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物联网的要点深入浅出

电子设计 来源:电子设计 作者:电子设计 2020-12-25 18:45 次阅读

物联网是与云计算相伴而生的,事实上,正是物联网的概念帮我弄清了对云计算的工作定义。物联网是一个由三个不同的子系统组成的系统:

·云

·聚合

·智能传感器

上述每一个子系统对于整个物联网系统的功能优化都是必需的。云是终极的计算单元和通用通信网络。智能传感器是通向现实世界的界面。最后,这些聚合者是中间人。对云来说,聚合器看起来像智能传感器,而对智能传感器而言,它看起来像云。

系统的特点

系统的概念一直很有趣,这个术语引出了一些问题。例如,"一个系统存在的最小一组功能是什么?"或者,"一个系统可以由许多其他系统组成吗?"物联网是一个系统的系统。它的三个组件(云、聚合器和智能传感器)都有自己的系统。此外,任何两个组件也可以形成一个完整的IoT系统。例如,与聚合器进行通信的一系列智能传感器可以成为许多应用的一个最佳系统。同时,智能传感器直接对云进行通信也可以是一个最佳的系统。

然后,三者的区别是它们的具体性能,成本,功耗和规模的考量。特别是:

·云系统专注于性能。因此,成本、功耗和规模是次要的问题。

·聚合系统较少关注性能和功耗,更多地关注灵活性。

·智能传感器系统集中在电池寿命、大小和成本上,性能处于第三优先级。

也许一个示例应用可以帮助把这些系统放到一个维度上:

“智能咖啡杯”可以用来展示智能传感器如何直接与云进行通信。在最喜欢的咖啡馆,要上一杯"无限续杯"的咖啡。我会在咖啡店工作几个小时,不想每30分钟起来去续杯咖啡。有了无限的杯子,我可以坐在自己的桌子上工作,而我的咖啡杯正在和咖啡店的"云"通信,那就是 WiFi。当云感觉到我的杯子温度越来越低,或者变冷了,咖啡师会给我另外一个杯子,如果需要的话自动完成付费。这最终成为咖啡馆现有云计算的一个新用途。它可以很容易地扩展到餐厅和饮品店。

当认为物联网是一个系统系统时,有很多的方式。正如星球大战三部曲是从中间开始的,然后进入过去和未来,讨论IoT的三个系统也可以从中间开始,然后再到另外两个。乍一看,聚合器看起来既像是智能传感器上的云,又看起来像一个云上的智能传感器,似乎是物联网中不必要的组成部分。

IoT中的聚合子系统

看待物联网的简单方法是假设云直接连接到智能电子设备上。从这个意义上说,也许智能传感器和聚合器的概念是同一装置的变体。但是这个概念在每个IoT机会中都不起作用。

聚合器是一个处理元素,它:

·使用标准通信方法与云进行通信

·与具有专有通信功能的智能传感器进行通信,在这些传感器中,对长寿命和成本的需求超过了对标准的需求

·有足够的处理性能来服务多个智能传感器。在这样做的过程中,它管理了来自大量智能传感器的原始数据,消化它们的数据,准备一组需要传送到云端的信息,然后将数据传送到云端。

·在某些情况下,聚合器有足够的自主权,可以作为该系统的云。

聚合器与其他两个元素之间的差异如下:

聚合器是大量智能传感器和云之间的通信链接,最好的例子就是智能手机。它具有合理的电池寿命、成本和性能。可以看到许多设备可以与智能手机进行物理连接,也可以通过无线网络连接到智能手机上。它通常执行所有必要的功能,使其有用。但它总是无缝地涉及到云的性能,依赖于电池的寿命。为了充分发挥其潜力,需要有电源,或者将其可用性限制在相对较短的活动期间。这导致了聚合器的一个更广泛方面。它需要成为许多智能传感器之间的可连续供电接口,那些传感器不是外部供电的,而云是具有无限性能的。

可以在工业控制和医疗嵌入式设备中找到其他聚合器的例子。在这些例子中,都有一些共同的特点: 微型计算机或微处理器,许多标准的接口实现和各种通信选项。它们的性能足以满足系统的需求,而且它们的电力需求很低,足以使电池使用寿命合理,或者使用USB连接的电源供电。

