Embedded Hardware Ein Prozessor, viele Möglichkeiten

Die Arm-Architektur bietet Entwicklern von Embedded-Systemen eine hohe Rechenleistung.
Die Arm-Architektur bietet Entwicklern von Embedded-Systemen eine hohe Rechenleistung.

Seid Ihr Entwickler von Embedded-Systemen? Dann hattet Ihr sicherlich schon mit der Arm-Architektur zu tun. Sie bietet eine hohe Rechenleistung im Vergleich zur Verlustleistung. Doch was steckt genau dahinter?

Central Processing Units (CPUs), die auf einer Arm-Architektur basieren, haben gegenüber anderen Rechnerarchitekturen die höchste Leistung pro Chipfläche und finden sich mittlerweile in vielen Mikroprozessoren und Smartphones. Doch bei CPUs verschiedener Hersteller ist derzeit eine Weiterentwicklung zu beobachten: In Puncto Leistungsfähigkeit bietet Arm neben den aktuellen Rechenkernen der 32-bit-Architektur, wie Cortex-A7, auch Kerne, die auf einer 64-bit-Architektur aufbauen, wie Cortex-A53 oder Cortex-A72. Sie besitzen trotz der steigenden Leistungsfähigkeit ein sehr gutes Verhältnis von Rechen- zu Verlustleistung.

Die Arm-basierten Familien »i.MX« und »Layerscape« von NXP wurden beispielsweise entwickelt, um mit wenig Rechenleistung im Bereich der Datenkommunikation und -übertragung überdurchschnittliche Ergebnisse zu erzielen. Von den heute am Markt verfügbaren CPUs werden zudem alle erforderlichen Schnittstellen zum Anbinden von Massenspeichern oder zur schnellen Datenkommunikation bereitgestellt.

Modulare Systeme auf Arm-Basis

Aufgrund der genannten Eigenschaften, ist die Arm-Architektur eine gute Grundlage für Single Board Computer (SBC), Plattformen und Box-PCs. Der Markt wird daher regelrecht mit solchen Produkten überflutet. Viele Entwickler greifen dafür oft aufgrund verlockender Preise auf subventionierte Systeme aus asiatischen Ländern oder Produkte von Billiganbietern zurück. Bei genauerem Hinsehen wird jedoch schnell klar, dass manche Geräte die wichtigsten Anforderungen betreffend der Langzeitverfügbarkeit, der Lebensdauer oder der Robustheit nicht erfüllen. Bei der Auswahl eines Lieferanten oder Herstellers ist besonders darauf zu achten, dass solche Systemeigenschaften beim Entwickeln berücksichtigt wurden, um später böse Überraschungen zu vermeiden. Meist treten Spätfolgen erst nach Jahren auf: Dann ist die Gewährleistungsfrist schon abgelaufen. Firmen können so einen Imageverlust erleiden.

Daher solltet Ihr als Entwickler auf bekannte Hersteller setzen, die eine langjährige Erfahrung mitbringen und die Langzeitverfügbarkeit und die Langlebigkeit des Produkts garantieren können. Eine Möglichkeit für die stetig wachsenden Anforderungen ist, auf modular aufgebaute Systeme zurückzugreifen. Meist basieren sie auf einem Embedded-Modul und einem Basis-Board, das Schnittstellen wie Mini PCIe, M.2 SATA oder M.2 PCIe für Erweiterungsmöglichkeiten bereitstellt. SBCs und Plattformen lassen sich so unkompliziert und individuell mit Funk- oder Speichermodulen erweitern. Ebenso ist ein Gehäusekonzept denkbar: Mit modularen Gehäusen sind Gesamtgeräte, aufbauend auf den vorhandenen Mainboards, umsetzbar. Somit könnt Ihr als Kunde entscheiden, ob Ihr eine Plattform mit oder ohne Gehäuse einsetzen wollt. Hersteller von Arm-basierten CPU-Modulen, bieten oft schlüssige Konzepte für Systeme und Gesamtgeräte. Aufgrund der von der CPU bereitgestellten Systemfunktion und vielen Schnittstellen lassen sich ohne großen Mehraufwand günstige Entwicklungen von Routern, Daten-Loggern oder Gateways durchführen.

