Vestavné systémy: charakteristika, vývoj, použití

vestavné řídicí systémy

téma

Vestavné systémy: charakteristika, vývoj, použití Většina výrobků, které nás každodenně obklopují, dnes obsahuje vestavné systémy (embedded systems), mnoho jich lze nalézt v automobilech, v kamerách, fotoaparátech, mobilních telefonech a  hračkách, ale také v jednotkách pro automatické řízení výroby, v  lékařských přístrojích a  v  domácnostech (v pračkách, myčkách, televizorech apod.). Všem těmto výrobkům vestavné systémy poskytují potřebnou inteligenci. Možnosti jejich využití jsou tak rozsáhlé, že nástup vestavných systémů svým významem převyšuje předcházející milníky vývoje informační techniky. Dokument řídicího výboru ESTP (Embedded System Technology Plat­ form) Evropské strategické iniciativy definuje embedded systems (ES) jako kombinaci hardwaru a  softwaru, je­jímž smyslem je řídit externí proces, zařízení nebo systém. Jde v podstatě o desku s procesorem a ostatní elektronikou naprogramovanou pro řízení přístroje, do něhož je zabudována. Vestavné systémy jsou mnohdy navrženy tak, aby byly funkční i bez lidského zásahu a byly schopny reagovat na události probíhající v  reálném čase. Na rozdíl od osobních počítačů nepoužívají pro spojení s okolím myš, klávesnici a  grafické uživatelské rozhraní, ale senzory, aktuátory a  specializované komunikační jednotky pro drátovou i  bezdrátovou komunikaci.

Požadavky na vývoj Vestavné systémy jsou používány v široké škále zařízení pro nejrůznější funkce, což vede k vývoji jednoúčelových řešení a paralelní práci na hardwaru a softwaru. Při jejich návrhu [1] je třeba zohlednit rozměry, hmotnost a cenu výrobku nebo zařízení, jehož jsou součástí. Z těchto důvodů je omezena velikost i výkon vestavných systémů. Často také musí pracovat v  reálném čase. Dalšími omezeními mohou být dostupnost, robustnost a spotřeba energie.

Vzhledem k uvedeným požadavkům je často třeba vyvíjet vestavný software s po­užitím operačních systémů pracujících v reál­ném čase (RTOS) [2]. Pro návrh jsou k dispozici metody a nástroje pro analýzu, specifikaci, návrh, verifikaci a certifikaci pro­vozní spolehlivosti. Ty se uplatní zejména u systémů s vnitřně pro-

Hardware Velký výběr procesorů

Obr. 1. Vestavný řídicí systém se dvěma procesory DSP Freescale 56F805 pro robot hrající fotbal robotů (návrh a  realizace VŠB TUO, katedra měřicí a řídicí techniky)

pojenou sítí s vysokými požadavky na kritické řízení zdrojů, časových limitů a malou spotřebu energie. Vestavné systémy by měly pracovat s bezchybnou interakcí respektující omezení reálného světa. Vestavné (embedded) systémy mají několik specifických vlastností: – kritičnost: stupeň kritičnosti závisí na vlivu odchylek od normálního chování na spolehlivé a bezpečné splnění úkolu, – reaktivnost: vestavné systémy jsou ve stálém spojení s prostředím, v němž jsou umís-

Tab. 1. Významní výrobci procesorů vestavných systémů Výrobce ARM Atmel Analog Devices Freescale Microchip NEC Texas Instruments Toshiba



těny; práce v reálném čase je často do jisté míry omezená, protože zpracování je limitováno rychlostí zpracování, – autonomie: funkce musí být prováděny bez lidského zásahu po dosti dlouhou dobu; autonomie je zejména vyžadovaná tam, kde by lidská reakce byla příliš pomalá nebo nedostatečně předvídatelná (např. systém ABS u automobilu).

Typy procesorů ARM 7, 9, 10, 11 MARC4, 8051, AVR 8, 32, AT 91 Blackfin, SHARK, TigerSHARK, ADSP21xx HC(S) 08, 11, 12, 16, 5xx, 51xx, ARM, MMC2xxx, MAC7xxx, ColdFire, PowerQUICC PIC10, 12, 16, 18, 24F, 24H, dsPIC30, dsPIC33 78KOS, 78KOR, V850, VR 4100, 5500, 7701 TMS370, MSP430, TMS470, C2000 T4X, TLCS870, TLCS900, TX19,39, TX49,99