对聚合器最简单的描述就是它是一个独立的计算机系统,它有

·计算系统

·电力管理系统

·存储系统

·通讯系统

聚合器是一个独立的系统,但它也可以是一个较大系统中的一个子系统。

聚合器可以使用带有离散组件的印刷电路板(PCB)来设计聚合器,或者在模块(SOM)上的系统,或者一个包中的系统(SiP) ,或芯片上的系统(SoC)。一般而言,采取的这些形式中哪一种形式更多地取决于规模和灵活性的限制,而不是成本和性能限制。

技术已经允许减少聚合器的尺寸,它也将减少其组件的大小。令人惊讶的是,它并不依赖于提高原始性能或驱动集成。创造小型设备如智能尘埃的意图要求计算机的功耗低到足以更好的散热。聚合器将需要一个超低功耗的通信链接与许多智能传感器(也许是数千个)来通信并聚合它收到的数据信息。它将把这些信息发送到云端进行最后的处理。与云计算的通信将采用行业标准方法进行。与智能传感器的通信很可能是专有的,而不是标准的,以在其所需的通信速率中保证最小的功率耗散。

IoT中的云

云的作用是两个基本的功能: 与用户交流,并给出额外的表现,甚至用户可能不知道那些需求。云计算的概念可能是用一个愚蠢的方式来描述了互联网的复杂性和它所做的一切。

物联网的概念不仅仅是描述云,还包括云是其中一部分的更广泛的生态系统。这个概念使得云计算成为一个更大系统的组成部分。微控制器和微处理器的多样性能够融入这个生态系统。

当云从概念演变为现实的时候,它似乎提供了无限的通信带宽、无限的性能和完全的安全性——但是,所有这些假设都可能是谎言。图1描述了物联网的各个组成部分的性能、带宽和安全性。

