賽靈思 All Programmable SoC 和 7 系列 FPGA 不僅可為當今的工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)平臺提供最廣泛的功能，而且還能為未來發(fā)展提供最大的靈活性。在工業(yè)系統(tǒng)的整個生命周期內實現(xiàn)最高的投資回報以及最低的總擁有成本。

概要

本白皮書以工業(yè)通信、網絡安全和邊緣計算（從簡單數(shù)據優(yōu)化到機器學習）為例，重點介紹賽靈思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 對工業(yè)物聯(lián)網嵌入式系統(tǒng)的適用性與好處。這些器件將 ARM 應用處理器與 FPGA 邏輯（可編程硬件）、外設及其它嵌入式模塊完美結合在一起，使用戶能夠在他們系統(tǒng)的軟件智能與硬件優(yōu)化之間取得理想平衡。

本白皮書將探討工業(yè)設備的生命周期及如何結合軟件和可編程硬件在短期內從根本上提升提升系統(tǒng)的功能，同時如何在迅速變化的工業(yè)物聯(lián)網市場趨勢中延長系統(tǒng)的使用壽命。本白皮書還將介紹協(xié)助在軟件和可編程硬件間分配功能的軟件工具，同時說明不選用 All Programmable 解決方案帶來的業(yè)務風險與成本。

IT-OT 融合方法

工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 指涉及邊緣設備、云應用、傳感器、算法、安全性、保密性、大量協(xié)議庫、人機界面 (HMI) 及其它必須互操作元素的多維度緊密耦合的系統(tǒng)鏈。一些人將 IIoT 愿景描述為運營技術 (OT) 與信息技術 (IT) 的融合，但實際上目標更為深遠。OT 應用的時間敏感性和 IT 應用的數(shù)據密集性要求所有這些元素融為一體，如期、可靠地執(zhí)行關鍵任務。但與另一項關鍵要求（即壽命周期）會存在沖突。壽命周期可確保系統(tǒng)供應商及其客戶的這些 IIoT 系統(tǒng)的投資回報。在 IIoT 系統(tǒng)的分析、機器學習、 網絡安全等一系列基礎底層技術方面正取得重大進展。然而，在擴展的生命周期進行修改或升級，這種緊密集成要求會給這些系統(tǒng)嚴格的時間性造成不必要的連鎖反應。

應對這一挑戰(zhàn)的最常見方法，就是尋求一款可用作 IIoT 邊緣系統(tǒng)核心的嵌入式電子組件 ——其具備可用的最佳規(guī)范，能夠輕松應對意外情況。邊緣系統(tǒng)是指位于網絡邊緣，最貼近實體工廠及其它工業(yè)環(huán)境（如運動控制器、保護繼電器、可編程邏輯控制器等類似系統(tǒng)）的決定性嵌入式通信與實時控制引擎。千兆赫時鐘頻率、內存容量加大、輸入/輸出端口數(shù)量增多、最新加密引擎，看起來可為尚未知曉的未來需求提供解決方案。但是在應對工業(yè)設備的時間尺度時，因為其關鍵子系統(tǒng)的工作時間尺度是幾百毫秒（或更短），卻需要在工廠內和偏遠地點工作數(shù)十年，僅依靠先進的多核嵌入式處理器在 IIoT 領域的擴展，最多只能算一種想象。在最壞的情況下，這是一種短視做法，會導致一系列難度大、成本高的市場營銷和工程權衡取舍，而權衡取舍的主要目的是管理性能瓶頸造成的功能時序問題。鑒于所涉時間尺度，在 IIoT 邊緣亟需更高的擴展自由度。通過使用可編程硬件來增強運行在嵌入式處理器內核上的軟件，可以釋放這樣的擴展自由度。這種一致性更高的方法，可以輕松管理確定性、時延和性能，消除 IT 與 OT 域間以及 OT 域中子系統(tǒng)內的干擾。