Z devíti miliard procesorů, které jsou za rok ve světě vyrobeny, jsou pouze 2 % určena pro nové osobní počítače typu PC nebo Mac a  pracovní stanice Unix. Zbývajících 8,8  miliardy pracuje především jako procesory ve vestavných systémech. Existuje široká škála vestavných procesorů: od jednoduchých čtyřbitových, které jsou součástí hrajících pohlednic nebo dětských hraček, přes osmi-, šestnácti- a 32bitové procesory až po výkonné zákaznické 128bitové mikroprocesory, specializované signálové procesory (obr. 1) a síťové procesory. Některé výrobky využívající tyto čipy pracují pouze s krátkým programem napsaným v  asembleru, který je uložen v  paměti ROM, a  nevyžadují žádný operační systém. Mnoho jiných však vyžaduje operační systém reálného času (RT) s vícevláknovými procesy, které jsou naprogramovány v jazyce C nebo Embedded C++. Zatímco v  PC se využívají procesory jen několika výrobců (nejčastěji Intel nebo AMD), počet výrobců procesorů pro vestavné systémy je daleko pestřejší. V tab. 1 jsou uvedeny alespoň ti nejznámější výrobci spolu s typy vyráběných procesorů. Návrháři si mohou z  pestrého výběru snadno zvolit pro svou úlohu procesor s  požadovaným výpočetním výkonem a odběrem energie. Jednotlivé typy procesorů jsou vyráběny v různých variantách a pro spojení s řízeným procesem využívají různé prostředky: rozličné typy A/D a D/A převodníků, číslicových vstupů a výstupů a  různá komunikační rozhraní: RS-232, RS-485, USB, CAN, LIN, Ethernet aj. Vývojáři vestavných systémů často využívají vývojové sady (kity) vybavené vybraným procesorem, na nichž svůj návrh nejprve ověří, a teprve poté navrhnou vlastní desku s procesorem a ostatní elektronikou, která tvoří vestavný řídicí systém pro dané zařízení a vyhovuje i svými rozměry. V některých případech vývojáři využijí již hotové desky různých výrobců.

AUTOMA 10/2007

téma Platformy PC, FPGA a ASIC

gie, které zajišťují např. přenos dat mezi pohybujícími se objekty nebo pohybujícími se částmi stroje. Ve vestavných systémech se používá množství standardů pro bezdrátový přenos dat. Systém GSM se uplatňuje ve vestavných měřicích systémech, kde je třeba přenášet měřená data na velké vzdálenosti. Data jsou přenášena buď v podobě zpráv SMS nebo pomocí GPRS z míst na rozsáhlém území, kde nemusí být standardní zdroj energie.

Samostatnou skupinou jsou vestavné systémy založené na procesorech určených pro PC. Vývoj takových systémů využívá standardní prostředí a  nástroje používané na PC. Tato skupina je často označována jako Embedded PC a úzce s ní souvisí jednodeskové počítače SBC (Single Board Computer). Rozměry desek SBC a  jejich rozhraní jsou standardizované (PC/104, EBX, EPIC a COM Express). Stále větší integrace vede k menším rozměrům desek, např. 3,5" a 2,5". Vedle procesorů známých z PC (x86) lze po­užít i jiné typy, např. MIPS, ARM, X-Scale a PowerPC. Další platformou pro vývoj ve­ stavných systémů jsou obvody FPGA (obr. 2). Na této platformě se navrhne zákaznický obvod, který nahradí standardní procesor a další obvody. Výhodou tohoto návrhu je skutečnost, že vestavný systém je daleko obtížněji kopírovatelný, protože jeho software je odolný proti prolomení kódu. Další výhodou je Obr. 2. Vestavný řídicí systém systému s obvodem FPGA možnost snadného použití kryptografických algoritmů. Mezi přední výrobce Na střední a kratší vzdálenosti se používaobvodů FPGA patří firmy Xilinx, Altera, Latjí metody přenosu vycházející z mezinárodtice Semiconductor, Actel, Atmel, QuickLoních standardů pro lokální a osobní sítě IEEE 802.11 Wireless LAN-Local Area Networks gic, Achronix Semiconductor a MathStar. Nejoblíbenější jsou obvody firmy Xilinx. Obvo(Wi-Fi) a  IEEE 802.15 Wireless PANdy FPGA se nejčastěji používají při návrhu -Personal Area Networks, mezi které patří pro vestavné systémy s  velkým výpočetním IEEE 802.15.1 (Bluetooth) a IEEE 802.15.4 výkonem, protože jejich architektura umož(ZigBee). Všechny jsou určeny pro bezliňuje značný paralelismus výpočtu. cenční pásmo 2,4 GHz. Pro přenos dat na V  současnosti se objevuje nový trend krátkou vzdálenost lze rovněž použít infračervené záření – standard IrDA. Další bezliv  oblasti vestavného hardwaru – návrh ce­ lého vestavného systému na jediném čipu – ASIC. Příkladem může být vestavný systém pro měření tlaku s  korekcí na teplotu v  kolech automobilu, kde je napájení řešeno buď z baterie, která vydrží i deset let provozu, nebo s využitím alternativního zdroje založeného na pohybu kola. Na čipu jsou jednak senzory tlaku a teploty a jednak vysílač pro bezdrátový přenos dat na sběrnici LIN nebo CAN a  dále do centrálního systému řízení automobilu. Takový vestavný systém nabízí mnoho firem, např. Free­scale (na bázi procesoru HCO8RF2 nebo 68HC908RF2 a obvodu MPXY8020A), Atmel (na bázi čipů ATA5756 a 5757), National Semiconductor, Swindon Silicon Systems, Schrader Electronics, Infineon Technologies, GE NovaSensor Obr. 3. Ve vestavěném řídicím systému z obr. 1 (senzor NPX-1), SensoNor (senzor SP12) aj. je červeně vyznačen komunikační modul NorAktivita senzoru v pneumatice je autonomdic nRF2401 (2,4 GHz), umožňující pracovat ní vzhledem k centrálnímu řídicímu systému se 125 komunikačními kanály a využívá akcelerometr pro řízení přepínání cenční pásmo, které se volí u  vestavných režimu probuzení a spánku senzoru pro prodloužení životnosti baterie. systémů, je pásmo ISM (Industrial, Scien­ tific and Medical), v  USA tomu odpovídá pásmo 315 MHz a v Evropě 434 MHz a také Bezdrátová komunikace 2,4  GHz. Zde si mnohdy uživatel s  ohleVýznamnou roli při rozšiřování vestavných dem na úlohu, zejména na rychlost komusystémů rovněž sehrály bezdrátové technolo­ nikace, vytváří vlastní komunikační proto-