审核编辑:符乾江

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version:只读,实现所对应的spec版本,0表示0.11版本,1表示0.13版本。 ③ DM模块接口访问寄存器(dmi,0x11) dmi寄存器的每一位含义如图7所示。 图7 dmi寄存器 ● address:可读可写,DM寄存器的长度(位数)。 ● data:可读可写,往DM寄存器读、写的数据,固定为32位。 ● op:可读可写,读或者写这个域时有不同的含义。当写这个域时,写0表示忽略address和data的值,相当于nop操作;写1表示从address指定的寄存器读数据;写2表示把data的数据写到address指定的寄存器。写3为保留值。当读这个域时,0表示上一个操作正确完成;1为保留值;2表示上一个操作失败,这个状态是会被记住的,因此需要往dtmcs寄存器的dmireset域写1才能清除这个状态。3表示上一个操作还未完成。 在Update-DR状态时,DTM开始执行op指定的操作。在Capture-DR状态时,DTM更新data域。 ④ BYPASS寄存器(0x1f) 只读,长度为1,值固定为0。 2>DM模块 从图3可知,DM模块访问RISC-V Core有两种方式,一种是通过abstract command,另一种是通过system bus。abstract command方式是必须要实现的,system bus的方式是可选的。 DM模块的寄存器都为32位,定义如图8所示。 图8 DM寄存器 下面介绍一下红色框起来这几个重要的寄存器。 ① data寄存器(data0-data11,0x04-0x0f) 这12个寄存器是用于abstract command的数据寄存器,长度为32位,可读可写。 ② DM控制寄存器(dmcontrol,0x10) dmcontrol寄存器的每一位含义如图9所示。 图9 dmcontrol寄存器 ● haltreq:只写,写1表示halt(暂停)当前hart(hart表示CPU核,存在多核的情况)。 ● resumereq:只能写1,写1表示resume(恢复)当前hart,即go。 ● hartreset:可读可写,写1表示复位DM模块,写0表示撤销复位,这是一个可选的位。 ● ackhavereset:只能写1,写1表示清除当前hart的havereset状态。 ● hasel:可读可写,0表示当前只有一个已经被选择了的hart,1表示当前可能有多个已经被选择了的hart。 ● hartsello:可读可写,当前选择的hart的低10位。1位表示一个hart。 ● hartselhi:可读可写,当前选择的hart的高10位。1位表示一个hart。如果只有一个hart,那么hasel的值为0,hartsello的值为1,hartselhi的值为0。 ● setresethaltreq:只能写1,写1表示当前选择的hart复位后处于harted状态。 ● clrresethaltreq:只能写1,写1表示清除setresethaltreq的值。 ● ndmreset:可读可写,写1表示复位整个系统,写0表示撤销复位。 ● dmactive:可读可写,写0表示复位DM模块,写1表示让DM模块正常工作。正常调试时,此位必须为1。 ③ DM状态寄存器(dmstatus,0x11) dmstatus寄存器是一个只读寄存器,每一位含义如图10所示。 图10 dmstatus寄存器 ● impebreak:1表示执行完progbuf的指令后自动插入一条ebreak指令,这样就可以节省一个progbuf。当progbufsize的值为1时,此值必须为1。 ● allhavereset:1表示当前选择的hart已经复位。 ● anyhavereset:1表示当前选择的hart至少有一个已经复位。 ● allresumeack:1表示当前选择的所有hart已经应答上一次的resume请求。 ● anyresumeack:1表示当前选择的hart至少有一个已经应答上一次的resume请求。 ● allnonexistent:1表示当前选择的hart不存在于当前平台。 ● anynonexistent:1表示至少有一个选择了的hart不存在于当前平台。 ● allunavail:1表示当前选择的hart都不可用。 ● anyunavail:1表示至少有一个选择了的hart不可用。 ● allrunning:1表示当前选择的hart都处于running状态。 ● anyrunning:1表示至少有一个选择了的hart处于running状态。 ● allhalted:1表示当前选择的hart都处于halted状态。 ● anyhalted:1表示至少有一个选择了的hart处于halted状态。 ● authenticated:0表示使用DM模块之前需要进行认证,1表示已经通过认证。 ● authbusy:0表示可以进行正常的认证,1表示认证处于忙状态。 ● hasresethaltreq:1表示DM模块支持复位后处于halted状态,0表示不支持。 ● confstrptrvalid:1表示confstrptr0~3寄存器保存了配置字符串的地址。 ● version:0表示DM模块不存在,1表示DM模块的版本为0.11,2表示DM模块的版本为0.13。 ④ abstract控制和状态寄存器(abstractcs,0x16) abstractcs寄存器定义如图11所示。 图11 abstractcs寄存器 ● progbufsize:只读,program buffer的个数,取值范围为0~16,每一个的大小为32位。 ● busy:只读,1表示abstract命令正在执行,当写command寄存器后该位应该马上被置位直到命令执行完成。 ● cmderr:可读、只能写1,cmderr的值仅当busy位为0时有效。0表示无错误,1表示正在操作command、abstractcs、data或者progbuf寄存器,2表示不支持当前命令,3表示执行命令时出现异常,4表示由于当前hart不可用,或者不是处于halted/running状态而不能被执行,5表示由于总线出错(对齐、访问大小、超时)导致的错误,7表示其他错误。写1清零cmderr。 ● datacount:只读,所实现的data寄存器的个数。 ⑤ abstract命令寄存器(command,0x17) 当写这个寄存器时,相应的操作就会被执行。command寄存器只能写,定义如图12所示。 图12 command寄存器 ● cmdtype:只写,命令类型,0为表示访问寄存器,1表示快速访问,2表示访问内存。 ● control:只写,不同的命令类型有不同的含义,说明如下。 当cmdtype为0时,control定义如图13所示。 图13 访问寄存器 ● cmdtype:值为0。 ● aarsize:2表示访问寄存器的最低32位,3表示访问寄存器的最低64位,4表示访问寄存器的最低128位。如果大于实际寄存器的大小则此次访问是失败的。 ● aarpostincrement:1表示成功访问寄存器后自动增加regno的值。 ● postexec:1表示执行progbuf里的内容(指令)。 ● transfer:0表示不执行write指定的操作,1表示执行write指定的操作。 ● write:0表示从指定的寄存器拷贝数据到arg0指定的data寄存器。1表示从arg0指定的data寄存器拷贝数据到指定的寄存器。 ● regno:要访问的寄存器。 综上,可知: Ⅰ. 当write=0,transfer=1时,从regno指定的寄存器拷贝数据到arg0对应的data寄存器。 Ⅱ. 当write=1,transfer=1时,从arg0对应的data寄存器拷贝数据到regno指定的寄存器。 Ⅲ. 当aarpostincrement=1时,将regno的值加1。 Ⅳ. 当postexec=1时,执行progbuf寄存器里的指令。 arg对应的data寄存器如图14所示。 图14 arg对应的data寄存器 即当访问的寄存器位数为32位时,arg0对应data0寄存器,arg1对应data1寄存器,arg2对应data2寄存器。 当cmdtype为1时,control定义如图15所示。 图15 快速访问 ● cmdtyte:值为1。 此命令会执行以下操作: 1)halt住当前hart。 2)执行progbuf寄存器里的指令。 3)resume当前hart。 当cmdtype为2时,control定义如图16所示。 图16 访问内存 ● cmdtype:值为2。 ● aamvirtual:0表示访问的是物理地址,1表示访问的是虚拟地址。 ● aamsize:0表示访问内存的低8位,1表示访问内存的低16位,2表示访问内存的低32位,3表示访问内存的低64位,4表示访问内存的低128位。 ● aampostincrement:1表示访问成功后,将arg1对应的data寄存器的值加上aamsize对应的字节数。 ● write:0表示从arg1指定的地址拷贝数据到arg0指定的data寄存器,1表示从arg0指定的data寄存器拷贝数据到arg1指定的地址。 ● target-specific:保留。 综上,可知: Ⅰ. 当write=0时,从arg1指定的地址拷贝数据到arg0指定的data寄存器。 Ⅱ. 当write=1时,从arg0指定的data寄存器拷贝数据到arg1指定的地址。 Ⅲ. 当aampostincrement=1时,增加arg1对应的data寄存器的值。 ⑥ 系统总线访问控制和状态寄存器(sbcs,0x38) sbcs寄存器定义如图17所示。 图17 sbcs寄存器 ● sbversion:只读,0表示system bus是2018.1.1之前的版本,1表示当前debug spec的版本,即0.13版本。 ● sbbusyerror:只读,写1清零,当debugger要进行system bus访问操作时,如果上一次的system bus访问还在进行中,此时会置位该位。 ● sbbusy:只读,1表示system bus正在忙。在进行system bus访问前必须确保该位为0。 ● sbreadonaddr:可读可写,1表示每次往sbaddress0寄存器写数据时,将会自动触发system bus从新的地址读取数据。 ● sbaccess:可读可写,访问的数据宽度,0表示8位,1表示16位,2表示32位,3表示64位,4表示128位。 ● sbautoincrement:可读可写,1表示每次system bus访问后自动将sbaddress的值加上sbaccess的大小(字节)。 ● sbreadondata:可读可写,1表示每次从sbdata0寄存器读数据后将自动触发system bus从新的地址读取数据。 ● sberror:可读,写1清零,0表示无错误,1表示超时,2表示访问地址错误,3表示地址对齐错误,4表示访问大小错误,7表示其他错误。 ● sbasize:只读,system bus地址宽度(位数),0表示不支持system bus访问。 ● sbaccess128:只读,1表示system bus支持128位访问。 ● sbaccess64:只读,1表示system bus支持64位访问。 ● sbaccess32:只读,1表示system bus支持32位访问。 ● sbaccess16:只读,1表示system bus支持16位访问。 ● sbaccess8:只读,1表示system bus支持8位访问。 ⑦ 系统总线地址0寄存器(sbaddress0,0x39) 可读可写,如果sbcs寄存器中的sbasize的值为0,那么此寄存器可以不用实现。 当写该寄存器时,会执行以下流程: Ⅰ. 设置sbcs.sbbusy的值为1。 Ⅱ. 从新的sbaddress地址读取数据。 Ⅲ. 如果读取成功并且sbcs.sbautoincrement的值为1,则增加sbaddress的值。 Ⅳ. 设置sbcs.sbbusy的值为0。 ⑧ 系统总线数据0寄存器(sbdata0,0x3c) 可读可写,如果sbcs寄存器中的所有sbaccessxx的值都为0,那么此寄存器可以不用实现。 当写该寄存器时,会执行以下流程: Ⅰ. 设置sbcs.sbbusy的值为1。 Ⅱ. 将sbdata的值写到sbaddress指定的地址。 Ⅲ. 如果写成功并且sbcs.sbautoincrement的值为1,则增加sbaddress的值。 Ⅳ. 设置sbcs.sbbusy的值为0。 当读该寄存器时,会执行以下流程: Ⅰ. 