圖 1：典型 IIoT 系統(tǒng)的時間尺度、屬性和生命周期

通過并行方式，提供硬件虛擬化等功能的處理器能產生可持續(xù)價值，這不僅讓架構師能夠整合新的客戶操作系統(tǒng)，而且還可提供所需的自動化和隔離水平。同時還提供始終有用的特性，例如像內存保護（奇偶，或最好的糾錯碼 [ECC]）這樣永不過時的特性。

采用專用硬件來增強靜態(tài)處理器架構，實現(xiàn)勞動分工，讓各硬件各司其職，這對嵌入式電子行業(yè)來說絕非新模式。還需要注意的是，隨時間自動調整任務與勞動分工。例如最新預測維護算法，其所需的傳感器輸入數(shù)量多于此前的輸入數(shù)量。讓硬件負責增量計算，可維持總體負載以及處理子系統(tǒng)的周期時間（這是最重要的）。對購買和安裝系統(tǒng)的客戶以及在未來數(shù)十年中從該設備獲得多重增值軟件服務收入流的系統(tǒng)供應商而言，這一靈活性能帶來巨大收益。

在選擇能隨時間發(fā)展適應市場趨勢影響的 IIoT 邊緣平臺的情況下，本白皮書重點研討構成 IIoT 基礎的三大關鍵應用領域（即連接、網絡安全和邊緣計算）。擁有一款具有高度靈活、可擴展、能同時處理 OT 和 IT 技術的 IIoT 平臺極為重要。All Programmable SoC（即全可編程片上系統(tǒng)）兼具軟件可編程和硬件可編程特性，是一個理想的解決方案。本白皮書還涵蓋兩個與 All Programmable SoC 有關的技術專題：軟件定義硬件和 All Programmable SoC 與分離嵌入式處理器的輔助 FPGA 的對比。賽靈思提供的 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列專門全權處理 IT 和 OT 任務。見圖 2。

圖 2：Zynq UltraScale+ 方框圖

連接：從現(xiàn)有標準到未來協(xié)議

IIoT 時代的連接朝著精簡方法發(fā)展，但這一轉型帶來新的復雜性。OPC 基金會的開放平臺通信統(tǒng)一架構 (OPC-UA) 和實時系統(tǒng)數(shù)據分配服務 (DDS) 等邊緣和系統(tǒng)級協(xié)議正在各自的應用領域贏得強勁的發(fā)展勢頭。這兩者都能隨著時間敏感網絡 (TSN) 的興起而大受裨益。這是一種確定性以太網傳輸，能夠管理混合關鍵性流。TSN 能在整個邊緣網絡和 IIoT 的大部分網絡中有力地落實統(tǒng)一網絡協(xié)議愿景，因為它能伴隨盡力服務流量(best-effort traffic) 支持各種程度的流量調度( scheduled traffic)。TSN 是一種不斷發(fā)展演進的標準,在該標準的各方面以及最終市場特定狀況塵埃落定之前，宣傳專用芯片組（例如 ASIC 或ASSP）的標準合規(guī)性，這種做法風險重重。類似地，通過純軟件方法試圖向管理實時數(shù)據的現(xiàn)有控制器添加 TSN 支持，至少也會導致不可預測的時序行為。這樣可能會導致中斷響應、延遲內存訪問時間等的劣化。最終，這不會成為一種合理的解決方案，因為 TSN 要求的是一種目前的處理器中尚不具備的時間感知形式。但即使不在同一器件中集成 TSN（以管理控制功能，如端點），如果把外部 TSN 交換機集成到系統(tǒng)內，與多個端點連接的交換機也很有可能能夠為支持非 TSN 的控制器提供以太網向后兼容支持。目標是將 TSN 集成到端點中，在實現(xiàn)調度流量與盡力服務流量并行的同時，最小化對控制功能時序的影響。見圖 3。