AUTOMA 10/2007

kol, např. s komunikačním modulem Nordic nRF2401 (obr. 3). Pro některé vestavné úlohy se pravděpodobně začne používat i nový standard IEEE 802.16 Broadband Wireless Access (WiMAX – Worl­ dwide Interoperability for Microwave Access) a  jeho specifikace IEEE 802.16e., který je určen pro frekvenční pásmo 2 až 11 GHz.

Software Požadavky Software pro vestavné systémy přináší nové schopnosti pro množství hardwarových výrobků, umožňuje např. stanovit fyzikální chování i pro složité nelineární systémy. Princip použití softwaru u vestavných systémů je v mnoha ohledech shodný se softwarem konvenčních počítačů. Hlavní rozdíl je v  tom, že vestavný software vyžaduje mnohem více interakcí se systémovými hardwarovými prvky, přitom však musí vystačit s omezenými prostředky. Značné požadavky jsou kladeny na jeho spolehlivost, a to z těchto důvodů: – systém nelze vzhledem k opravě bezpečně vypnout nebo je pro opravu nepřístupný (systémy ve vesmíru, podmořské kabely, navigační majáky, automobily aj.), – opravny jsou relativně vzdálené a opravy jsou finančně náročnější než výroba nového produktu (sériově vyráběná spotřební elektronika aj.), – systém musí být z bezpečnostních důvodů neustále v  chodu (navigační systémy letadel, řízení jaderných reaktorů, řízení nebezpečných chemických provozů, provoz vlaků, řízení motorů letadel aj.), – zastavení systému způsobí velké finanční ztráty (telefonní ústředny, řízení strojů, řízení výtahů aj.), – systém nemůže běžet v nebezpečném nebo nekorektním stavu (lékařské přístroje, zálohované letecké přístroje, řízení chemických procesů aj.). V poslední době se u vestavných systémů projevil obrovský nárůst výpočetního výkonu díky tomu, že v klíčových technických oblastech nastala tato vylepšení: – CPU a paměť vyhovují použití vyšších programovacích jazyků, – kompilátory a vývojové nástroje jsou kvalitní; buď jsou volně dostupné, nebo se prodávají za nízkou cenu, – paměť je energeticky nezávislá, – je k dispozici kompaktní a laciný hardware s nízkou spotřebou energie, – jsou zlepšeny komunikační možnosti a připojení do sítě [3]. Díky těmto změnám vestavěné zpracování v  mnoha oblastech již nevede k  žádným omezením.

