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Prozessorarchitektur für die Zukunft Gateways und Router für IoT und Industrie 4.0

23.10.2018

Bei modernen ARM-Prozessorarchitekturen wie beispielsweise Cortex A7, Cortex A9, Cortex A35 und Cortex A53/A72 ist bereits eine Vielzahl an Funktionalitäten in die CPU integriert. Sie zeichnen sich durch optimale Rechenleistung bei niedriger Verlustleistung aus und können kostengünstig in Systeme integriert werden.

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Im industriellen Zeitalter der Digitalisierung stehen wir vor vielen neuen anspruchsvollen Herausforderungen. Zum einen sind wir immer stärker gefordert Energie einzusparen, zum anderen wird erwartet, dass Daten und Informationen jederzeit und überall zur Verfügung stehen. Um die Visionen von IIoT und Industrie 4.0, im Sinne der geforderten Energieeinsparung umzusetzen, benötigt man sinnvolle Systemkonzepte.

Wichtige Voraussetzungen dafür sind die Lokalisierung und Vernetzung aller Systeme, sowie der Einsatz von energieeffizienten Systemen als auch das Übertragen von notwendigen Informationen anstelle von komplexen und großen Datenmengen. Dabei darf das zu integrierende Sicherheitskonzept nicht vernachlässigt werden, um eine geschützte Übertragung von sicherheitskritischen Informationen zu gewährleisten.

Get ready for IoT

Ein Großteil der heutigen Industrieanlagen und Systeme bieten nicht die Voraussetzung für eine zukunftsorientierte Vernetzung. Bisher wurden oft teure Box PCs oder individuell angefertigte Lösungen unter hohem Kostenaufwand von Grund auf neu entwickelt. Die Hersteller und Betreiber dieser Anlagen suchen daher Gateways, Router und EDGE Server, um ihre Maschinen günstig und effizient fit für IIoT und Industrie 4.0 zu machen. Unternehmen stehen vor vielen Aufgaben, um für die jeweiligen Anforderungen eine Lösung zu finden.

Ein Lösungsansatz sind Embedded-Module und Systemlösungen. Hersteller von ARM-basierenden CPU-Modulen bieten schlüssige System- und Sicherheitskonzepte. Neben den in der CPU integrierten hardwarebasierenden Security-Funktionen gibt es bereits viele Softwarelösungen, um zuverlässige Systeme zu realisieren. Gerade ARM-basierende Embedded-Systeme sind hinsichtlich der Energieeffizienz und der Schnittstellenvielfalt eine ideale Plattform zur Umsetzung von Projekten in Anlehnung an die Anforderungen von IoT und Industrie 4.0.

Weiterentwickelte CPU-Architekturen

Im Bereich der CPU-Herstellung wurden in den letzten Jahren neue Maßstäbe gesetzt. Es galt die Verlustleistung zu reduzieren, Kosten zu sparen und die Rechenleistung zu erhöhen. Durch den Einsatz von neu entwickelten Technologien lassen sich Anforderungen wie Übertragungsgeschwindigkeit und Datendurchsatz bei niedrigen Taktfrequenzen und geringer Verlustleistung bewerkstelligen. ARM-basierende CPUs haben gegenüber den anderen Architekturen die höchste Performance per Chipfläche und sind führend in der Chiptechnologie.

Bei den ARM-basierenden CPUs mehrerer Hersteller ist derzeit eine rasante Weiterentwicklung zu beobachten: In Puncto Leistungsfähigkeit bietet ARM samt den aktuellen Rechenkernen mit 32-Bit-Architektur wie Cortex A7 und Cortex A9, auch Rechenkerne, die auf einer 64–Bit-Architektur aufbauen, wie Cortex A53 oder Cortex A72. Diese können trotz der steigenden Leistungsfähigkeit weiterhin ein sehr gutes Verhältnis zwischen Rechenleistung und Verlustleistung aufweisen. Die Layerscape-Familie von NXP wurde dahingehend entwickelt, um mit wenig Rechenleistung im Bereich der Datenkommunikation und Datenübertragung überdurchschnittliche Ergebnisse zu erzielen.

