Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Procesor a FPGA v jediném pouzdru

Společnost Kontron uvedla na trh jednodeskový počítač PCIe/104 MICROSPACE® MSMST, první průmyslový počítač, který využívá nový procesor Intel® Atom E600C. Tento procesor kombinuje v jednom pouzdru jak vlastní procesor, tak programovatelné hradlové pole (FPGA) značky Altera.
 
Nový jednodeskový počítač není jen dal­ší z řady postupně inovovaných produktů, ale představuje zcela nový přístup k návrhu vestavných počítačů s procesory typu x86. Vzhledem k velkému výpočetnímu výkonu, malým rozměrům a malým tepelným ztrátám přestávají platit mnohá omezení, která dříve použití vestavných počítačů limitovala. Pře­devším však vývojář může prostřednictvím FPGA volně programovat funkce zařízení i jeho rozhraní.
 

Otevřenost a pružnost jako „vrozené“ vlastnosti

 
Vrozenými vlastnostmi nových jednodes­kových počítačů Microspace MSMST jsou jejich otevřenost a pružnost. Vstupy a vý­stupy počítače jsou realizovány prostřed­nictvím FPGA, ne jako dříve různými vari­antami hardwaru. To návrhářům umožňuje realizovat softwarově rekonfigurovatelné I/O. Výhody jsou nasnadě: bez specializo­vaného hardwaru má systém nižší výrobní náklady a navíc jej lze upravovat a moder­nizovat pouhým přeprogramováním FPGA namísto nákladné přestavby hardwaru. Vý­vojáři mohou využít už hotová IP jádra FPGA nebo naprogramovat naprosto speci­fické I/O. Co je nejdůležitější, naprogramované rozhraní je k dispozici neomezeně dlouho, bez ohledu na dostupnost speciálních hardwarových komponent. Trh s FPGA je mimořádně stabilní, vedle proce­sorů s architekturou x86 je to jedna z nejsta­bilnějších oblastí, na niž se mohou vývojáři vestavných počítačů spolehnout. Mnohé vý­hodné vlastnosti jsou procesorům x86 a po­lím FPGA společné: multifunkčnost, široká komunita uživatelů a nespočetné úlohy, kte­ré jimi lze vyřešit. Uveďme alespoň několik příkladů.
 

Podpora existujících systémů

 
Životnost průmyslových zaří­zení bývá mnohem delší, než jsou vývojové cykly komponent vý­početní techniky. Výrobci strojů a zařízení proto často stojí před problémem, jak podporovat řídi­cí systémy založené na vestav­ných počítačích, pro které už ne­jsou k dispozici ani čipové sady, ani komponenty pro hardwarově realizované I/O, ať už jde o ISA, RS-232 nebo např. CAN. Proce­sor s FPGA tento problém snad­no vyřeší.
 
Jako příklad lze uvést zařízení se sběrnicí ISA. Tato sběrnice je sice technicky již poněkud zasta­ralá, ale osvědčená a lze ji s výho­dou použít i v mnoha nových zaří­zeních. Jenže moderní procesory tuto sběrnici už nepodporují. Jsou dvě možnosti: opustit ISA a vyvinout novou I/O desku pro sběrnice PCI nebo PCIe, nebo, což je zpravidla technicky snazší a cenově výhodnější, pomocí FPGA vytvořit přechod mezi PCI a ISA. Toto řešení má ještě jednu výhodu navíc: jednoho dne bude i sběrnice PCI zastaralá a nové čipové sady ji nebudou podporovat. To není nijak vzdálená budouc­nost: již nyní nejnovější procesory podporu­jí jen sběrnici PCIe. Ovšem v provozu jsou nesčetné systémy se sběrnicí PCI a nikdo ne­očekává, že by se v dohledné době pro jed­noduché úlohy, kde zcela postačí 32bitový procesor x86 s taktem 66 MHz, začala po­užívat sběrnice PCIe Gen2 nebo gigabitový Ethernet. Vývojáři mají s PCI za dvacet let její existence bohaté zkušenosti, a proto rádi využijí možnost, až nebudou k dispozici čipy s podporou této sběrnice, realizovat potřeb­né rozhraní pomocí FPGA. Tento trend je podporován silnou konzervativností v oboru průmyslové automatizace, která je docela po­chopitelná – velký důraz na spolehlivost s se­bou nese nutnost každé nové řešení nákladně a zdlouhavě testovat. Proč tedy opouštět to, co se osvědčilo a vyhovuje?
 