准备返回读取的数据。 Ⅱ. 设置sbcs.sbbusy的值为1。 Ⅲ. 如果sbcs.sbautoincrement的值为1,则增加sbaddress的值。 Ⅳ. 如果sbcs.sbreadondata的值为1,则开始下一次读操作。 Ⅴ. 设置sbcs.sbbusy的值为0。 三、RISC-V调试上位机分析 RISC-V官方支持的调试器上位机是openocd。openocd是地表最强大(没有之一)的开源调试上位机,支持各种target(ARM(M、A系列)、FPGA、RISC-V等),支持各种调试器(Jlink、CMSIS-DAP、FTDI等),支持JTAG和SWD接口。 这里不打算详细分析整个openocd的实现,只是重点关注针对RISC-V平台的初始化、读写寄存器和读写内存这几个流程。 1>openocd启动过程 openocd启动时需要通过-f参数制定一个cfg文件,比如: openocd.exe -f riscv.cfg riscv.cfg文件的内容如下: adapter_khz1000 reset_config srst_only adapter_nsrst_assert_width 100 interface cmsis-dap transport select jtag set _CHIPNAME riscv jtag newtap $_CHIPNAME cpu -irlen 5 -expected-id 0x1e200a6d set _TARGETNAME $_CHIPNAME.cpu target create $_TARGETNAME riscv -chain-position $_TARGETNAME ■ 第一行设置TCK的时钟为1000KHz。 ■ 第二行表示不支持通过TRST引脚复位,只支持TMS为高电平并持续5个TCK时钟这种方式的复位。 ■ 第三行是复位持续的延时。 ■ 第四行指定调试器为CMSIS-DAP。 ■ 第五行指定调试接口为JTAG。 ■ 第六行指定调试的target类型为riscv。 ■ 第七行指定生成一个IR寄存器长度为5位、IDCODE为0x1e200a6d的JTAG TAP。 ■ 第八、九行指定生成一个riscv target。 openocd启动时的主要流程如图18所示。 图18 openocd启动流程 下面重点关注一下examine target这个流程。 这里的target是指riscv,对于riscv,首先会读取dtmcontrol这个寄存器,因为openocd支持0.11和0.13版本的DTM,通过这个寄存器可以知道当前调试的DTM是哪一个版本。这里选择0.13版本来分析。通过读取dtmcontrol,还可以知道idle、abits这些参数。接下来会将dmcontrol这个寄存器的dmactive域写0后再写1来复位DM模块。接下来再读取dmstatus,判断version域是否为2。接下来还会读取sbcs和abstractcs寄存器,最后就是初始化每一个hart的寄存器。 2>read register过程 读寄存器时,先构建command寄存器的内容,首先将cmdtype的值设为0,aarsize的值设为2(寄存器的宽度为32位),transfer的值设为1,regno的值设为要读的寄存器的number,其他值设为0,然后写到command寄存器里。然后一直读取abstractcs寄存器,直到abstractcs寄存器的busy位为0或者超时。然后再判断abstractcs寄存器的cmderr的值是否为0,如果不为0则表示此次读取寄存器失败,如果为0则继续读取data0寄存器,这样就可以得到想要读的寄存器的值。 3>write register过程 写寄存器时,先将需要写的值写到data0寄存器,然后构建command寄存器的内容,首先将cmdtype的值设为0,aarsize的值设为2(寄存器的宽度为32位),transfer的值设为1,write的值设为1,regno的值设为要写的寄存器的number,其他值设为0,然后写到command寄存器里。然后一直读取abstractcs寄存器,直到abstractcs寄存器的busy位为0或者超时。然后再判断abstractcs寄存器的cmderr的值是否为0,如果不为0则表示此次写寄存器失败,如果为0则表示写寄存器成功。 4>read memory过程 如果progbufsize的值大于等于2,则会优先使用通过执行指令的方式来读取内存。这里不分析这种方式,而是分析使用system bus的方式。通过前面的分析可知,system bus有两个版本V0和V1,这里以V1版本来说明。 先将sbcs寄存器的sbreadonaddr的值设为1,sbaccess的值设为2(32位),然后将要读内存的地址写入sbaddress0寄存器。接着读sbdata0寄存器,最后读sbcs寄存器,如果其中的sbbusy、sberror和sbbusyerror都为0,则从sbdata0读取到的内容就是要读的内存的值。 5>write memory过程 和read memory类似,同样以V1版本来说明。 先将要写的内存地址写到sbaddress0寄存器,然后将要写的数据写到data0寄存器,最后读sbcs寄存器,如果其中的sbbusy、sberror和sbbusyerror都为0,则此次写内存成功。 四、RISC-V JTAG的实现 通过在STM32F103C8T6上实现(模拟)RISC-V调试标准,进一步加深对RISC-V JTAG调试的理解。 使用STM32的四个GPIO作为JTAG信号的四根线,其中TCK所在的引脚设为外部中断,即上升沿和下降沿触发方式,实现了可以通过openocd以RISC-V的调试标准来访问STM32的寄存器和内存。程序流程如图19所示。 图19 JTAG实现的程序流程 五、参考资料 1、在STM32上模拟RISC-V JTAG的实现:stm32_riscv_jtag_slave 2、一个从零开始写的易懂的RISC-V处理器核:tinyriscv
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    的头像 发表于 03-05 16:10 3271次阅读
    怎么理解负频率呢?射频人眼中的负频率