圖 3：TSN 拓撲與優(yōu)勢

在控制器中集成 All Programmable TSN 實現(xiàn)方案，在避免對軟件時序產生重大影響的情況下通過在硬件中實現(xiàn)帶寬密集型和時間關鍵型功能，能最小化變更造成的影響。使用賽靈思內部開發(fā)的完全符合標準的 TSN 優(yōu)化實現(xiàn)方案，設計人員能實現(xiàn)純端點或橋接端點。不論是將采用 All Programmable SoC 設計的控制器從標準以太網升級到 TSN，還是使用不斷發(fā)展演進的 TSN 標準設計新的控制器，賽靈思的 All Programmable 方法不僅能讓設計人員在做出改動時盡量避免給關鍵時序造成影響，同時還可滿足未來需求（相對于 ASIC 和 ASSP 而言）。

還值得考慮的是一種替代性，但同樣常見的用例。因為 IIoT 并非是一個全新行業(yè)，它仍然需要支持這個行業(yè)以前和現(xiàn)在這種條塊分割狀態(tài)下使用的大量傳統(tǒng)工業(yè)協(xié)議。大多數(shù)新型 SoC 對這些協(xié)議中甚至相當大的一部分不提供支持。因此，網絡接口的數(shù)量可能超過大部分這些固定 SoC 的 I/O 功能。相比之下，采用賽靈思的 All Programmable SoC 創(chuàng)建的系統(tǒng)能滿足客戶的定制要求，例如支持傳統(tǒng)協(xié)議及其相關的 I/O 連接。不管協(xié)議要求的是 250μs 或 64μs 周期時間，這些工業(yè)通信控制器采用完全封裝和硬件卸載實現(xiàn)方案后，能避免額外器件帶來的成本，且不會造成軟件方法可能導致的對主流軟件和固件的副作用。

不論是使用 TSN、傳統(tǒng)工業(yè)協(xié)議，還是最常見的新舊混用的情況，賽靈思都提供具有設計確定性的任意連接。

網絡安全：硬化的和適應未來威脅的能力

對廣義的網絡安全課題，IIoT 思想領袖采用“深度防御”方法。深度防御是一種多層安全形式，始于供應商的供應鏈，直至最終用戶的企業(yè)和云應用軟件，甚至延伸到軟件可能連接的物。在本部分將介紹用于部署在 IIoT 邊緣的嵌入式電子裝置的信任鏈。隨著網絡延伸至模擬-數(shù)字邊界，數(shù)據只要進入數(shù)字域就必須得到安全保障。深度防御安全要求強有力的硬件信任根，能通過硬件、操作系統(tǒng)和軟件隔離以及安全通信實現(xiàn)安全與測量啟動操作及運行時間安全。通過可信遠程認證服務器、認證中心等獨立核實證書的操作應通過該鏈部署。

在預期網絡安全攻擊頻率增多的情況下，安全絕非靜態(tài)不變，而是處在不斷演進中。例如自 1995 年以來，已對傳輸層安全 (TLS) 安全消息協(xié)議做過五次重大修改，還有更多改進即將做出。IIoT 系統(tǒng)供應商及其客戶需要知道如何減輕長期安全風險，同時最大化高成本資產的壽命和利用率。奠定 TLS 等協(xié)議的加密算法一般實現(xiàn)在硬件中，但隨著 IT-OT 融合的發(fā)展，這些 IT 側的變化會給時間關鍵 OT 性能造成不利影響。為減輕這種影響，如管理程序等部分軟件架構工具以及其它隔離方法現(xiàn)已經開始問市。產品實地部署多年后，也可以將這些軟件概念與使用可編程硬件卸載和支持目前尚未定義的全新加密功能的能力相結合。這一方法提供更強有力的風險規(guī)避計劃，可避免高成本的召回、補丁和可能的立法威脅。

