Ανάπτυξη και διασύνδεση υλικού – λογισμικού σε κόμβους SoC FPGA υψηλής επεξεργαστικής ισχύος με στόχο την ενσωμάτωσή τους σε υπάρχον δίκτυο συσκευών IoT (Internet of Things)

Abstract

Το διαδίκτυο των πραγμάτων (ΔτΠ) αποτελεί σημαντικό τεχνολογικό παράγοντα της καθημερινότητας του ανθρώπου. Ολοένα και περισσότερες συσκευές χρειάζεται να διασυνδεθούν μεταξύ τους αλλά και με το διαδίκτυο, ώστε να συμβάλλουν στην εξυπηρέτηση των ανθρώπων σε σημαντικές ή και όχι στιγμές της καθημερινότητας τους. Σε κάποιες περιπτώσεις, οι συσκευές που χρειάζεται να διασυνδεθούν στο δίκτυο αναλαμβάνουν να επιτελούν εξειδικευμένες λειτουργίες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη ύπαρξης υψηλής υπολογιστικής ισχύος στις παρυφές του δικτύου για την άμεση επεξεργασία των περισυλλεγμένων δεδομένων. Στην ανάγκη αυτή έρχεται να δώσει λύση η παρούσα διπλωματική εργασία, με την ανάπτυξη ενός τέτοιου συστήματος. Για την ανάπτυξη του συστήματος, επιλέχθηκε η χρήση υλικού τύπου System on Chip (SoC), το οποίο ενσωματώνει επεξεργαστή τύπου ARM και αναδιαμορφούμενη ψηφιακή λογική (FPGA), ενώ ταυτόχρονα αποτελεί υλικό χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης, πράγμα που είναι πολύ σημαντικό σε ένα δίκτυο τύπου ΔτΠ. Στο υλικό αυτό εγκαταστάθηκε ειδική υποστηριζόμενη διανομή λειτουργικού συστήματος τύπου Linux για την λειτουργία του επεξεργαστή. Αναπτύχθηκε ειδικό λογισμικό ώστε να μπορεί να δέχεται δεδομένα από το διαδίκτυο, ενώ αναπτύχθηκε λογισμικό χαμηλού επιπέδου (low level driver) για την μεταφορά των δεδομένων από το επίπεδο του επεξεργαστή προς το επίπεδο της FPGA. Στο επίπεδο της FPGA σχεδιάστηκε ειδικό υλικό για την ταχύτατη επεξεργασία των εισερχόμενων δεδομένων και την εξαγωγή αποτελέσματος σύμφωνα με τις ανάγκες της εργασίας. Τελικό μέρος της λειτουργίας του λογισμικού που αναπτύχθηκε, αποτελεί η επιστροφή του εξαχθέντος αποτελέσματος στο επίπεδο του επεξεργαστή, μέσω του λογισμικού χαμηλού επιπέδου και στην συνέχεια η μετάδοση της χρήσιμης πληροφορίας προς τις υπόλοιπες συσκευές του δικτύου. Η συγκεκριμένη εργασία δύναται να αποτελέσει μια έτοιμη λύση, εύκολη στη χρήση, για όποιον έχει ανάγκη να ενσωματώσει έναν κόμβο υψηλότερης υπολογιστικής ισχύος σε μια τοπολογία ΔτΠ. Η μόνη αλλαγή που θα χρειαστεί να γίνει, είναι κυρίως στην σχεδίαση της εξειδικευμένης λειτουργίας στην αναδιαμορφούμενη ψηφιακή λογική, σύμφωνα με τις ανάγκες της εργασίας που πρόκειται να επιτελέσει. Σε άλλη περίπτωση, μπορεί απλά να χρησιμοποιηθεί ως ένα βοηθητικό εργαλείο για το πώς αναπτύσσεται και ενσωματώνεται ένας κόμβος υψηλής υπολογιστικής ισχύος σε τοπολογία ΔτΠ.