Interview mit Andreas Willig

Kompakte Echtzeitspezialisten

8. Juli 2022, 13:30 Uhr | Tobias Schlichtmeier
TQMxX4XxL series currently comes in six different processor versions
Die TQMx4XxL-Serie gibt es momentan mit sechs verschiedenen Prozessorversionen.
© TQ-Group

Echtzeit wird für Embedded-Applikationen immer wichtiger. Doch was bedeutet Echtzeit und wie finden Entwickler die richtige Basis für ihre Applikation? Andreas Willig, Produktmanager bei der TQ-Group, gibt Antworten.

Herr Willig, wie definieren Sie Echtzeit?

Andreas Willig: Ergebnisse werden zuverlässig in einer maximal vorbestimmten Zeit realisiert. Im Embedded-Bereich reden wir von Millisekunden oder noch kürzeren Zeitspannen.

Welche Trends beeinflussen in Ihren Augen den Markt für Echtzeitsysteme?

Es ist sind die dezentralen und verteilten Steuerungen, die immer mehr an Bedeutung gewinnen – und das in unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie Industrie- oder Gebäudeautomation aber auch für Transportation und Safety. Echtzeitfähige Feldbusse und TSN-fähiges Ethernet sind wichtige Komponenten des Trends. Zudem Security – ohne sie sind vernetzte Lösungen angreifbar.

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Andreas Willig from TQ Group
Andreas Willig, Produktmanager bei der TQ-Group: »Mit Security kann man nicht früh genug beginnen.«
© TQ-Group

Verlangt das nach hoch getakteten und teuren Spezialprozessoren?

Hoher Takt und teuer – das war früher so, heute gibt es günstige Prozessoren mit spezialisierten Cores wie dem Arm Cortex-R5, der in den neuen Sitara-Prozessoren »Am64xx« und »Am243x« von Texas Instruments zum Einsatz kommt. Hiermit ist Echtzeit einfach für Edge-Anwendungen möglich.

Wie macht er das?

Der R5-Core ist eng verzahnt mit einem speziellen Speicherbereich, dem Tightly Coupled Memory (TCM). Hierdurch wird das nicht vorhersagbare Zugriffsverhalten von Caches vermieden und der Programmcode hat in diesem Speicherbereich immer die gleiche Ausführungszeit. Hinzu kommt eine zeitlich deterministische Interrupt-Behandlung direkt in Hardware und unabhängig von der Software.

Reicht nicht auch einfach ein höherer Takt?

Schnell genug bedeutet nicht automatisch ein deterministisches Verhalten. Was aber, wenn es – aus welchem Grund auch immer – mal nicht schnell genug ist? Das Risiko sollte man nicht eingehen. Zudem fängt man sich einen Overhead ein, den man im Embedded-Bereich nicht haben will.

Wie meinen Sie das?

Schneller heißt mehr Aufwand, mehr Leistungsaufnahme, bedeutet mehr Kühlaufwand, höhere Kosten, größere Maße und schwereres Gewicht – also alles, was man im Embedded-Bereich nicht haben will. Dank der Echtzeitspezialisten Sitara AM64xx und AM243x können wir die untereinander Pin-kompatiblen Module der »TQMx4XxL«-Serien herstellen, die gerade einmal 38 mm x 38 mm groß und passiv kühlbar sind. Für die Forderung der Functional Safety ist noch zusätzlich ein isolierter Cortex-M4-Core vorhanden, der dank eigenem Speicher und I/Os unabhängig von den anderen Cores für die nötige Sicherheit sorgt.

Wie sieht es mit echtzeitfähiger Kommunikation aus?

Dank der integrierten Programmable Real Time Units (PRUs) der MCU/CPU bieten die Module flexible industrielle Kommunikationsfähigkeiten an, einschließlich vollständiger Protokoll-Stacks für EtherCAT Slave, Profinet Device, EtherNet-/IP-Adapter und IO-Link-Master. Ergänzt wird das durch die Fähigkeit für Gigabit-Ethernet und TSN-basierte Protokolle. Weiterhin ermöglichen die PRUs zusätzliche Schnittstellenfunktionen im System on Chip, einschließlich Sigma-Delta-Decimation-Filter und Absolutwertgeber-Schnittstellen. Insgesamt unterstützen die Module bis zu vier echtzeitfähige Gigabit-Ethernet-Ports, bis zu zwei normale GbE-Ports, bis zu zwei CAN-FD-Schnittstellen und bis zu neun UARTs. Hinzu kommen noch Timer und Pulsweitenmodulatoren. Auch an allgemeinen Schnittstellen herrscht kein Mangel: USB 2.0, SerDes-Lane, USB 3.1, PCIe mit integriertem PHY, SDIO, I2C, SPI und SD Card sind konfigurierbar.

Bei Vernetzung stellt sich auch immer die Frage nach der Security.

Damit kann man nicht früh genug anfangen. Wer Security zum Schluss noch zu seinem Projekt hinzufügen will, verliert viel Zeit und es enstehen Sicherheitslücken. Am besten man fängt am Beginn der Entwicklung mit der Security an. Aus dem Grund bieten wir zusätzlich zu den in den Prozessoren integrierten Funktionen für unsere Module optional noch ein Secure-Element an, um von Anfang an eine durchgängige Sicherheitskette anzubieten.

Welche kommenden Trends zeichnen sich im Echtzeitumfeld ab?

Mit immer mehr Rechnern am Edge wird das Umfeld heterogener, die Leistungsklassen und Funktionsanforderungen immer unterschiedlicher. Unsere neue TQMx4XxL-Serie gibt es deshalb momentan mit sechs verschiedenen Prozessorversionen, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Uns ist das möglich, weil Prozessorhersteller wie Texas Instruments ihre Serien immer feingranularer auslegen, um kostengünstig unterschiedliche Anforderungen abdecken zu können. Für Hardware-Entwickler bedeutet das allerdings einen wachsenden Aufwand sich auf dem Laufenden zu halten – mit Modulen kann man dieser steigenden Komplexität aber geschickt ein Schnippchen schlagen.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Willig.


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