Vývoj softwaru Jakmile je zvolen hardware vestavného systému, je třeba zvolit postup vývoje soft-



vestavné řídicí systémy

téma waru. Mnohdy je software vybírán současně s hardwarem. Při tom je zapotřebí zodpovědět množství otázek: – Je třeba použít operační systém, nebo ne? – Probíhá úloha v reálném čase? – Jak bude uživatelský program spuštěn při zapnutí napájení? – Jak bude uživatelský program zaveden do hardwaru vestavného systému? – Jaké jsou požadavky uživatelského programu na paměť (pro běh programu a zpracovávaná data)? – Jaký bude použit programovací jazyk při vývoji uživatelského programu? – Jak bude odlaďován software vestavného systému? – Vyžaduje uživatelský program systém souborů? – Vyžaduje uživatelský program připojení do sítě? – Je třeba použít externí knihovny nebo ovladače (drivers)? – Jaké sběrnice jsou potřebné pro zajištění všech funkcí hardwaru? Kromě těchto základních otázek, které lze seřadit v  různém pořadí, je možné najít ještě mnoho dalších, na jejichž základě lze zvolit strategii pro vývoj softwaru vestavného systému. Další otázky může také vyvolat diskuse se zákazníkem, který má obvykle množství speciálních požadavků a  často nabízí podněty, které mohou ovlivnit strategii vývoje softwaru.

Vývoj softwaru bez RTOS U  jednoduchých uživatelských programů, které tvoří asi 30  % vestavných systémů, se nepoužívá operační systém reálného

komunikační kanál

různé typy procesorů, např. vývojový nástroj od IAR Systems podporuje vývoj pro procesory 8051, ARM, AVR, MSP430 a další. Pro zavedení strojového kódu do procesoru jsou určena standardizovaná nebo specializovaná rozhraní. Například procesory Freescale využívají rozhraní SDI a konektor BDM na vývojové desce. V  poslední době používá mnoho vývojových týmů vyšší vývojové nástroje, které přímo generují kód ve vyšším jazyku, jako

Tab. 2. Vývojová prostředí pro některé typy procesorů Procesor Freescale Microchip Analog Devices Atmel

Vývojové prostředí CodeWarrior (pro kratší kód zdarma) CCS PIC a další Visual DSP, EZ-Kit Lite a další LITE SUITE RKitL51, Crossware‘s 8051 Development Suite aj.

je jazyk C. Tím se zrychlí vývoj softwaru (Rapid Prototyping) a usnadní dokumentace projektu softwaru. Mezi tyto nástroje patří RT UML (Rhapsody od firmy I-Logix nebo Embedded Rational Rose od firmy IBM) nebo embedded UML. Tyto nástroje umožňují grafický návrh různých diagramů popisující úlohu a generují dokumentaci. Takto může být využíváno programovací prostředí Matlab se systémem Simulink, kde návrh řízení v Simulinku je možné vygenerovat do jazyka C a dále přes vývojové nástroje procesorů (např. CodeWarrior) do strojového kódu. Vývoj softwaru pro vestavné systémy na bázi FPGA a na čipu je odlišný od standardního vývoje vestavného softwaru. Zde se využívá především jazyk VHDL nebo integrované nástroje pro obvody FPGA, které poskytují jejich výrobci, popř. vývojový software pro čipy, které dodávají firmy, jako jsou Cadance, Mentor Graphics aj. Pro menší úlohy může vývojář vytvořit řídicí program v  prostředí Matlab a zavést jej až do obvodu FPGA.

Vývoj softwaru s RTOS ladicí program

ladicí agent

exe soubor

Obr. 4. Znázornění křížového ladění a vývoje

času (RTOS). V tomto případě začíná vývoj vestavného softwaru tím, že výrobci nebo specializované softwarové firmy poskytnou vývojářům kvalitní vývojové nástroje pro příslušný typ procesoru (tab. 2). Vývojové nástroje umožňují: – vývoj softwaru ve vyšším programovacím jazyce, nejčastěji v C, Embedded C++ a Java (v USA se ještě používá ADA), – generování strojového kódu pro daný procesor, – odladění strojového kódu, popř. doplnění úseky kódu v assembleru, – zavedení strojového kódu do procesoru. Některá vývojová prostředí lze použít i pro



– nadstavby pro operační systémy typu Windows: INtime, iRMX nebo RTX. Zvláštní skupinu tvoří vestavné operační systémy, které nepodporují kritické úlohy reálného času, např. Palm OS, Pocket PC, Windows CE 3.0 až 6.0, Windows CE .NET, Windows XP Embedded aj. Podrobný rozbor RTOS pro vestavné systémy překračuje rozsah tohoto článku [4]. Uvedené typy RTOS jsou velmi flexibilní a vyznačují se dobrou kompatibilitou pro

