基于MIPS CPU怎么實現(xiàn)iot節(jié)點和網(wǎng)關(guān)？架構(gòu)如何提升系統(tǒng)性能和安全

隨著數(shù)十億IoT設(shè)備的投向市場以及數(shù)萬億市場份額的增長，這使得我們在決定邊緣節(jié)點傳感器或者智能節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計時要經(jīng)過嚴(yán)格的考慮才能做出正確的選擇。這些微型的邊緣傳感器不僅提供重要的數(shù)據(jù)而且我們要確保它的安全，同時要采用最低的功耗、成本以及占用的空間。邊緣節(jié)點的一些復(fù)雜的處理任務(wù)可以放到IoT網(wǎng)關(guān)來執(zhí)行，這樣帶來的不僅僅是安全智能還可能更多。

IoT系統(tǒng)的主要組件包括邊緣節(jié)點傳感器或者模塊，主要用于收集傳感器數(shù)據(jù)，IoT網(wǎng)關(guān)用來處理融合所有傳感器的數(shù)據(jù)，保持與云服務(wù)器或者其他邊緣節(jié)點的通信連接，云服務(wù)器用于非實時的數(shù)據(jù)分析和存儲，最后移動端應(yīng)用程序用來渲染展示這些分析后的結(jié)果。

本篇文章主要向大家介紹基于MIPS CPU和微控制器來實現(xiàn)每個IoT節(jié)點和IoT網(wǎng)關(guān)，以及并行化、安全和虛擬化的架構(gòu)設(shè)計是怎樣提升系統(tǒng)性能和安全特性。

從MIPS芯片的來分析，并行化、虛擬化和安全這三方面可以引申為多線程、硬件虛擬化和OmniShield安全技術(shù)。在深入開展IoT節(jié)點/網(wǎng)關(guān)設(shè)計之前我們先簡要的理解這些關(guān)鍵技術(shù)。

OnmiShield技術(shù)保證了下一代SoC的安全。與其他解決方案不同，我們可以通過簡單的二進(jìn)制方法來設(shè)置安全和非安全分區(qū)，當(dāng)然OmniShield安全技術(shù)不僅僅是創(chuàng)建多個不同的安全分區(qū)，同時還支持每個安全/非安全區(qū)內(nèi)的應(yīng)用或者操作系統(tǒng)能夠獨立的操作，互補(bǔ)干擾。

硬件虛擬化是處理器OmniShield技術(shù)的前提，確保安全區(qū)應(yīng)用程序能夠高效可靠的執(zhí)行，并且與其他應(yīng)用保持絕對的隔離，同時也保證不受非安全分區(qū)應(yīng)用程序的干擾。

最后，多線程技術(shù)幫助優(yōu)化并行和復(fù)雜的應(yīng)用，使得單核處理器好像是一個SMP（對稱多處理）的操作系統(tǒng)，類似兩個獨立的處理器內(nèi)核。進(jìn)一步講，這兩個虛擬的處理器內(nèi)核能夠支持多個操作系統(tǒng)或者操作系統(tǒng)與“裸板”應(yīng)用程序的組合。

有了上述這些了解，現(xiàn)在我們可以進(jìn)一步了解IoT節(jié)點和IoT網(wǎng)關(guān)是怎么實現(xiàn)的，以及我們?nèi)绾螒?yīng)用上述這些技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）節(jié)點單元
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物聯(lián)網(wǎng)（IoT）節(jié)點從廣義上來看可以劃分為以下三部分——智能傳感器、智能聲音處理器和智能高性能處理器。
智能傳感器主要用于邊緣節(jié)點的傳感器，成本低，功耗小，采用一節(jié)AA電池或者紐扣電池就能夠保證其運(yùn)行一年或者更長時間。一般它只包含一個微控制器單元就能夠?qū)崿F(xiàn)所有應(yīng)用功能以及保持低功耗互連和邊緣數(shù)據(jù)分析。當(dāng)然對于這些數(shù)十億的微型傳感器來說另一個重要的參數(shù)就是安全。

