Skip to main content

利用明確硬體分區令即時成為現實

著雲技術和物聯網 (IoT) 的發展,工業 4.0 正大步走來。透過將工廠機器和運營連接到雲端,公司可以實現更高效機器載入、流程優化和預防性維護需要的中央控制功能與分析。

要幫助工廠實現此轉變,工業機械製造商需要能夠使用熟悉的工具和解決方案幫助其縮短上市時間。例如,他們需要繼續使用 Microsoft Windows* 作為企業控制功能和人機界面 (HMI) 的標準平台。但與此同時,這些物聯網解決方案還必須支持即時控制功能。

修改 Windows 或新增管理程式的額外開銷是一種實現需要的非即時與即時功能共存的方法。本文研究另一種方法。我們考慮 TenAsys 的 INtime* for Windows 軟體如何分區物聯網閘道上執行的應用程式,而不影響性能或導致即時與非即時工作之間的衝突。我們介紹 Intel® IoT Gateway Technology 和 Intel® 處理器的功能如何有助於該解決方案的性能、安全和可管理性功能。我們說明這些用於 HMI 介面的閘道的重要優勢。最後,我們討論此方法如何透過設計縮放性允許機械製造商發揮未來處理器和軟體增強的優勢。

打造智慧工廠

現在的工業自動化媒體將物聯網閘道的價值宣傳為下一次工業革命(即工業 4.0)的智慧工廠的構建塊。這些閘道將傳統和新工廠設備連接到 Internet,支援一系列供機械通訊的介面(圖 1)。最基本的設計提供安全和可管理性功能,以及處理功能。


21

Figure 1: 基於 Intel® IoT Gateway Technology 的閘道將 傳統和新工廠設備連接到 Internet。

它們還可以做到更多。Intel® 處理器的縮放性實現可同時處理 Internet 流量、執行標準 Windows 應用程式和 HMI 並控制機械操作的強大閘道設計。透過將這些工作整合在車間的一個平台上,機械製造商可以說明工廠降低系統硬體和軟體成本。此外,此類整合可以透過減少需要電力與維護的裝置數量,降低總體擁有成本 (TCO)。

整合需要閘道能夠同時執行 Microsoft Windows 作業系統 (OS) 和支援確定性即時控制應用的即時操作系統 (RTOS)。組合這些作業系統需要嵌入式虛擬化分區平台硬體資源,以保持即時與非即時環境的分離。

提起虛擬化,人們通常會想到管理程式或虛擬機器監視器 (VMM)。但這種虛擬化將來賓作業系統限制為主機管理程式或 VMM 提供的服務,並影響確定性和適應性。

明確硬體分區

透過“明確硬體分區”實施的嵌入式虛擬化帶來更好的解決方案。它將處理器和硬體資源專門用於不同任務。例如,明確硬體分區利用專為分區系統設計的底層服務實現 Windows 系統上的硬體分區,這樣即時任務執行在 RTOS 上,Windows 應用程式執行在 Windows 上(圖 2)。


22

Figure 2: 明確硬體分區解決方案,如 TenAsys INtime* for Windows 將系統磁碟分割,這樣即時任務執行在 RTOS 上,Windows 應用程式執行在 Windows 上。

和僅依賴帶管理程式的虛擬機器的解決方案不同,明確硬體分區避免影響任一作業系統的性能。作業系統、驅動程式和軟體的工作不中斷,這樣始終實現最高性能。此外,由於 Windows 在此實施中本機執行,不違反 Microsoft Windows 軟體許可證。

明確硬體分區實現一個不對稱系統,Windows 主機系統可以執行根據特定功能各自定制的不同作業系統。例如,在用於控制工廠機械的嵌入式系統中,一個或多個處理核可以執行 RTOS 及其應用程式和 I/O 操作,而其他處理器執行 Windows 及其應用程式和 I/O 操作。