Podpora systémů na zakázku

 
Pro průmyslovou automatizaci je typic­ké, že se řídicí systémy sestavují na zakáz­ku, podle požadavků zákazníka. Situaci ještě komplikuje množství standardů pro průmys­lové provozní sběrnice a průmyslový Ether­net. Žádný dodavatel automatizačních pro­středků si nemůže dovolit nabízet kompo­nenty s implementací všech možných sběrnic a protokolů. Typickým příkladem jsou operá­torské panely, často postavené právě na prů­myslových počítačích. Jeden uživatel však požaduje komunikaci prostřednictvím CAN, druhý používá Profibus, další LonWorks nebo některou z variant průmyslového Ethernetu. Není to jen věc firemní politiky – každá sběr­nice má své specifické vlastnosti vhodné pro určité úlohy. Vyvíjet pro různé sběrnice různé hardwarové varianty operátorských panelů je nákladné. Řešení pomocí FPGA je mnohem jednodušší: stačí jen použít správné IP jádro pro FPGA. Operátorský terminál však může díky FPGA plnit i další funkce: do FPGA lze naprogramovat např. i funkce programovatel­ného automatu.
 
Bez ohledu na to, o kterou z uvedených úloh jde (lze jich uvést mnohem více, např. realizaci procesoru DSP pro zpracování sig­nálů prostřednictvím FPGA), ve všech přináší použití nového počítače Microspace MSMST také omezení skladových zásob a v dlouho­dobém pohledu omezení celkových nákladů na zařízení.
 

Co obsahuje procesor Atom E600C?

Pole FPGA může mimo jiné plnit funkce čipové sady. Atom E600C tuto funkci plně využívá: samostatný řadič čipové sady SCH (System Controller Hub) nebo jiný klasic­ký jižní můstek čipové sady jsou nahrazeny funkcemi implementovanými v poli FPGA Altera Arria II, jež je integrované ve stejném pouzdru s procesorem. Jádro procesoru je vy­robeno 45nm technologií a jeho energetický provoz je úsporný. K dispozici je 512 kB pa­měti cache L2 a řadiče pro prostorovou gra­fiku, displej, paměť a sběrnice PCI Express. Vestavěný grafický akcelerátor Intel GMA 600 podporuje OpenGL 2.0, OpenGL 2.1 a OpenVG 1.1, stejně jako dekodér video­souborů s vysokým rozlišením s hardwaro­vým akcelerátorem (MPEG4 part 2, H.264, WMV a VC1) a jejich kodér (MPEG4 part 2,H.264). Teoretický tepelný výkon (TDP) je do 3,6 W pro verzi s frekvencí procesoru 1 GHz a pouhých 2,7 W, je-li pracovní frek­vence procesoru 600 MHz. Displej lze při­pojit prostřednictvím LVDS nebo SDVO. Vícevláknové procesy jsou podporovány funkcí Intel Hyperthreading Technology. Využití Intel Virtualization Technology rov­něž dovoluje na jedné hardwarové platformě pracovat v různých softwarových prostře­dích. S podporou procesoru, systému BIOS a potřebného softwaru umožňuje tato funk­ce rozšířit možnosti virtualizace ve srovnání s tradiční, výhradně softwarovou virtualizací.
 