如上圖所示，MIPS 微控制器M系列具有硬件虛擬化功能，保證傳感器應(yīng)用、互連協(xié)議棧和嵌入式AI處理三大安全分區(qū)的隔離運(yùn)行。支持多種流行的互連技術(shù)例如BLE、802.15.4、6LoWPAN、Thread、Zigbee、WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)NB-IoT，采用2接AA電池都保證10年的使用時間，超長的續(xù)航和很低的成本。在某些應(yīng)用場景，使用網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)如WiFi和蜂窩技術(shù)IoT節(jié)點模塊能夠與云服務(wù)器進(jìn)行直接連接并且發(fā)送各種消息和數(shù)據(jù)，當(dāng)然在其他應(yīng)用場景我們也可以采用IoT網(wǎng)關(guān)模塊來實現(xiàn)。使用邊緣傳感器的場景包括智能家居安全和自動化、車聯(lián)網(wǎng)、跟蹤和物流管理、集裝箱貨物監(jiān)測、消費電子設(shè)備如智能冰箱、智能洗衣機(jī)、智能飲料機(jī)、智能托盤和智能公用設(shè)施等。

智能聲音處理器是更高級的傳感器節(jié)點，它是在邊緣節(jié)點增加了聲音處理能力。這就需要更多的計算量，一個CPU除了要滿足聲音計算額外的計算要求，還要適應(yīng)不同數(shù)量的聲音采集麥克風(fēng)的集成。一些功能是需要在處理器上來實現(xiàn)的如聲音觸發(fā)器用來喚醒處理器開始解碼聲音命令、自適應(yīng)波束形成支持多個聲音麥克風(fēng)、消除回聲和噪聲來避免錯誤的識別或者檢測。

所有這些功能如聲音數(shù)據(jù)處理、互連處理、人工智能算法以及傳感器應(yīng)用都可以在MIPS interAptiv系列多線程處理器上來實現(xiàn)和優(yōu)化。目前已經(jīng)有很多比較流行的聲音觸發(fā)器和服務(wù)如亞馬遜的Alexa、谷歌公司的OK Google、蘋果公司的Siri以及微軟公司的Cortana。目前Alexa聲音服務(wù)已經(jīng)集成到很多你能夠想到的消費電子產(chǎn)品中，從冰箱到電視、汽車，此外還有智能話筒和智能手機(jī)。

幾乎所有這些設(shè)備都支持WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，可以實現(xiàn)與云端的聲音服務(wù)互聯(lián)互通。

智能高性能處理器適合處理密集型應(yīng)用，例如智能互連攝像機(jī)。高性能處理器不僅集成了智能聲音處理器的所有功能并且集成了視頻加速器、專用的分析引擎以及ISP相機(jī)支持。更具性能要求和邊緣處理器要實現(xiàn)的功能，我們的系統(tǒng)組成可能不止一個高性能處理器內(nèi)核也可能是2個或者4個。MIPS 64位I6400處理器非常適合這類應(yīng)用需求。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)關(guān)

當(dāng)我們系統(tǒng)的邊緣節(jié)點只是用來輸出傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)或者將一些數(shù)據(jù)處理任務(wù)放到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)關(guān)來執(zhí)行的情形或者場景，那么采用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與云服務(wù)器或者外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信應(yīng)該是最科學(xué)的方式。這種解決方案進(jìn)一步降低了邊緣節(jié)點的成本、系統(tǒng)占用空間和功耗要求，當(dāng)然也給邊緣節(jié)點帶來一些優(yōu)化，如引入智能算法、實時數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合和更高的安全特性。但是這種提升性能和方便使用的同時也增加了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。因為每個傳感器節(jié)點可能使用不同的互連通信協(xié)議、安全防護(hù)協(xié)議、發(fā)送不同格式和大小的數(shù)據(jù)包，所有這些都需要在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)關(guān)進(jìn)行分類細(xì)化。處理這么多不同的情況不是件容易的事情。如上圖所示MIPS處理器既具有多線程和硬件虛擬化的特性，支持多種互連技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）協(xié)議，能夠高效和安全的處理這種復(fù)雜的架構(gòu)設(shè)計。

總結(jié)

現(xiàn)在我們總結(jié)一下，上文提到的所有類型的處理器都集成了如下模塊——處理單元/微控制器單元、互連模塊、某種功能的智能算法（部署在邊緣節(jié)點設(shè)備或者放在云服務(wù)端）、具體應(yīng)用所需的傳感器和功能如聲音和視頻采集處理等。邊緣設(shè)備可以選擇直接連接到云服務(wù)器或者連接到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)關(guān)。MIPS系列處理器不僅能夠滿足不同應(yīng)用的功能要求也能滿足物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用場景的要求如安全、低功耗和低成本等。