軟件定義的硬件

“網絡安全：硬化的和適應未來威脅的能力”一節(jié)中曾提到，硬件卸載獲得的不只是 All Programmable SoC 可編程硬件的支持。實現(xiàn)整個愿景需要能優(yōu)化這一技術的軟件自動化功能。像 SDSoC 開發(fā)環(huán)境這樣的工具能讓用戶編寫 C/C++/OpenCL 及其它日益增多的語言，將功能的全部或部分分區(qū)到可編程硬件或軟件中。SDSoC 開發(fā)環(huán)境還能在處理器和可編程硬件間生成數(shù)據移動引擎和基礎架構。2015 年，SDSoC 工具結合使用高級加密標準 (AES)-256 算法，在將算法部分移到可編程硬件時，顯示性能提升高達 4 倍提升。《Xcell 軟件刊》中的“使用 SDSoC 加速 AES 加密”一文。

該基準測試的重點是探索軟件智能與可編程硬件優(yōu)化的最佳平衡。不過這個工具也能將該功能完整地卸載到可編程硬件。與此相似，通過硬件加速引擎，馬達控制環(huán)路收斂時間與純軟件實現(xiàn)方案相比，能將性能提升 30-40 倍。見圖 4。

圖 4：SDSoC 設計環(huán)境 設計流程

邊緣計算：可擴展、低成本與實時

如同通信和安全，邊緣計算正朝向超多個方向演進。云的計算能力運行在之前無法訪問的系統(tǒng)所釋放的數(shù)據流上，為用戶提供了前所未有或無法理解的可執(zhí)行的洞察力。這就建立起一套可用作新基線的預期或桌面籌碼。正如依靠 GPS 實時導航系統(tǒng)會讓大部分高速公路地圖過時，工業(yè)設備的購買者和使用者對來自他們的 IIoT 系統(tǒng)的反饋有著不同的期望。目前在下列三大因素的推動下，趨勢是把這些洞察的生成從云端推向邊緣：

?在從邊緣到云端的往返環(huán)路中以盡量快的速度應用洞察

?發(fā)送（在許多情況下）大數(shù)量數(shù)據到云端的成本

?發(fā)送數(shù)據到云端的安全、可靠性和隱私問題

有些行業(yè)趨勢不應該看得那么絕對。對解決部分此類安全和隱私問題，即便只是在本地預處理數(shù)據，然后把優(yōu)化后的混淆數(shù)據發(fā)送到云端，也能帶來巨大的好處。最簡單的例子是把低通或平均濾波器應用到負責控制機器的控制器上的時間序列數(shù)據。結果是既減少發(fā)送到云端的數(shù)據點數(shù)量，也抑制了離群數(shù)據。通過可編程硬件，您能將這些優(yōu)化功能

在數(shù)據流出機器時應用到數(shù)據上。與使用復雜內存事務相比，能實現(xiàn)最高效的數(shù)據處理。這是因為內存事務會影響根據數(shù)據制定任何可能決策的響應時間。這個例子可以表達為來自單個傳感器的單數(shù)據流，但實際上許多工業(yè)系統(tǒng)是由數(shù)百個乃至數(shù)千個并行數(shù)據流組成的。連接的數(shù)量放大了問題，以及可編程硬件通過各種傳感器融合技術和片上分析提供的解的值。

在這里描述的示例中，智能嵌入在控制器中，對時間敏感反饋項進行本地調整，將時間關鍵性較低的數(shù)據以壓縮格式推送到云端。這是邊緣和云端相互補充的最好例證。這種對嵌入式智能和邊緣-云端協(xié)作的描述也能適用于邊緣上的機器學習，這是 IIoT 領域重要性不斷上升的一個課題。機器學習 — 其中包括基于神經網絡的機器學習推斷和部署，以及回歸和其它經典方法，極其適合可編程硬件構成的高能效、可定制和大規(guī)模并行計算架構。出于這個原因，基于可編程硬件的加速卡在云中得到廣泛使用。同一 All Programmable 技術可供在邊緣使用，為多傳感器機器學習應用提供最低時延、功耗與成本。由于 All Programmable 技術既能高效支持IT-OT 融合的所有基本方面，同時又能為新興領域提供一流功能，該技術單個器件可以覆蓋最廣泛的 IIoT 應用。比如將馬達控制、機器視覺、網絡通信、功能安全、網絡安全等應用與邊緣分析和機器學習相結合，是 All Programmable 技術在 IIoT 中的預期用例。通過使用附帶支持庫的 SDSoC 開發(fā)環(huán)境等工具，用戶只需占用最小型 All Programmable 器件的一部分資源，就能把大量算法實現(xiàn)在器件中。見圖 5。