Především u složitějších vestavných systémů (přibližně v 70 % případů) je třeba použít operační systém reálného času. Vývoj vestavného softwaru je pak trochu složitější. Vývojář si musí z rozsáhlé nabídky RTOS pečlivě zvolit vhodný operační systém pro dané použití. Mezi nejdůležitější kritéria patří požadavek na podporu časově kritických systémů (hard real-time), zejména u procesů běžících v reálném čase. K dispozici je několik typů operačních systémů splňujících tento požadavek: – RTOS pro obecné úlohy v reálném čase: VxWorks, QNX, RT Linux aj., – specializované RTOS: CMX RTOS, DeltaOS, eCos, embOS, FreeRTOS, Fusion Embedded, Nimble, OSEK/VDX (pro automobilový průmysl), Salvo, ThreadX, TinyOS aj., – RTOS, které využívají procesory běžné pro PC: eRTOS, Phar Lap ETS nebo On Time RTOS-32,

různé hardwarové platformy a snadnou rozšiřitelností. K operačnímu systému je většinou k dispozici vývojové prostředí pro vývoj uživatelských programů (aplikací) na osobních počítačích, v prostředí operačních systémů Windows nebo Linux. Vývojové prostředí zpravidla zahrnuje komplexní sadu křížových vývojových nástrojů a další vybavení včetně komunikačních nástrojů pro spojení vývojového hostitelského systému na osobním počítači s cílovým vestavným systémem s určitým procesorem [4]. V zásadě existují dvě základní možnosti vývoje a ladění uživatelských programů: – ve vlastním prostředí (self-hosted) – vývoj přímo na cílovém systému; počítač musí mít dostatečné množství prostředků a  odpovídající výkon; běžně se využívá u vestavných PC, – křížový vývoj (cross-development) – vývoj na hostitelském systému, neboť cílový systém má omezené zdroje znesnadňující či znemožňující přímý vývoj uživatelských programů. Ladění uživatelských programů při křížovém vývoji je znázorněno na obr. 4. Ladicí program běží na hostitelském systému a laděný software na cílovém systému. Hostitelský a cílový systém musí být vzájemně propojeny komunikačním kanálem. Ladicí agent může být na úrovni procesu. Při výskytu bodu přerušení (breakpoint) převezme ladicí agent řízení procesu a zastaví všechna jeho vlákna. Ostatní procesy pokračují v běhu a přerušení jsou povolena. V tomto stavu je možné zjistit stav libovolného vlákna pozastaveného procesu. Lze také vybrat vlákna, která zůstanou zastavená, a pokračovat dále. V  závislosti na podobě komunikačního kanálu může ladicí program realizovat spojení nejčastěji přes standardní sériová rozhraní RS-232C, USB nebo Ethernet či přes speciální rozhraní na vývojových deskách cílových systémů, jako je rozhraní SDI s konektorem BDM pro procesory Freescale. Jedním z nejmarkantnějších rozdílů při práci s vestavnými systémy nebo jednodeskový-

AUTOMA 10/2007

téma mi počítači a klasickými počítači PC je instalace operačního systému. Například na desce cílového počítače je paměť flash, do které je nutné celý operační systém a vyvíjené uživatelské programy zavést z hostitelského systému. Cílová paměť může být i odlišného typu. Základní operací je načíst do paměti flash zavaděč cílového systému; to se nejčastěji dělá pomocí rozhraní JTAG nebo I2C, popř. i jiných. Pro vlastní zavedení obrazu operačního sytému vytvořeného na hostitelském počítači do paměti flash cílového systému se většinou využije některé standardní sériové rozhraní, nejčastěji Ethernet.

Podpora EU ve vývoji vestavných systémů Vestavné systémy jsou v  současné době velmi rychle rostoucím odvětvím. Evropa má

přitom v této oblasti významné postavení, které přímo přispívá k vedoucí pozici kontinentu v  hlavních sektorech průmyslu, jakými jsou automobilový průmysl, letecká elektronika, telekomunikace, spotřební elektronika, řízení procesů, železniční doprava, energetika aj. Dva evropské projekty zajišťují podporu firmám, které se vývojem vestavných systémů zabývají; jsou to projekty Emtech a Artemis. Cílem evropského projektu Emtech je pomoc malým a středním firmám, které vyvíjejí nebo používají vestavné systémy. Projekt umožňuje orientovat se v evropských strukturách vývoje a výzkumu a získat aktuální informace o nových směrech a výsledcích výzkumu v  oblasti vestavných systémů. Zajišťuje také přípravu na možnost přímé účasti na evropských výzkumných projektech. V příštích letech bude mít značný vliv na vývoj ve zmíněné oblasti platforma Artemis

