Publication: FPGA implementation of an AD-HOC RISC-V system-on-chip for industrial IoT
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Publication Date
2020
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Abstract
Node devices for IoT1 need to be energy efficient and cost effective, but they do not require a high computing power in a large number of scenarios. This changes substantially in an Industrial IoT environment, where massive sensor utilization and a fast pace of events require more processing power. A custom developed node, using an efficient processor and a high performance and feature-full operating system, may balance these requirements and offer an optimal solution. This project addresses the hardware implementation, using an Artix-7 FPGA2, of a prototype IIoT3 node based on the RISC-V processor architecture. The project presents the implemented custom SoC4 and the development of the necessary Zephyr OS drivers to support a proof-of-concept application, which is deployed in a star network around a custom border router. End-toend messages can be sent and received between the node and the ThingSpeak cloud platform. This document includes an analysis of the existing RISC-V processor implementations, a description of the required elements and a detailed guide of environment configuration and steps to build the complete project.
Los dispositivos de nodo para IoT necesitan, generalmente, ser eficientes energéticamente y tener un coste contenido, pero no precisan de una gran potencia de cómputo en un gran número de escenarios. Esto cambia sustancialmente en un entorno de IoT Industrial, donde los requerimientos sensoriales y de tiempo de respuesta precisan de una potencia de cálculo mayor. Un nodo desarrollado a medida, sobre un procesador eficiente y un sistema operativo de altas capacidades, puede balancear estos requerimientos ofreciendo una solución óptima. Este trabajo aborda la implementación hardware, sobre FPGA Artix-7, de un prototipo de nodo IIoT basado en la arquitectura de procesador RISC-V. El proyecto presenta la creación de un System-on-Chip a medida y el desarrollo de los drivers necesarios sobre el sistema operativo Zephyr para soportar una aplicación de prueba de concepto, que se despliega en una red de estrella con un rúter de borde. Mensajes de extremo a extremo pueden ser enviados y recibidos entre el nodo y la plataforma ThingSpeak en la nube. El documento incluye un análisis de las implementaciones existentes de procesadores RISC-V, una descripción de los elementos necesarios y una guía detallada de configuración de entorno y pasos para construir el proyecto completo.
Los dispositivos de nodo para IoT necesitan, generalmente, ser eficientes energéticamente y tener un coste contenido, pero no precisan de una gran potencia de cómputo en un gran número de escenarios. Esto cambia sustancialmente en un entorno de IoT Industrial, donde los requerimientos sensoriales y de tiempo de respuesta precisan de una potencia de cálculo mayor. Un nodo desarrollado a medida, sobre un procesador eficiente y un sistema operativo de altas capacidades, puede balancear estos requerimientos ofreciendo una solución óptima. Este trabajo aborda la implementación hardware, sobre FPGA Artix-7, de un prototipo de nodo IIoT basado en la arquitectura de procesador RISC-V. El proyecto presenta la creación de un System-on-Chip a medida y el desarrollo de los drivers necesarios sobre el sistema operativo Zephyr para soportar una aplicación de prueba de concepto, que se despliega en una red de estrella con un rúter de borde. Mensajes de extremo a extremo pueden ser enviados y recibidos entre el nodo y la plataforma ThingSpeak en la nube. El documento incluye un análisis de las implementaciones existentes de procesadores RISC-V, una descripción de los elementos necesarios y una guía detallada de configuración de entorno y pasos para construir el proyecto completo.
Description
Máster en Internet de las Cosas, Facultad de Informática UCM, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, Curso 2019/2020.