Kommunikation TSN-Eval-System mit NXP-CPUs

Anwendungsreife TSN jetzt im Einsatz.

TSN, Time-Sensitive Networking, hat die Anwendungsreife erreicht. Damit Hersteller die Technologie in ihre Lösungen integrieren können, hat Microsys ein Eval-Board entwickelt, das mit konventionellem und TSN-Ethernet bestückt ist.

Die Spezifikation von TSN hat ein stabiles Niveau erreicht, sodass die Technik nun in die Anwendung übergehen kann. Allerdings ist der Zielmarkt, die Automatisierung, von langen Investitions- und Designzyklen geprägt. Es dürfte also noch eine Weile dauern, bis TSN-Produkte auch tatsächlich auf dem Markt ankommen. Außerdem ist die mit dem Maschinenbau und anderen Investitionsgütern verknüpfte Automatisierungsbranche auf extrem zuverlässige Produkte angewiesen. Es sind in diesem Bereich keine Schnellschüsse zu erwarten. Vor jeder Produkteinführung oder sogar einem Technologiewechsel stehen sorgfältige Tests und ausführlich Evaluierungen. Das ist der Zeitraum, in dem Designentscheidungen fallen die Halbleiterhersteller die Weichen stellen müssen.

Verbindung zwischen TSN und Standard-Ethernet

Um Evaluierungen zu unterstützen, hat sich NXP mit MicroSys einen Designpartner gesucht, der ein Baseboard für die TSN-Evaluierung entwickelt hat. Dieses Baseboard kann mit verschiedenen Layerscape-CPU-Modulen bestückt werden. Das Board verfügt über acht 1-Gbit/s-TSN-Schnittstellen für die zuverlässige Datenübertragung in Echtzeit sowie zwei weitere 10-Gbit/s- und fünf 1-Gbit/s-Anschlüsse mit konventionellem Ethernet. Mit dieser Infrastruktur kann das Board zum Beispiel als Gateway zwischen Standard-Ethernet und TSN-Ethernet fungieren.

Die Layerscape-Architektur von NXP verbindet ARM-Kerne mit zahlreichen I/Os. Diese Peripherie haben die Board-Designer von MicroSys auf dem Baseboard umgesetzt: Zweimal USB 3.0, einen SD-Card-Sockel, UART, GPIO, I2C/SPI-Schnittstellen und einen JTAG-Port für das Debugging. Für Erweiterungen befindet sich ein PCI-Express-Anschluss mit vier Lanes auf dem Board. Die Basisboards entsprechen dem System-on-Module-Standard MPX-2 von MicroSys und sind damit für MPX-SoMs mit NXPs QorIQ-CPUs  LS1043A/46A/88A und T1042 ausgelegt.

Das Error Correction RAM Interface der LS10xx-ARM-CPUs ermöglicht auf Systemebene sichere Speicherdesigns. Aus diesem Grund eignen sich die LSxxx-SoCs besonders gut für sicherheitsgerichtete Anwendungsbereiche.
Betriebssystemunterstützung in Form von Board Support Packages gibt es für Linux und das hauseigene Echtzeit-Betriebssystem Microware OS-9. Weitere werden auf Kundenwunsch realisiert. Zusätzlich stehen eine Reihe von Middleware- und Software-Tools zur Verfügung, um spezielle Marktanforderungen zu erfüllen. Das sind beispielsweise Feldbus-Unterstützung für CAN, EtherCAT und Profinet, Embedded-Grafikserver wie Xi¬Base9 und QT oder Soft-SPS-Umgebungen für IEC 61131-3-kompatible Anwendungen.

RJ45-Steckverbinder für alle Fälle

Das TSN-Board fällt auf durch seine zahlreichen RJ45-Steckverbinder. Allerdings ist das Board-Design in dieser Form nur für Evaluierungszwecke gedacht, nicht für den Serieneinsatz. Es sind auch nicht alle RJ45-Interfaces gleichzeitig aktiv – das ist abhängig vom gesteckten CPU-Modul. Ganz links auf dem Board befinden sich die beiden 10-Gbit/s-Ethernet-Anschlüsse. Die acht TSN-Interfaces sind an zwei Vier-Port-Switches angeschlossen. Der Rest sind 1-Gbit/s-Schnittstellen.

Für den Produktiveinsatz würde MicroSys Serienmodelle fertigen, die dem Einsatzzweck angepasst sind. Diese Anpassung kann neben der Steckverbinderkonfiguration z.B. auch die Bestückung mit Bauelementen für raue Umgebungen umfassen. Standardmäßig sind die Systeme für Umgebungstemperaturen von 0 °C bis +70 °C ausgelegt; wahlweise werden sie auch für den erweiterten Temperaturbereich von –40 °C bis +85 °C angeboten. Typische Anwendungen dafür finden sich in der Automatisierung, Medizin-, Automobil- und Bahntechnik, in der Avionik oder im Transportwesen.

In Zukunft alles auf einem Chip

Die eigentliche Zielrichtung von NXP sind SoCs mit integriertem TSN, für die sich aber mit den gegenwärtigen Modulsystemen bereits Software entwickeln lässt. Der erste Baustein dieser Art ist für Mitte 2018 angekündigt und heißt LS1028A. Er enthält zwei 64-Bit-ARM-Cortex-v8-Prozessorkerne, einen integrierten 3D-GPU- und -LCD-Controller, einen Vier-Port-Ethernet-TSN-Switch und zwei separate Ethernet-Controller mit TSN.

Durch die Kombination von Echtzeit-Vernetzung mit einem Grafikprozessor kann das Ein-Chip-System die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine adressieren sowie Anwendungen steuern.