто и очевидно и основан на принципе аппаратных макромодулей, что позволяет оперировать только цифровыми линиями связи для подключения к основному контроллеру, а также для организации обмена данными в системах «Интернета вещей», действующих под управлением процессора Cortex-M, и использовать стандартные шины AMBA-AHB. Наличие асинхронного режима устраняет необходимость применения синхроимпульсов для обеспечения совместной работы основного контроллера и радиомодуля.

Другая полезная функция для имплементации — боковые полосы для контроля мощности и синхронизации радиосигнала. Для упрощения процесса интеграции и помощи в устранении влияния помех в критических приложениях, использующих порты ввода/вывода радиомодуля, предусмотрены встроенные защитные кольца контактных площадок для этих портов.

Для обеспечения достаточной изоляции от помех, таких как достаточная развязка по питанию и экранирование для устранения подложенных помех, разработчику необходимо только придерживаться некоторых общеизвестных правил.

С целью упростить методы защиты от помех установлены дополнительные макроблоки из блокирующих конденсаторов со структурой МОМ (англ. МОМ — metal-oxide-metal, металл-оксид-металл), которые, занимая минимальную площадь, содержат большое количество конденсаторов развязки по питанию. Кроме того, представлена подробнейшая документация по применению этих блоков для организации экранирования и защиты от наведенных помех между цифровым и радиомодулями. Для облегчения разработки радиомодуля используется минимальное количество внешних компонентов — семь конденсаторов, две катушки индуктивности, два кварцевых резонатора и антенна.

Модуль также содержит встроенный блок флэш-памяти (от компании TSMC), и для команды разработчиков это был первый опыт применения подобного типа встраиваемой памяти. В данном случае предстояло решить более сложную задачу, чем использование, например, привычных встроенных блоков памяти SRAM. Причина в том, что эта память предполагает сдвиг уровня напряжения от уровня напряжения питанием логики, находящегося ниже 1 В для цифровой части, и блока флэш-памяти, требующего питания в диапазоне 1,2–2,5 В при операциях чтения/записи. ARM-ядро Artisan предоставляет возможности как обычного стабилизатора, так и преобразователя уровня на транзисторах с толстой подложкой, которые как раз и нужны для сдвига напряжения до уровня 2,5 В.

Даже если встроенная флэш-память оптимизирована для встраиваемых систем с низким потреблением, она в любом случае сильно влияет на потребление SoC-системы в целом. Данный факт и послужил причиной разработки и использования встроенного кэша для флэш-памяти, чтобы свести к минимуму обращения к этому блоку памяти. Вот почему в тестовом чипе Beetle были реализованы два банка памяти по 128 кбит каждый. Для примера было запущено приложение, использующее один банк памяти для кода самого приложения, а второй — для обновления через радиоканал кода того же приложения. Контроллеры флэш-памяти и кэша являются частью подсистемы «Интернета вещей» и могут поддерживать объем до 512 кбит в более сложных системах.

Доступность платформы и ее эволюция

Для быстрой разработки и прототипирования программных и аппаратных продуктов уже сейчас наряду с отладочной платой MPS2 доступны подсистемы «Интернета вещей», работающие на процессорах Cortex-M и Cortex-M3 со встроенным радиомодулем Cordio, библиотеками физического ядра Artisan с низким собственным потреблением, встроенным макромодулем флэш-памяти (от компании TSMC), инструментами mbed Device Platform.

Компании также ищут возможности для улучшения существующих систем разработки устройств «Интернета вещей», чтобы унифицировать сам процесс разработки и возможности быстрого прототипирования таких решений. В сотрудничестве с Thundersoft компания ARM недавно организовала в Пекине акселератор для экосистем «Интернета вещей», на котором были проведены семинары, тренинги и предложены сервисы, призванные помочь компаниям, занятым созданием устройств «Интернета вещей» и имеющим разную организационную структуру — от стартапов до OEM-производителей.

В дополнение к тем компонентам «Интернета вещей», которые использовались при создании чипа Beetle, компания ARM предлагает расширенную систему безопасности, предусматривающую TrustZone CryproCell IP. Для организации еще более продвинутых межпроцессорных взаимодействий могут быть применены библиотеки ядра Artisan для дальнейшего повышения энергоэффективности.