Diese Architektur ist die optimale Grundlage für die Umsetzung von kleinen Zentralservern (Edge-Server), Routern oder Gateways. Es werden alle erforderlichen Schnittstellen zur Massenspeicheranbindung oder zur schnellen Datenkommunikation bereitgestellt. In Verbindung mit einem Gigabit-Ethernet-Switch stellt der kleinste Cortex-A53-Controller (LS1012A) aus dieser Familie die Basis für eine günstige industrietaugliche Plattform mit zwei bis vier Watt Gesamtleistung.

Cortex Architektur für jede Anforderung

Die größeren verfügbaren CPU-Derivate, basierend auf Cortex A53 und Cortex A72, stellen neben den integrierten Sicherheits-Funktionen, einigen High-Speed-Schnittstellen wie USB 3.0 und PCIe zudem bis zu 2x 10-Gigabit-Ethernet zur Verfügung. Das ermöglicht innovative Systemkonzepte, für die Digitalisierung von High-End-Systemen und zur Verarbeitung von großen Datenmengen. Für einfachere und kleinere Gateways, Datenlogger und Protokollkonverter, auch in Verbindung mit einer Grafikunterstützung, eignet sich die energieeffiziente Cortex-A7-Technologie mit einer umfassenden Schnittstellenunterstützung.

Bei diesen Controllern wurden zahlreiche Schnittstellen wie etwa USB, 2x Ethernet, 2x CAN, UARTs und Grafik in die CPU integriert. Dadurch lassen sich ohne großen Zusatzaufwand kleine und kostengünstige Geräte zur Nachrüstung von Systemen realisieren. Benötigte Funklösungen wie WiFi, Bluetooth, LoRaWan und Mobile Netze können über USB, SDIO oder SPI angebunden werden. An diese Controller können auch direkt ein Vielzahl von Sensoren angebunden werden. So kann flexibel, entsprechend der Anforderungen, die benötigte Funktionalität ausgewählt und angepasst werden.

Bei Gateways und Datenloggern, die mit Sensoren oder Sensorgeräten vernetzt sind, gibt es meist die Anforderung große Datenmengen zu organisieren. Um die Leistungsfähigkeit kleinerer CPU-Architekturen zu gewährleisten, empfiehlt sich der Einsatz einer SQL-Datenbank. Sie ermöglicht es, dass aus den vorhandenen großen Datenmengen lediglich die benötigten Informationen bereitgestellt und übertragen werden. Somit reduzieren sich die zu übertragenden Daten auf ein Minimum. Zudem könne über Datenbanken ein ausreichendes Sicherheitskonzept bei der Vernetzung von Maschinen, Systemen und Geräten und der Übertragung von sicherheitskritischen Informationen abgedeckt werden.

Fazit

Neben der sicheren und robusten Hardware ist ein wesentlicher Bestandteil einer IoT-/Industrie-4.0-Lösung die Software. Für die ARM-CPUs werden auf den Prozessortyp angepasste Betriebssysteme angeboten. In Abhängigkeit der Projektanforderungen kann ein entsprechendes Betriebssystem wie Linux, QNX, VxWorks oder ein Realtime OS von Green Hills oder Bare Metal ausgewählt werden. Zudem gibt es seitens der CPU-Hersteller bereits erprobte Applikationssoftware, die eine Umsetzung von Gateways oder Datenloggern erleichtern.

Dies hat den Vorteil, dass dem Anwender neben einer flexiblen Auswahl eines Betriebssystems auch das Optimum an Applikationsunterstützung zur Verfügung steht. Im Zeitalter der Digitalisierung ist eine rasante Weiterentwicklung zu Beobachten. Um bestehende Industrieanlagen und Systeme netzwerkfähig zu machen, werden energieeffiziente und kostengünstige Lösungen, die nachgerüstet werden können, dringend benötigt. Gerade im Bereich der Embedded-Lösungen stellt die ARM-Architektur mit ihrem auf diesen Bereich ausgerichteten ECO-System eine zuverlässige, robuste und längere Zeit gesehen, gut verfügbare Plattform im Bereich Industrie 4.0 und IoT dar.

Bildergalerie

  • Der Gateway-MBa6ULxL basiert auf dem Cortex A7.

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  • Modulare Plattform TQMa6ULxL auf Basis Cortex A7. (Gateway, Datalogger, HMI)

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  • Das MBLS1012AL - der Aufbau wird im nachfolgendem Schema erläutert.

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  • Modulare Plattform auf Basis des Layerscape TQMLS1012A (Edge-Server, Gateway, Router).

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