(www.cordis.lu/ist/artemis), kterou založili nejdůležitější účastníci na trhu ES jak z oblasti průmyslu, tak i výzkumu. Literatura: [1] QING, Li: Real-Time Concepts for Embedded Systems. CMP Books, 2003. [2] SROVNAL, V.: Operační systémy pro řízení v reálném čase. VŠB – Technická univerzita, Ostrava, 2003. [3] SRIDHAR, T.: Designing Embedded Commu­ nications Software. CMP Books, 2003. [4] SROVNAL, V.: Přehled operačních systémů reálného času. AT&P Journal, October 2005, Volume 12, Issue 10-12, pp. 51–53, pp. 64–65, pp. 56, ISSN 1335-2237.

prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc., VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, katedra měřicí a řídicí techniky

Dvoujádrové procesory − plnou parou vpřed Řešení mnoha úloh v  průmyslové automatizaci si již nelze představit bez průmyslových počítačů, které řídí stroje, zpracovatelské procesy nebo výrobní logistiku, spojují jednotlivé části výrobních systémů a jsou nástrojem pro spolehlivý a výkonný sběr dat a  jejich zpracování. Narůstající požadavky na výpočetní výkon, schopnosti komunikace, vizuali­zaci a  flexibilitu zařízení vedou k potřebě výkonných počítačových systémů, které ovšem pro použití v průmyslových podmínkách musí zůstat s  pasivním chlazením a musí být co nejmenší a nejkompaktnější.

Dvě jádra pro multitasking

ších procesorů, které jsou momentálně na trhu k dispozici. Výhody dvoujádrových procesorů vyniknou také v multitaskingovém prostředí, kdy několik uživatelských podprogramů simultánně vykonává různé úlohy. Vyžadovala-li před příchodem dvoujádrových procesorů jedna úloha 100 % výkonu výpočetního jádra, musela druhá úloha čekat. U dvoujádrových procesorů mohou obě úlohy běžet současně, každá na svém jádru.

Kompaktní průmyslová PC s nejvýkonnějšími procesory

Společnost Kontron Modular Computers Procesory Intel Pentium M dobyly svět (Kaufbeuren, SRN; dále jen Kontron) využíprůmyslových PC již dávno a nyní si své mísvá u svých průmyslových PC ThinkIO-Duo (obr. 1), určených pro montáž na standardto zde hledají i nové, dvoujádrové procesory. Tyto procesory, v angličtině označované dual-core, mají na jednom čipu dvě kompletní výpočetní jádra, pracující ve stejném taktu. Hlavní předností těchto procesorů je skokový nárůst výpočetní kapacity, který ovšem není vykoupen růstem spotřeby procesoru. Dvoujádrové procesory od firmy Intel využívají všechny funkce šetřící energii, které jsou k dispozici u jednojádrových procesorů, tedy např. dynamické přizpůsobení taktu procesoru a úrovně napájení. Obr. 1. Průmyslový počítač ThinkIO-Duo Ty části procesoru, které právě nejsou třeba, mohou být pro úsporu energie vypnuní 35mm lištu DIN, právě tyto nejmodernější dvoujádrové procesory. Dvoujádrový proty. (Pro použití v reálném čase ovšem musí být takt paměti procesoru fixní.) Dvoujádrocesor je zde základem velmi kompaktního vé procesory navíc využívají novou mikropočítače (jeho zástavbová hloubka je 70 mm) architekturu výpočetního jádra, která sama s pasivním chlazením. Modulární ThinkIO-Duo je vybaven procesorem Intel® Core™ o sobě přináší snížení spotřeby, takže dvoujádrové procesory jsou jedny z nejúspornějDuo U2500 s  taktem 2× 1,2 GHz a  pamětí

AUTOMA 10/2007

RAM 512 MB nebo 1 GB. Jako pasivní chladič se využívá hliníkový kryt přístroje. Interní paměť flash může být 512 MB až 2 GB. Využít lze též externí paměť compact-flash, jež může sloužit pro ukládání dat nebo pro zálohování, popř. aktualizaci dat, parametrů a  programů. K  dispozici je dále 512 kB paměti nezávislé na napájení a všechna běžná počítačová rozhraní: dvě USB 2.0, RS-232, DVI-I. Tři zásuvky pro LAN lze využít např. pro připojení kamer nebo směrovače (route­ ru) WLAN. Uživatel zde může implementovat též „softwarovou“ provozní sběrnici založenou na Ethernetu. Tato rozhraní lze využít i pro dálkový dohled a servis nebo pro připojení na informační systém podniku. Je možné realizovat i  redundantní ethernetové komunikační brány. Vestavěné vstupy, které mohou vybavit přerušení běhu procesoru, lze použít pro velmi rychlou reakci na závažné vnější události, např. poruchu 24V napájecího zdroje nebo aktivaci limitního spínače. Výčet funkcí počítače doplňují monitorovací funkce watchdog a  hodiny reálného času. ThinkIO-Duo nepotřebuje ke své činnosti baterie. To znamená, že jeho provoz je v podstatě bezúdržbový; to snižuje jeho celkové provozní náklady. Zařízení srovnatelná výkonem a rozsahem funkcí obvykle pracují s bateriemi, které je nutné každé tři roky měnit. Protože se počítá s tím, že PC určená k  montáži na lištu DIN mohou pracovat v podmínkách, kde se vyskytují mechanické vibrace a  rázy, nejsou v  počítači ThinkIO-Duo žádné pohyblivé části: ani větrák, ani klasický pevný disk, ani rotační paměťová média. Využívá se pouze pevně připájená hlavní paměť RAM a přídavná paměť flash.