Technické parametry Microspace MSMST v detailu

 
Počítač PCIe/104 Microspace MSMST od společnosti Kontron je vybaven proceso­rem Intel Atom E600C s taktovací frekven­cí až 1,3 GHz a až 2 GB DRAM na desce. Videosignály jsou zpracovávány rozšiřující deskou pro VGA nebo DVI. Volitelně lze sys­tém vybavit výstupem SPDIF a dvěma analo­govými stereovstupy a výstupy, které se vyu­žijí tam, kde je třeba pracovat s audiosigná­lem. Paměťová média mohou být připojena prostřednictvím dvou rozhraní SATA300, dvou USB 2.0 a volitelně gigabitovým roz­hraním LAN. Zákaznicky specifická I/O rozhraní lze realizovat prostřednictvím PCI Express, jež je součástí počítače, nebo pro­střednictvím rozhraní pro mezaninovou kar­tu HSMC. Modul Trusted Platform Modu­le zabezpečuje vysokou úroveň zabezpečení a spolehlivosti tím, že hardwarově zajišťuje šifrování přenášených dat.
 
Rozsah pracovních teplot je –40 až +85 °C, a počítač tedy lze použít i ve venkovním pro­středí, např. v dopravě, energetice nebo vo­jenství.
 

Pomoc vývojářům a výrobcům zařízení

 
S cílem pomoci vývojářům a výrobcům zařízení zřídila společnost Kontron centrum Global Software Design Center, které pod­poruje ty, kdo chtějí převést své úlohy na platformu FPGA. Očekává se, že nová kon­cepce posílí také trend k outsourcování in­ženýrských služeb u zakázkových systémů, jež budou obsahovat procesory x86 s FPGA.
 
Díky spolupráci firem Kontron, Intel a Altera dostávají zákazníci plně validované a verifikované systémy zahrnující proceso­ry, FPGA, jejich IP jádra, řadiče, balíčky pro podporu desek BSP (Board Support Package) a nástroje pro podporu různých operačních systémů (Windows, VxWorks, Linux atd.). Global Software Design Center společnosti Kontron poskytuje jako doplňkovou službu programování FPGA. Navíc Kontron nabízí i kompletní vývoj a výrobu vestavných systé­mů, včetně správy konstrukčních změn, řízení dodavatelského řetězce a testování podle re­gulatorních a oborově specifických požadav­ků (např. ITAR pro vojenství nebo ISO 13485 pro zdravotnickou techniku). Výrobci zaříze­ní se tak mohou soustředit na svůj základní úkol: návrh a vývoj aplikačních programů.
 

Závěrem

 
Závěrem, jaké jsou hlavní přednosti jed­nodeskového počítače Microspace MSMST s procesorem Atom E600C? Zaprvé je to velká flexibilita I/O. Pro výrobce zařízení jsou důležitými přednostmi také zjednodu­šení návrhu aplikačních programů, zkráce­ní doby uvedení na trh a nižší celkové nákla­dy na zařízení.
 
Microspace MSMST umožňuje výrob­cům zařízení vyvíjet systémy s I/O přesně podle zadání dané úlohy a tak, aby splňo­valy oborově specifické požadavky, ať jde o zdravotnickou techniku, automatizaci, do­pravní techniku, energetiku, vojenskou tech­niku nebo komunikační techniku. Validova­ná IP jádra jsou dostupná pro CAN, sériová rozhraní (SPI Master, UART), PCI Express, I2C a GPIO. Nakonfigurovat systém je potom snadné a rychlé. Pro vytvoření požadované­ho rozhraní je třeba jen odpovídající vyso­korychlostní karta HSMC a IP jádro FPGA. Naprogramování jiných rozhraní si může zá­kazník objednat u vývojářů společnosti Kon­tron. Tato flexibilita je umocněna možností využít zkušenosti komunity vývojářů, kteří pracují s x86 a FPGA.
 
Obr. 1. První jednodeskový počítač PCIe/104 s procesorem Intel Atom E600C
Obr. 2. Procesor Intel Atom E600C kombinuje v jednou pouzdru procesor řady Atom E600 a programovatelné hradlové pole FPGA Arria II od firmy Altera