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TSN und echtzeitfähiges Ethernet

Mehr Power für das Edge

13. Mai 2020, 11:44 Uhr   |  von Christian Eder


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Echtzeitsteuerung mit TSN Ethernet

Ein weiteres wichtiges Merkmal des conga-TS370-Boards ist dessen TSN-fähiger Gigabit Ethernet (GbE)-LAN-Controller Intel i219-LM. Er unterstützt nativ das Precision Time Protocol nach dem Standard »IEEE 1588 PTP«. Im PoC der industrietauglichen Anwendungs-Serverplattform von Congatec, Intel und Real-Time Systems bestimmt der i219-LM die Quelle und das Ziel von PTP-Paketen und stimmt sie mithilfe seines integrierten Timers ab. Um Pakete, die für den TSN-Verkehr bestimmt sind, innerhalb eines Übertragungsfensters planen zu können, arbeitet der Controller mit dem Betriebssystem zusammen.

Mit Release 4.20 des Linux-Kernels wurde die Unterstützung für den Time-Aware Priority Shaper (TAPRIO) und Earliest Transmit Time First (ETF) nach  »IEEE 802.1Qbv« hinzugefügt. Die Module ermöglichen es Entwicklern, das System so zu konfigurieren, dass Ethernet-TSN-Pakete unabhängig von ihrer Position in der Übertragungswarteschlange Priorität erhalten.

Hypervisor
© Congatec

Bild 2. Der Hypervisor von Real-Time Systems ermöglicht den multiplen Einsatz von Real-Time- und General-Purpose-Betriebssystemen als virtuelle Maschinen auf einem Mehrkern-X86-Prozessor.

Wiederum bietet der Hypervisor von Real-Time Systems einen privilegierten Modus, der es einem Gastbetriebssystem ermöglicht, innerhalb weniger Mikrosekunden auf Netzwerkressourcen des Systems zuzugreifen. Hiermit ist es möglich, TSN-Pakete in Gast-VMs mit der erforderlichen Priorität und geringstmög­lichen Latenz zu verarbeiten.

Mit dem Einsatz der leistungsfähigen, flexiblen Hypervisor-basierten IIoT-Systeme lassen sich folglich Unternehmensausgaben senken, mögliche Fehlerquellen minimieren und Produktlebenszyklen verlängern – ohne störende Software-Upgrades der Enterprise-Klasse für das Echtzeitsystem.

Sechs-Kern-Xeon-CPU
© Congatec

Bild 3. Congatec hat in Zusammenarbeit mit Intel und Real-Time Systems mehrere Betriebssysteme auf einer Sechs-Kern-Xeon-CPU virtualisiert, darunter eine Echtzeitsteuerung. TSN-Techniken sind für das Betriebssystem, das physikalischen Zugriff auf den Ethernet Controller hat, ebenfalls möglich.

TSN gehört die Zukunft

In der Echtzeitkommunikation kommen – zumindest aktuell noch – verschiedene, zumeist proprietäre, deterministische Übertragungsprotokolle sowie traditionelle Feldbusprotokolle zum Einsatz. Häufig sind dafür teure Komponenten und Treiber nötig. Hinzu kommen Einschränkungen beim Planen und Umsetzen industrieller Real-Time-Plattformen. Oft ist die Auswahl der Hersteller sowie deren entsprechendes Produktportfolio für die hochspezialisierten Übertragungssysteme eingeschränkt.

Mit Ethernet Time Sensitive Networking ist es ab sofort möglich, normalen Netzwerk-Traffic und priorisierten TSN-Traffic über dasselbe Ethernet-Kabel zu übertragen. Zumindest, sofern die beteiligten Netzwerkkomponenten die hierzu erforderlichen IEEE-Standards unterstützen, wie das Precision Time Protocol oder Time Aware Shaping. Ein konsequentes Implementieren der TSN-IEEE-Standards in industrielle Komponenten eines Netzwerks wird entsprechende Auswirkungen auf die Verbreitung der lizenzbehafteten, proprietären Real-Time-Übertragungsprotokolle haben. Zumindest müssen sich die bislang geschlossenen Systeme zunehmend öffnen – hierfür benötigen Sie TSN und die Hypervisor-Technik, um bestehende Ressourcen weiter nutzen zu können.

Der Autor

Christian Eder
© Congatec

Christian Eder ist Director Marketing bei Congatec. Er besitzt einen Abschluss in Elektrotechnik der Fachhochschule Regensburg. Eder verfügt über 30 Jahre Berufserfahrung im Bereich Embedded Computing und ist einer der Gründer von Congatec.

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