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Kommunikation

Ein Chip - viele Protokolle

4. Dezember 2014, 9:32 Uhr | Von Knut Dettmer

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Hardware-Beschleuniger

Der Hardware-Beschleuniger und das Hardware Real-Time OS beruhen auf ARTESSO (Advanced Real-Time Embedded Silicon System Operator), das von Kerneleon Silicon Inc. hergestellt wird. Dieses Hardware-Betriebssystem führt zu wichtigen Verbesserungen: System-Latenz und Jitter fallen geringer aus, wobei eine niedrigere CPU-Last eine effizientere Ausführung von Tasks und anwendungsspezifischen Operationen ermöglicht. Die Interrupt-Latenzzeit wurde so um das bis zu Achtfache und die Kontext-(Task)-Switches um das bis zu Dreifache verkürzt, was gegenüber vergleichbaren Software-gestützten RTOS-Systemen eine Gesamtverbesserung um den Faktor fünf bedeutet. Das System kann daher mehr anwendungsspezifische Tasks bearbeiten oder bei einer geringeren Taktfrequenz arbeiten, wodurch sich die Stromaufnahme senken lässt (Bild 2).

Der Beschleuniger für das Betriebssystem implementiert alle zeitkritischen Betriebssystemfunktionen wie Synchronisierung und Kommunikation, Task-Scheduling und -Status sowie Zeitmanagement und Hardware-Interrupt-Serviceroutinen. Der Hardware-Beschleuniger ist über eine Software-Bibliothek in das Echtzeit-Betriebssystem eingebunden. Der Software-Entwickler muss sich somit nicht mit den Einzelheiten der Hardware-Implementierung beschäftigen. Die Optimierung erfolgt frei Haus, ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand.

Ähnlich wie der Beschleuniger für das Software-Betriebssystem verringert auch der Ethernet-Hardware-Beschleuniger erheblich die CPU-Last für die Verarbeitung der Ethernet-Protokolle und -Frames, wie sie in einer TCP/IP- und UDP-Kommunikation verwendet werden.

Wie in Bild 3 zu sehen ist, verringern die beiden Hardware-Beschleuniger die CPU-Last beim Bearbeiten eines Ethernet-Pakets um bis zu 90 %. Hierdurch wird dramatisch mehr Zeit für Task- und anwendungsspezifische Befehle gewonnen. Alternativ lässt sich der Baustein auch bei einer geringeren Taktgeschwindigkeit betreiben, was zusätzliche Möglichkeiten zur Senkung der Stromaufnahme eröffnet. Überlastzustände lassen sich so komplett vermeiden, da die CPU selbst bei dauerhafter Bearbeitung von 100 Mbit/s-UDP-Daten nur 31 % der Rechenzeit auf die Behandlung von netzwerkspezifischen Befehlen verwenden muss. Fast 70 % der Prozessorleistung stehen demnach immer noch für die eigentlichen Anwendungen zur Verfügung.

Kombiniert man die oben beschriebenen Hardware-Beschleuniger mit dedizierten On-Chip-Protokollen (EtherCAT, CC Link/CC Link-IE), dann ermöglicht der R-IN32M3 ein kompaktes System-Design mit wichtigen Verbesserungen im Bereich der Systemlatenzen (d.h. Reaktionszeiten) und Jitter. Zusammen ergibt dies eine stark verbesserte und stabile Echtzeit-Verarbeitung, die sich besonders für zeitkritische vernetzte Anwendungen eignet. Dabei verbraucht der Core in einem typischen Steuerungssystem weniger als 150 mW. Zugleich eröffnet der Baustein dem Nutzer nach wie vor flexible Designoptionen, um seine Lösung an die Anforderungen der Anwendung anzupassen.