Arm im check
Die Arm-Architektur (Advanced RISC Machines) ist eine CPU-Architektur, die auf 32 oder 64 bit basiert. Sie gehört zu den am meisten verbreiteten Mikroprozessoren weltweit. Die Architektur wird unter Lizenz von den CPU-Herstellern für die Fertigung ihrer Prozessoren verwendet. Arm-CPUs sind in Bezug auf die benötigte Chipfläche sehr energieeffizient und leistungsstark. Zudem zeichnet die Prozessoren eine hohe Vielfalt an Schnittstellen aus.

Vernetzung als Chance

Ein Großteil der heute betriebenen Industrieanlagen, Medizinprodukte und Steuerungssysteme bietet nicht die Voraussetzungen zum Vernetzen. Bisher wurden oft teure Box-PCs oder individuell angefertigte Module mit hohen Kosten komplett neu entwickelt. Die Hersteller und Betreiber der Anlagen suchen daher Gateways, Router und Daten-Logger, um ihre Maschinen kostengünstig und energieeffizient gemäß dem Industrie-4.0-Standard nachzurüsten. Unternehmen werden vor viele Aufgaben gestellt, um für die jeweils entsprechenden Anforderungen einen projektspezifischen Ansatz zu finden.

Um der Digitalisierung nachzukommen, ist es wichtig, energieeffizient zu arbeiten, zum anderen müssen Daten und Informationen jederzeit und überall zur Verfügung stehen. Für das Umsetzen des Industrial Internet of Things (IIoT) sind sinnvolle Systemkonzepte nötig. Wichtige Voraussetzungen dafür sind, dass alle Systeme lokalisiert und vernetzt sind und dass energieeffiziente Systeme eingesetzt werden. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass nur die nötigen Informationen übertragen werden, anstelle von komplexen und großen Datenmengen. Ein weiterer, wichtiger Punkt ist ein ausreichendes Sicherheitskonzept beim Vernetzen von Maschinen, Systemen und Geräten und dem Übertragen und Vernetzen von sicherheitskritischen Informationen. Oder wollt Ihr, dass Eure Informationen und Daten durch Hacker, Sicherheitslücken oder unzureichenden Schutz missbraucht und veröffentlicht werden?

Für jede Anwendung eine eigene Plattform

Für einfachere und kleinere Gateways, Datenlogger und Protokollkonverter, in
Verbindung mit einer Grafikunterstützung, eignet sich sehr gut die Cortex-A7-Architektur, da sie nicht nur viele Schnittstellen bietet, sondern auch sehr energieeffizient ist. In die CPU inte­grierte Schnittstellen sind zum Beispiel USB, Ethernet, CAN, UARTs sowie Grafikschnittstellen. Hiermit lassen sich ohne großen Zusatzaufwand kleine und kostengünstige Geräte zum Nachrüsten von Systemen realisieren. Benötigte Funkmodule wie Wi-Fi, Bluetooth, Long Range Wide Area Network (Lo-Ra-WAN) und mobile Netze sind über USB, SDIO oder SPI anbindbar. Außerdem ist es möglich, viele Sensoren direkt an die Controller anzubinden. Über das Realisieren eines modularen Systemkonzepts bleibt so gut wie kein Wunsch mehr offen. Ihr habt die Möglichkeit, flexibel, entsprechend Eurer Anforderungen, die benötigte Funktion auszuwählen. Sollten gewünschte Funktionen noch nicht vorhanden sein, so lassen sie sich auf Basis des modularen Ansatzes verwirklichen (Bild 1).

BegriffErklärung
CANController Area Network
CPUCentral Processing Unit
GPUGraphics Processing Unit
IIoTIndustrial Internet of Things
LoRaWan

Long Range Wide Area Network

PCIePeripheral Component Interconnect Express
M.2Schnittstellenstandard
SATASerial AT Attachment
SBCSingle Board Computer
SDIO

Secure Digital Input Output

SPISerial Peripheral Interface
SQLStructured Query Language
TSNTime Sensitive Networking
UARTUniversal Asynchronous Receiver Transmitter
USBUniversal Serial Bus