Viele Hersteller setzen bei Neuentwicklungen inzwischen auf einheitliche Plattformkonzepte, um die Systemkosten oder TCO (Total Cost of Ownership) ihrer Automatisierungslösung und deren Wartungs- und Servicekosten so gering wie möglich zu halten. Ziel ist es, An­wendungen wie die Visualisierung und Daten­verarbeitung von bisher einzelnen Geräten in wenigen Baugruppen zu­sammenzufassen – ohne dabei Kompromisse bei der Betriebssicherheit einzugehen. Ideal erscheinen hier modulare Systeme, bei denen sich die benötigte Rechenleistung durch Austauschen der Komponenten oder durch Bestückungsvarianten anpassen lässt. Darüber hinaus sollen solche Systeme einfach und ohne einen Wechsel der Software- oder Entwicklungsumgebung erweiterbar sein, beispielsweise für anspruchsvollere Varianten einer Maschine.

Von besonderer Bedeutung für die Skalierbarkeit unter den Aspekten Funktionalität und Kosten ist die „Partitionierung“ des Systems. Dabei stellen sich für den Entwickler mehr denn je die klassischen Fragen:

■ Welche der benötigten Technologien sind im eigenen Unternehmen vorhanden?
■ Welche Komponenten können wirtschaftlich noch selbst produziert werden und welche Investitionen sind gegebenenfalls nötig?
■ Was ist auf dem Markt verfügbar?
■ Was muss im Haus bleiben, um die Kernkompetenzen zu stärken und das Know-how zu schützen?

Die aktuellen Prozessortechnologien mit ihrer fortschreitenden Miniaturisierung, immer höheren Taktfrequenzen und Flankensteilheiten auf den Platinen sowie die erhöhten EMV-Anforderungen an die Baugruppen haben zu neuen Herausforderungen in der Board-Entwicklung geführt. Aber liegt in diesem schnelllebigen Bereich der Steuerungshardware überhaupt die Kernkompetenz der Automatisierer und Maschinenbauer? Im Normalfall sicher nicht.

Wer aus Platz- oder Kostengründen die Hardware weder komplett aus Einschubsystemen, wie beispielsweise CompactPCI oder Micro-TCA, konfigurieren kann, noch das Projekt komplett an einen EMS-Dienstleister (Electronic Manufacturing Services) auslagern will, findet mit dem COM-Konzept (Computer on Module) eine passende Plattform für seine Steuerungssysteme.

Komplexes auslagern, Know-how im Haus halten

Automation embedded: Computer-on-Modules sorgen für die notwendige Skalierbarkeit der Rechenleistung, um die Automatisierungsfunktionen wie Motion-Control, Soft-SPS, Datenverarbeitung sowie HMI auf einer Plattform zu integrieren.

© congatec

Bei der COM-Variante wird nur der schnelllebigste und technologisch anspruchvollste Teil ausgelagert – der Rechnerkern. Innerhalb des gewählten Standards/Formfaktors (siehe Kasten „COM-Express: Die Standard-Plattform“) sind kompatible Module fast beliebig austauschbar. Dies sorgt nicht nur für eine praktisch unbegrenzte Skalierbarkeit, sondern auch für eine langfristige Verfügbarkeit der Funktionen, die weit über die Lieferfähigkeit des einzelnen CPU-Moduls hinausgeht. Denn obwohl der einzelne Prozessor oder andere Komponenten vielleicht nur fünf bis sieben Jahre hergestellt werden, ermöglichen funktionskompatible Module dennoch die im Anlagen- und Maschinenbau übliche Verfügbarkeit von 10 bis 15 Jahren. Eine teure Bevorratung und Lagerhaltung alter Module wird damit überflüssig.

Hersteller von COM, wie die Firma congatec, bieten auf Modul-Ebene kompatible, für viele Standard- und Echtzeit-Betriebssysteme vorintegrierte und damit applikationsfertige Baugruppen einschließlich der passenden Peripherietreiber an. Der Automatisierungskunde erhält somit kompatible Module, die er ohne aufwendige Anpassungen auf sein spezifisches, meist selbst gefertigtes Trägerboard stecken kann. Durch die Zusammenarbeit des Modul-Lieferanten mit Chipherstellern wie Intel oder AMD sind die aktuellen Prozessor-Technologien ohne schwierige und teure eigene Entwicklungsarbeit bereits kurz nach deren Ankündigung verfügbar. Als anderer Vorteil des COM-Konzepts erweist sich, dass die Trägerboards weiterhin im eigenen Haus gefertigt werden können. So bleiben Ressourcen, Arbeitsplätze wie auch das Know-how im Unternehmen. Und über die Vielfalt kompatibler CPU-Module lassen sich die eigenen Gerätebaureihen oft schon durch einen Modultausch auf die individuellen Anforderungen abstimmen.

