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„Echtzeit endet nicht bei Ethernet“

Text: Knut Dettmer, Renesas Electronics Europe Foto: Renesas
Knut Dettmer von Renesas erklärt die Vorteile einer neu entwickelten Engine, die die Hardware-Beschleunigung eines Software-Betriebssystem sowie dezidierte Ethernet-Beschleuniger beinhaltet.

In den letzten Jahren wurde viel Aufwand betrieben, um dem Ethernet Echtzeitfähigkeit abzuringen. So entstanden Standards wie Profinet-IRT, Ethercat, Powerlink oder Sercos. Es wurden Implementierungen entwickelt, die miteinander nicht kompatibel und nur mit dezidierter Hardware umsetzbar sind. Nun lassen sich Zykluszeiten im Mikrosekundenbereich realisieren. Geringe Durchlaufzeiten im System stellen zudem einen möglichst großen Datendurchsatz in größeren Netzwerken sicher.

Was aber passiert, wenn die Prozessdaten an eine CPU zur Weiterverarbeitung geleitet werden? Wie wird sichergestellt, dass auch hier minimale und deterministische Verzögerungen an der jeweiligen Schnittstelle erreicht werden? Im Normalfall wird man den notwendigen Rechenaufwand abschätzen und daraus die Anforderungen an eine CPU festlegen. Echtzeitbetriebssysteme sollen dann den erforderlichen Determinismus sicherstellen. Doch muss man immer zur nächst größeren CPU greifen, wenn die Rechenressourcen den Anforderungen an Latenz und Vorhersagbarkeit nicht genügen?

Analysiert man die Rechenschritte beim Empfangen oder Versenden eines Ethernet-Rahmens, stellt man fest, dass bis zu 90 Prozent nur Overhead-Funktionen sind. Das heißt, die CPU befasst sich nur zu 10 Prozent mit dem Auswerten der Daten. Eine tiefergehende Analyse zeigt, dass sich der Großteil der Overhead-Berechnungen aus ethernet-spezifischen Berechnungen sowie aus Betriebssystemaufrufen zusammensetzt.

Ein möglicher Ansatz die Gesamtleistung zu steigern ist, diese Overhead-Berechnungen in die Hardware zu verlagern. Für die ethernet-spezifischen Berechnungen ist dies noch recht gut vorstellbar, da ähnliche Konzepte bereits in Silizium realisiert sind. Bei den Software-Betriebssystemfunk-tionen fällt das schon schwerer. Eine spürbare Entlastung wird es nur geben, wenn man die Betriebssystemmechanismen umfassend in Hardware abbildet.

Diesen Ansatz hat Renesas implementiert und die Industrial Network (R-IN) Engine entwickelt, die eine Hardware-Beschleunigung für das Software-Betriebssystem sowie dezidierte Ethernet-Beschleuniger beinhaltet. Die ARM-Cortex-M3-CPU mit 100 MHz in der R-IN-Engine ist nun fünf Mal potenter bei der Bearbeitung von Ethernet-Paketen. Um eine ähnliche Leistungsklasse zu erreichen, müsste man schon eine 500MHz-CPU verwenden. Hinzu kommt, dass die Reaktionszeiten wesentlich besser sind als bei einem software-basierten Betriebssystem. Das System ist somit robuster, schneller und stromsparender als Bausteine der gleichen Leistungsklasse.

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