Doradztwo techniczne

Wyzwaniem jest konfiguracja systemu 

Wraz ze wzrostem ilości rdzeni wbudowanych w procesory możliwe jest uzyskanie oszczędności wynikających ze zmniejszenia liczby rozproszonych systemów wbudowanych do jednej, platformy obliczeniowej, która będzie realizować wszystkie zadania. Taka konsolidacja systemu wymaga optymalnego zbalansowania rdzeni obliczeniowych i maszyn wirtualnych. Komputery modułowe w połączeniu z maszynami wirtualnymi mogącymi pracować w czasie rzeczywistym umożliwiają bardzo łatwe równoważenie wydajności.

Świat staje się coraz bardziej i bardziej podłączony do Internetu, w coraz większym stopniu wykorzystuje cyfrowy przepływ danych. Oczekuje się zatem, że systemy wbudowane wykorzystywane w urządzeniach, fabrykach, maszynach, robotach, pociągach, autobusach, samochodach lub maszynach rolniczych będą obsługiwać coraz większą ilość zadań. W rezultacie, zamknięte niegdyś systemy wbudowane zamieniają się w bramy (gateways) oraz centralne punkty komunikacyjne urządzeń w których są zainstalowane (hosty).

W przeszłości ich jedyną rolą było sterowanie określoną aplikacją, obecnie jednak stają się coraz bardziej interaktywne i realizują znacznie więcej zadań. Mogą automatycznie odbierać i przetwarzać wymagane dane i sygnały. Współpracować z ludźmi. Rozpoznawać obiekty wokół nich. Znajdować swoją własną drogę niezależnie. Komunikować, przesyłać raporty i optymalizować się samodzielnie w sposób ciągły – poprzez wcześniejszą symulację na swoich cyfrowych bliźniakach. Mogą otrzymywać aktualizacje funkcjonalności i systemów bezpieczeństwa. Sygnalizować potrzebę wykonania konserwacji. Umożliwiać zdalne załączanie lub wyłączanie funkcjonalności. Monitorować wykorzystanie w ramach Ekonomii Subskrypcji – dokładnie i bezpiecznie, z pełnym zabezpieczeniem przed zmanipulowaniem danych, co jest kluczowym czynnikiem w przypadku rozliczeń bilingowych.

Cała komunikacja również jest analizowana. Ostatecznie użytkownik musi wiedzieć kto lub co ma dostęp i w jaki sposób! Wszelkie anomalie w obszarze komunikacji muszą zostać natychmiastowo zidentyfikowane, a odpowiednie obszary muszą być bezpiecznie zarządzane. Dotyczy to zwłaszcza rozwiązań, w których aplikacje muszą zapewnić bezpieczeństwo i chronić życie lub zdrowie w sytuacjach awaryjnych. Należy zatem za wszelką cenę uniemożliwiać manipulowanie własnością intelektualną. Oczywiście również kradzieży własności intelektualnej. To są główne wyzwania dla producentów OEMowych !

Obecnie najnowocześniejszym rozwiązaniem informatycznym jest implementowanie poszczególnych funkcji w zamkniętych, zabezpieczonych kontenerach umieszczonych nad systemem operacyjnym hosta. Dzięki takiemu rozwiązaniu dostęp do tych funkcji może zostać jasno zdefiniowany. Jednakże w przypadku wielu zastosowań w branżach, w których system czasu rzeczywistego musi działać równolegle z układami komunikacji, które nie do końca działają w czasie rzeczywistym, takie rozwiązanie jest niewystarczające. Systemy te są również coraz częściej łączone w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem Time Sensitive Networking (TSN) lub TSN poprzez 10BaseT1L, nawet do zdecentralizowanego czujnika lub element wykonawczego, co jest idealnym rozwiązaniem pod kątem standaryzacji i bezproblemowej komunikacji.

Rozwiązania sieciowe pracujące w czasie rzeczywistym, oparte o protokół IP, są szczególnie atrakcyjne w przypadku dużych zakładów przemysłowych, zwłaszcza w przypadku przemysłu przetwórczego. Wynika to z faktu, że drugi przewód przeznaczony do transmisji danych IP może być wykorzystany do adresowania urządzeń oddalonych nie tylko o 100 metrów, ale również o wiele kilometrów. W taki sposób