Das COM-Konzept kann jedoch nur dann funktionieren, wenn der Modul-Hersteller selbst über langjährige Erfahrungen in der Entwicklung von Trägerboards verfügt und mit entsprechendem Support unterstützen kann. Denn trotz Standardisierung zeigen sich die Vorteile eines Moduls erst im Detail, wie etwa der Umfang und die Qualität der mitgelieferten Firm- und Software oder der Betriebssystem-Anpassungen. Völlig neue Möglichkeiten der Skalierbarkeit erschließen die Prozessoren mit mehreren physikalischen (Multi-Core) und/oder logischen Kernen (Hyperthreading). Mit ihnen können meh­rere voneinander unabhängige Anwendungen sicher getrennt voneinander auf einem einzigen COM laufen sogar auf unterschiedlichen Betriebssystemen. Essenziell für die uneingeschränkte Nutzung einer Dual- oder gar Multi-Core-Anwendung ist deren Betriebssicherheit; speziell bei harten Echtzeit-Anforderungen.

Skalierbarkeit der Automatisierungsanwendungen nimmt zu

Um die Systeme wirklich hart echtzeitfähig und trotzdem für Software-Entwickler noch überschaubar aufzubauen, ist in den meisten Fällen zusätzliche Software erforderlich, so genannte Hypervisor. Sie übernimmt das Management der Ressourcen wie Interrupts, Caches und Arbeitsspeicher. Hypervisor wie der Real-Time-Hypervisor der schwäbischen Firma Real-Time Systems sind dafür verantwortlich, dass die Systeme auf den einzelnen Prozes­sorkernen in sich gekapselt bleiben und keine Konflikte durch Zugriff auf identische Ressourcen entstehen. Somit können bestehende Anwendungen trotz eventuell unterschiedlicher Betriebssysteme weitest­gehend unverändert in einem Dual- oder Multi-Core-System zusammengefasst werden. Das sorgt für eine ebenso kosten- wie platzsparende Konsolidierung von bisherigen Mehrgeräte- und Mehrplattform-Systemen.

Aktuell sind im Embedded-Bereich Dual- und Quad-Core-Prozessoren im Markt eingeführt, Tendenz steigend: Prozessoren mit acht und mehr Kernen werden in den kommenden Jahren folgen und eine noch größere Skalierbarkeit der Automatisierungsanwendungen ermöglichen. Außerdem lässt sich bei vielen Intel-Prozessoren jeder Prozessorkern durch Hyperthreading zusätzlich in zwei logisch gekapselte Kerne (Threads) aufteilen. Praktisch sind heute bereits Systeme mit bis zu acht logischen Prozessoren realisierbar. Wichtiger als die maximale Leistungsfähigkeit und Anzahl von Prozessorkernen ist das für die jeweilige Anwendung passende Preis-Leistungs-Verhältnis einer Hardwareplattform. Für viele Applikationen in der Automatisierungstechnik reichen bereits Rechenleistungen aus, wie sie eine Dual-Thread-(Single-Core) oder Dual-Core-CPU bereitstellt. Ein wesentlicher Schritt einer Hardware-Konsolidierung ist die Integration der Bedienoberfläche in eine einzige Hardwareplattform. Aktuell ist dies der der häufigste Grund zum Umstieg auf ein Dual-Core-System, das eine Trennung der Cores in ein deterministisches (Echtzeit-)System und ein System für die Benutzerschnittstelle ermöglicht . So kann eine Automatisierungsapplikation sogar dann ungestört weiter laufen, wenn sich eine Windows-Applikation mit einem „Bluescreen“ verabschiedet und deren Prozessorkern neu gestartet werden muss.

Im Steuerungs- und Automatisierungsbereich findet sich in der Welt der COM-Express-Module ein breites Angebot an Prozessoren, vom Strom sparenden Single-Core/Dual-Thread Atom-Prozessor mit 600 MHz Taktfrequenz bis hin zum leistungsfähigen Intel-Core-i5 mit 2,5 beziehungsweise 3,1 GHz bei Turbo-Boost. Seit kurzem sind auch die Embedded Prozessoren der G-Serie von AMD verfügbar. Sie schließen in der Welt der x86-Prozessoren die Leistungslücke zwischen den Atom- und Core i3/i5-Prozessoren. Die als Single-Core und Dual-Core verfügbaren CPUs sind mit ihrem integrierten Grafikprozessor besonders für Anwendungen mit hohen Grafikanforderungen geeignet. Durch die ständige Erweiterung der Anzahl von Kernen auf diesen Multi-Core-Systemen ist deren Systemleistung auch zukünftig ohne Grenzen skalierbar.