vestavné řídicí systémy

téma Počítače ThinkIO lze snadno kombinovat s Wago-I/O System 750/753. Stejně je tomu i u ThinkIO-Duo: jeho mechanické propojení s Wago-I/O System je snadné a softwarová kompatibilita stoprocentní. Uvedená kombinace produktů Wago a Kontron poskytuje konstruktérům velkou volnost při navrhování konfigurace vstupů a výstupů. I/O moduly jsou okamžitě po připojení k systému automaticky detekovány, což usnadňuje oživení, rekonfigurace a servis systému.

Windows XP Embedded a Linux OSADL Flexibilita hardwaru je doplněna rovněž flexibilním softwarovým vybavením. Kontron nabízí pro ThinkIO-Duo vedle Windows XP Embedded také Linux OSADL. V  současné době jsou distribuce Linuxu určené pro vestavné počítače a  schopné práce v  reálném čase dobrou alternativou k jiným operačním systémům, zvláště u proprietárních úloh. Krokem směrem ke standardizaci Linuxu a jeho širšímu přijetí bylo v roce 2006 vytvoření OSADL, Open Source Automation Development Lab, jejímž členem je i Kontron. Principy čin­ nosti OSADL jsou obdobné prin­cipům amerického sdružení OSDL, jehož členové používají Linux především pro ser­verové úlohy, telekomunikace a  mobilní komunikace. Členy OSADL jsou firmy působící v  průmyslové automatizaci. Cílem sdru­žení je podporovat programátory, vytvářet komunitu odbor­níků používajících Linux v automatizaci, za­kládat pracovní skupiny, testovat programy a starat se o jejich certifikaci. To vše by mělo zaručit vzájemnou kompatibilitu produktů založených na Linuxu od různých dodavatelů. Svým členům OSADL přináší úsporu nákladů na vývoj programů a ovladačů pro různé typy hardwaru. Otevřená softwarová architektura a přístupnost zdrojových programů zjednodušují přizpůsobení produktů, jejich změny a modernizaci. Vý­sledkem je ochrana investic vložených do hardwaru i softwaru a bezpečnost provozu úloh. Dodávané distribuci Linuxu je vlastní schopnost řízení v reálném čase, nejsou třeba žádné separátní doplňky, které by tuto vlastnost zajišťovaly.

Téměř dvojnásobný výkon

krátké zprávy

Dvoujádrové procesory v kombinaci s ope­ račními systémy Windows XP Embedded

Automaty Simatic v cementárně v Irsku Největší výrobce cementu v Irsku, Irish Ce­ ment Limited, zmodernizoval cementárnu Platin u města Drogheda. Řízení dodává společnost Siemens Industrial Solutions and Services. V první fázi jde o výstavbu nové vypalovací pece 3 s návaznou technologickou lin-



nebo Linux umožňují realizovat symetrický multiprocesing (SMP). Princip spočívá v tom, že operační systém nezávisle alokuje potřebnou výpočetní kapacitu oběma jádrům procesoru. Měřením rozdílů mezi procesory Pentium M 2,1 GHz a Core Duo 2,16 GHz byly zjištěny tyto nárůsty výkonu: – výpočty v plovoucí řádové čárce: +96,5 %, – výpočty s celými čísly (integer): +89,3 %, – klasifikace v 3D: +100 %. Je zřejmé, že procesor Intel Core Duo dosahuje téměř dvojnásobného výkonu jednojádrového procesoru o  stejné taktovací frekvenci. Jinak řečeno, procesor Intel Core Duo U2500 2 × 1,2 GHz je výkonově srovnatelný s procesorem Intel Pentium M 2,4 GHz, přičemž jeho spotřeba je mnohem menší. Při použití vhodného softwaru je možné realizovat i  asymetrický multiprocesing (AMP). V tomto případě každé jádro vykonává jemu určenou úlohu. Jako příklad lze uvést úlohu, kde jedno jádro řídí zařízení a  druhé je využíváno pro vizualizaci, nebo jedno jádro vykonává řídicí algoritmy a druhé funguje jako firewall. Výhodou je, že pro řízení je vždy k dispozici celá kapacita určeného jádra, což zlepšuje chování v reálném čase. Navíc je celý systém stabilnější. AMP v podstatě umožňuje nahradit dvě oddělená průmyslová PC jediným, což redukuje náklady na zařízení, nejen na jeho zakoupení, ale i na vývoj aplikací, provoz a údržbu.