圖 5：Zynq-7000 和 Zynq UltraScale+ SoC 的機器學習推斷流程

傳統(tǒng)處理器的輔助 FPGA

要實現(xiàn)寬泛的 IT-OT 功能，IIoT 邊緣平臺首選 All Programmable SoC。這些器件可提供前面描述的集成優(yōu)勢，同時還可降低功耗和成本。在已經有之前的架構存在的現(xiàn)實環(huán)境中，比如說存在專門用于傳統(tǒng)嵌入式處理器的傳統(tǒng)代碼的情況，此時還有另一個選擇。在這種情況下，通過使用稱為 FPGA 的純可編程硬件器件，仍可發(fā)揮上文介紹的部分優(yōu)勢。FPGA 作為能與主嵌入式處理器方便接口的輔助器件運行。這些 FPGA 發(fā)揮主嵌入式處理器的協(xié)處理器的作用，提供實現(xiàn)緊湊的微處理器或微協(xié)處理器（例如賽靈思 MicroBlaze）的選項。這些軟處理器（用可編程硬件構建）支持多種操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)。使用這些選項，在傳統(tǒng)系統(tǒng)環(huán)境中也能卸載不斷演進的或時間關鍵的功能。FPGA 和 SoC 等賽靈思 All Programmable 產品組合不僅能實現(xiàn)可在更大溫度范圍內使用的生命周期長、可用性高的芯片，而且還能夠對整個或部分器件進行重配置，即便在運行中也能如此。同時在共享封裝兼容的情況下提供多 FPGA 選項，便于采取平臺化措施。雙芯片方法與 All Programmable SoC 相比，處理器與 FPGA 之間缺乏高帶寬。這種高帶寬和單芯片 SoC 內的連接數(shù)量，有助于軟硬軟件之間的動態(tài)勞動分工（即之前的示例的前提條件），這種特性是雙芯片解決方案無法媲美的。即便有這些局限性，可編程硬件的價值也大到足以讓越來越多的嵌入式處理器在它們的數(shù)據集中推廣專用 FPGA 接口（一般根據 PCIe、SPI、QSPI 等標準構建）。

新工業(yè)時代針對壽命的軟硬件可編程性

采用電氣化工業(yè)控制系統(tǒng)問世已有百余年時間。正如有些人將 IIoT 稱為第四次工業(yè)革命一樣，不僅可用的技術和所需完成的任務發(fā)生了改變，整個行業(yè)的發(fā)展速度也隨著變革的速度加快。目前，IT-OT 任務隨著時間不斷深化和擴展， IIoT 邊緣平臺的構建塊新技術應運而生，使其基本上能夠很好處理這些任務。與前二三十年使用的傳統(tǒng)嵌入式架構構建塊相比，Zynq-7000 和 Zynq UltraScale+器件等 All Programmable SoC 運用軟件和硬件可編程性保持資產長期有用。那種針對每個端點產品使用不同嵌入式處理器，而毫不考慮其連接的是同一云基礎設施的方法，是一種行將失敗的方法，因為 IIoT 系統(tǒng)開發(fā)中大約 75% 的成本都與云和嵌入式軟件開發(fā)息息相關。對系統(tǒng)供應商來說，最重要的是通過軟件服務讓他們投入的研發(fā)時間和資金創(chuàng)造價值，而不是再開發(fā)通信接口、安全基礎架構、控制環(huán)路時序、數(shù)據分析算法等。FPGA 方法為那些必須處理傳統(tǒng)處理器的供應商提供了眾多這種優(yōu)勢。All-Programmable SoC 方法有助于最大化可用選項，是面向工業(yè)系統(tǒng)供應商及其客戶增加投資回報的關鍵。