Autoren: Martin Danzer ist Leiter Forschung und Entwicklung bei congatec in Deggendorf.

Gerd Lammers ist Geschäftsführer bei der Firma Real-Time Systems in Ravensburg.

COM-Express - Die Standard-Plattform

Aktuelle COMs im Compact- und Basic-Format

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Miniaturisierung, immer schnellere Signale und höhere EMV-Anforderungen aktueller Computerbaugruppen steigern den Druck auf die Entwicklungsabteilungen bei Maschinenbauern und Automatisierern. Vieles erscheint mit den vorhandenen Ressourcen und Fertigungsmöglichkeiten kaum mehr realisierbar.

Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist, den technologisch aufwendigsten Teil der Entwicklung rund um den Prozessor als fertiges Computermodul (Computer on Module) einzukaufen. Hauptvorteile des Einsatzes von COM sind Vorintegration und damit kürzere Entwicklungszeiten und höhere Qualität sowie niedrigere Stückkosten aufgrund hoher Stückzahlen durch den Einsatz in verschiedensten Anwendungen.

Der von der Firma congatec mit entwickelte und von der PICMG (PCI Industrial Computer Manu­facturers Group) freigegebene Standard COM-Express ist die Modul-Spezifikation mit den höchsten Stückzahlen. COM Express basiert auf der seriellen PCI-Express-Techno­logie und gilt nach fünf Jahren im Markt als ausgereift. Die äußeren Abmessungen der drei steckerkompatiblen Modul-Varianten betragen 125 mm × 95 mm (Basic), 95 mm × 95 mm (Compact) und 110 mm × 155 mm (Extendend, eher selten verwendet).

Realtime-Hypervisor - Multi-Core unter Kontrolle

Über den Real-Time-Hypervisor können Betriebssysteme direkt auf die ihnen zugeteilten Hardware-Ressourcen zugreifen.

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Ein Hypervisor ist eine hardwarenahe Software, welche die Ressourcen einer Multiprozessor-Plattform verteilt und verwaltet. Mit ihrer Hilfe lassen sich Multi-Core-CPUs wie einzelne, voneinander unabhängige Prozessoren nutzen. Das Besondere am Real-Time Hypervisor ist, dass er über konventionelle Virtualisierungslösungen hinaus neben Standard-Betriebssystemen auch hart echtzeitfähige Betriebssysteme wie VxWorks, QNX, RTOS-32 oder Windows CE verwalten kann. Dabei bleiben die jeweiligen Echtzeit-Eigenschaften der einzelnen Systeme vollständig erhalten. Dazu werden den einzelnen Betriebssystemen ihre jeweils zur Verfügung stehenden Ressourcen exklusiv zugeteilt. Alle Hardwaregeräte werden so konfiguriert, dass die zugehörigen Interrupts ausschließlich den einzelnen Prozessor­kernen und Betriebssystemen zugeordnet sind. Deswegen nimmt das jeweilige Betriebssystem immer nur diejenigen Ressourcen (Cores, Geräte, Interrupts und Speicher) wahr, die ihm explizit zugeteilt wurden. Eine Beeinträchtigung der Betriebs­systeme untereinander oder gar des Real-Time Hypervisors ist ausgeschlossen, spezielle oder modifizierte Gerätetreiber sind nicht erforderlich.

Mit dem Real-Time Hypervisor lässt sich auch die Boot-Reihenfolge frei festlegen. Ebenso können einzelne Prozessorkerne beziehungsweise Betriebssysteme völlig unabhängig von allen anderen in Betrieb genommen, heruntergefahren oder gebootet werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob in dem System mehrere Instanzen des gleichen (Echtzeit-)Betriebssystems oder ein Mix aus verschiedenen Betriebssystemen zum Einsatz kommen. Interessant ist auch die Möglichkeit, einzelne physikalische oder logische Prozessorkerne einem SMP-fähigen Betriebssystem (Symmetric Multiprocessing) zuzuordnen. Dies ist selbst dann möglich, wenn neben dem SMP-fähigen Betriebssystem andere Betriebssysteme aktiv sind. Die Rechenleistung der verbleibenden Prozessoren kann dann vom SMP-fähigen Betriebssystem genutzt werden, was zusätzliche Optionen zur Skalierung, wie etwa Load Balancing, ermöglicht. Die Kommunikation der verschiedenen Betriebssysteme untereinander lässt sich beliebig realisieren, beispielsweise über interne TCP/IP-basierende Netzwerke oder Shared Memory.