    深入浅出理解三极管

    原文来自原创书籍《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》: 本小节介绍下三极管的特性,清晰易懂,使用通俗的水流模型加强对三极管的原理记忆,一定比课堂上讲的要形象的多,各位同学要学会类比的方法来加深记忆(比如在介绍相对论中引力扭曲时空的概念时,国外科学家们就用生活中的漩涡,或者在弹性膜中间的重球,来类比星体引力对时空的影响,这样会大大简化我们学习、理解和记忆的过程,这种学习方法被称为类比学习法)。 我们
    的头像 发表于 02-23 08:41 696次阅读
    <b class='flag-5'>深入浅出</b>理解三极管

    【年度精选】2023年度top5榜单——电机控制资料

    读懂PID控制算法(抛弃公式,从原理上真正理解PID控制) 作者:ben111 下载量:360 推荐理由: 这篇资料从原理上深入浅出地解释了PID控制算法,让读者真正理解其核心思想。摒弃了复杂
    发表于 01-16 14:34

    深入浅出Yolov3和Yolov4

    Yolov3是目标检测Yolo系列非常非常经典的算法,不过很多同学拿到Yolov3或者Yolov4的cfg文件时,并不知道如何直观的可视化查看网络结构。
    的头像 发表于 01-11 10:42 797次阅读
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    深入浅出理解PagedAttention CUDA实现

    vLLM 中,LLM 推理的 prefill 阶段 attention 计算使用第三方库 xformers 的优化实现,decoding 阶段 attention 计算则使用项目编译 CUDA 代码实现。
    的头像 发表于 01-09 11:43 1898次阅读
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    简析控制系统的稳定性判据

    上一篇视频,我们已经对控制系统分析的关键 —— 传递函数进行了深入浅出的介绍(点我穿越回上一期内容)。
    的头像 发表于 01-03 12:37 3388次阅读
    简析控制系统的稳定性判据