Dlouhodobá dostupnost Pro použití v  průmyslové automatizaci je velmi důležité, že procesor Intel použitý v  ThinkIO-Duo má dlouhodobou dostupnost. Výrobci strojů a  průmyslových zařízení nejsou nadšeni myšlenkou, že by měli každý rok adaptovat řídicí systémy na nové výpočetní prostředky prostě proto, že starší verze s původní specifikací už není k dispozici. To by neúměrně zvyšovalo náklady na vývoj. V  průmyslovém sektoru je dlouhodobá dostupnost zařízení stále důležitějším obchodním argumentem.

Dvoujádrové procesory a Intel VT Intel VT (Virtualization Technology) je metoda správy hardwaru, která umožňuje na jednom procesoru současně provozovat několik operačních systémů. Bez virtualikou. Siemens pro ni dodá programovatelné automaty Simatic S7 416-2, provozní přístroje a komunikační systém, včetně serveru, operátorských terminálů, vizualizace a inženýrských stanic. Dodávka zahrnuje i systém MIS (Management Information System). Výstavba má být dokončena v létě 2008. Bezprostředně bude navazovat modernizace již existující vypalovací pece 2, kde budou automaty Simatic S5 nahrazeny jejich verzí

zace je možné na jeden počítač nainstalovat několik operačních systémů, ale při spouštění − bootování – si musí uživatel vybrat jen jeden z  nich. Virtualizace je „hlubší“ obdobou multitaskingu: na jediném počítači může současně běžet několik operačních systémů a nad každým z nich různé uživatelské programy. Virtualizace je standardní metoda u všech nových procesorů Intel, dvoujádrové nevyjímaje. Podstatou je software, který dokáže v daném hardwaru izolovat operační systémy a jejich uživatelské programy. Každý operační systém se svými uživatelskými programy tvoří virtuální stroj (VM, Virtual Machine) a běží v nezávislém systémovém segmentu − parti­ tion. Software pro virtualizaci vlastně dohlíží na virtuální stroje (VMM, Virtual Machine Monitor) a spravuje požadavky a procesy operačních systémů. Systémové segmenty mohou být přidělovány podle potřeby, dokonce během vykonávání uživatelských programů. S využitím Intel VT lze na jediném počítači dokonale oddělit např. řídicí úlohy, firewally a datové servery. Díky virtua­lizaci je celý systém stabilnější než u jiných řešení, kde mohou nastávat kolize současně běžících procesů.

Oblasti použití Počítače s  dvoujádrovými procesory najdou v průmyslové automatizaci uplatnění při řešení velmi náročných úloh v mnoha oblastech, např. u balicích linek, tiskařských strojů, textilních strojů nebo v robotice; krátce všude, kde jsou třeba výkonné, pružné a spolehlivé počítačové systémy. Velmi zajímavá pro uživatele může být možnost v jednom systému odděleně provozovat řídicí úlohy a vizua­ lizaci, nebo řídicí úlohy a  webový server. V  podobě ThinkIO-Duo dává Kontron především výrobcům strojů a  zařízení (OEM) možnost zkrátit dobu uvedení výrobků na trh. Zákazníci společnosti Kontron se mohou soustředit na to, v čem jsou skutečně odborníci, tj. na tvorbu uživatelských programů a inženýrskou práci. Nezanedbatelnou výhodou je také to, že ThinkIO-Duo je spolehlivé, téměř bezúdržbové zařízení, což snižuje celkové náklady na zařízení. Mario Anich, Kontron Modular Computers, Kaufbeuren (SRN) S7. Současně bude aktualizován software verze PCS7. Pozoruhodné je, že modernizace se uskuteční bez zastavení provozu vypalovací linky. Po dokončení této akce budou obě vypalovací linky vybaveny řídicím systémem Simatic PCS7 V7. Použit bude i  program Cemat, navržený společností Siemens speciálně pro cementářský průmysl. (Bk)

AUTOMA 10/2007