dosłownie wszystko może być połączone ze sobą poprzez IP I komunikować się bez przeszkód w czasie rzeczywistym. Dane z tych urządzeń są wówczas dostępne również dla serwerów brzegowych IIoT i mogą np. zostać udostępnione w odpowiednich kontenerach do analizy dużych zbiorów danych. Ludzie nie chcą już przechowywać wszystkiego w chmurach centralnych. Dziś wiele działań i obliczeń analitycznych jest realizowanych lokalnie. To samo odnosi się do większości wspomnianych wcześniej funkcji pojawiających się wraz z cyfryzacją i rozwiązaniami sieciowymi. Jest tylko jeden wyjątek: Aplikacje wymagające twardego, deterministycznego czasu rzeczywistego, których praca nie może być zakłócana przez inne procesy obliczeniowe, nie mogą być zarządzane z wykorzystaniem tych kontenerów. Wymaga to zastosowania technologii hypervisora pracującego w czasie rzeczywistym – takiej, jak np. hypervisor z firmy Real-Time Systems, którą to firma congatec oferuje jako sprawdzoną i zweryfikowaną ze wszystkimi funkcjonalnościami standardową opcję dostępną we wszystkich odpowiednich komputerach modułowych.

Procesory wielordzeniowe są bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem dla takich instalacji, ponieważ wiele rdzeni umożliwia stworzenie wielu konfiguracji. Teoretycznie, każdy rdzeń może obsługiwać własną maszynę wirtualną, której system operacyjny może uruchamiać się niezależnie od innych rdzeni. Procesory AMD Ryzen Embedded V2000, oferowane np. w komputerach modułowych COM Express Type 6 firmy congatec, oferują możliwość wykorzystania nawet 8 rdzeni, co umożliwia równoległe, niezależne wykorzystanie 16 wątków. Zasadniczo, takie podejście można zastosować również w przypadku systemów dwurdzeniowych. Jeżeli w projektowanym rozwiązaniu zastosowany zostanie komputer modułowy, w przyszłości możliwe będzie skalowanie liczby rdzeni w miarę postępu konsolidacji. Umożliwi to optymalne zbalansowanie systemu wbudowanego poprzez prostą wymianę modułu.

Zestawy do konsolidacji obciążenia pracujące w czasie rzeczywistym (konsolidacja systemu brzegowego)

Aby maksymalnie uprościć programistom rozpoczęcie pracy z wykorzystaniem modularnych serwerów brzegowych, firma congatec nawiązała współpracę z firmami Intel i Real-Time Systems. Owocem tej współpracy jest zestaw rozwojowy umożliwiający tworzenie rozwiązań z zakresu konsolidacji obciążenia. Ten certyfikowany przez firmę Intel, gotowy do produkcji zestaw został zoptymalizowany pod kątem zastosowania w następnej generacji współpracujących robotów wykorzystujących przetwarzanie obrazu i innych systemach sterowania automatyką, jak również pod kątem zastosowania w pojazdach autonomicznych, realizujących równolegle wiele zadań. Zbudowana w oparciu o komputer modułowy COM Express Type 6 z procesorem Intel® Xeon® E2, zawierająca w sobie trzy maszyny wirtualne, gotowa do użycia platforma może ponownie uruchomić aplikację systemową bez żadnego wpływu na aplikację działającą w czasie rzeczywistym, uruchomioną na kolejnej maszynie wirtualnej. Nie ma sposobu aby zrealizować coś podobnego z hypervisorem lub kontenerem działającymi pod kontrolą systemu Windows!

Technologia Time Sensitive Networking (TSN)

Dzięki nowym technologiom 5G oraz sieciom 10+ GbE, które umożliwiają przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym w dotykowych środowiskach internetowych, zestaw został również zaprojektowany do obsługi technologii Time Sensitive Networking. Technologia TSN jest zgodna z wieloma standardami, takimi jak Time Aware Shaping (TAS), wirtualne sieci LAN przez Ethernet (IEEE 802.1q) oraz synchronizacja w czasie rzeczywistym za pomocą protokołu Precision Time Protocol (PTP). Protokół PTP obsługuje synchronizację między węzłami, z czasem określonym przez urządzenie nadrzędne (master). Zegar każdego urządzenia podrzędnego (slave) obsługuje wysoce precyzyjną synchronizację czasu w dwucyfrowym, nano-sekundowym zakresie dokładności, zaś pakiety ze znacznikiem czasu są wysyłane na podstawie tych zegarów. Umożliwia to sieciom PTP synchronizację z taką samą dokładnością.

W przypadku korzystania z interfejsu 1219 Intel Ethernet nie ma potrzeby stosowania żadnego dedykowanego rozwiązania sprzętowego lub dedykowanej aplikacji, ponieważ synchronizacja zegara może zostać w całości zaimplementowana w oparciu o ten standardowy komponent. Zestaw do konsolidacji obciążenia, pracujący w czasie rzeczywistym jest dostępny bezpośrednio w firmie congatec, lub też poprzez kanały sprzedażowe firmy Intel.

Autor*: Zeljko Loncaric – inżynier w Dziale Marketingu firmy congatec