即時明確硬體分區解決方案

基於不對稱式多處理的明確硬體分區最早由 TenAsys* Corporation 於 1997 年推出,是現在市場上最久經考驗的解決方案。TenAsys INtime for Windows RTOS 在數百萬小時無故障執行的數百個應用中得到現場證明。它適合與為 Intel IoT Gateway Technology 指定的處理器一起工作,如 Intel® Core 處理器和 Intel® Atom 處理器產品系列的多核成員。

對於工業流程,INtime* for Windows 的全功能 RTOS 內核支援 256 個優先順序和每一級內的輪詢調度。RTOS 包含進程間通訊和同步機制的完整補充,支持要求最嚴苛的嵌入式應用的高端即時需求。

為允許即時和 Windows 應用程式在分配的處理器核上本機執行,INtime for Windows 分區系統借助標準 Windows 應用程式設計發展介面 (API)。INtime for Windows RTOS 和 Windows 作業系統各自獲得其所需處理器 I/O 和信號的獨佔存取 (圖 3)。INtime for Windows 上執行的即時進程不受 Windows 任務或虛擬記憶體機制約束。此外,開發人員可以存取標準 Windows 功能和現成應用程式,而不影響工業應用要求的即時控制。這些控制應用以可靠可預測結果對即時進程執行完整控制,同時實現毫秒級回應時間。


23

Figure 3: TenAsys 的明確分區解決方案為 INtime* RTOS 和 Microsoft Windows* 作業系統 提供其所需處理器 I/O 和信號的獨佔存取。

對於物聯網閘道,除了工業控制和基於 Windows 的 HMI 功能外,Internet 介面及其關聯安全軟體是系統必須處理的另外兩個計算工作負荷。分區任一側的應用透過內建虛擬 Ethernet 介面和 NTX 服務通訊,實現即時物件內容共用以及管理控制。隨著應用程式的容量和功能縮放,此通訊機制比單純依賴共用記憶體區域使用更容易維護。

更熟悉的開發環境

要在單個物聯網閘道上組合即時和非即時處理工作負荷,需要組合軟體發展環境。INtime for Windows 允許開發人員利用現成的 Microsoft Visual Studio* 編輯、編譯和調試 RTOS 應用程式,就像標準 Windows 應用程式一樣。無需購買或學習其他開發工具。只需在 INtime 中編寫應用程式的時間關鍵部分。所有其他應用程式部分,如預處理和後處理器以及 HMI,可以為 Windows 環境開發和在其中執行。

有效利用嵌入式管理程式

TenAsys 明確分區方法的一個擴展,TenAsys eVM* for Windows,提供一個管理程式,允許在 Windows 和 INtime RTOS 外獨立執行一個不同作業系統(例如 Linux*) (圖 4)。雖然這是基於管理程式的虛擬化解決方案,但 TenAsys eVM 僅在絕對需要時虛擬化服務。此方法確保來賓 RTOS 保留其確定性和即時功能,在支援傳統 RTOS 或普通專有作業系統方面提供最大通用性並且無需修改。TenAsys 已經用多種來賓作業系統測試了 eVM for Windows,如 Linux、VxWorks*、QNX* 和 Windows* CE。


24

Figure 4: TenAsys eVM* for Windows 提供管理程式用於 Microsoft Windows* 和 INtime* RTOS 以外的作業系統。

TenAsys eVM for Windows 在配備 Intel® Virtualization Technology (Intel® VT) 的 Intel 處理器上執行。Intel VT 提供將記憶體和真實(相對於虛擬)I/O 分配給特定分區的硬體協助,減少任何潛在性能負擔。此分配極大降低延遲。

整合閘道

在閘道上整合工作處理是降低硬體和軟體成本以及功率需求的好方法。它還適應未來,允許處理器技術遷移和新軟體應用程式。

基於 Intel IoT Gateway Technology 並配備 Intel Atom 或 Intel Core 處理器的解決方案為多功能設計提供出色的嵌入式 PC 平台。借助由 INtime for Windows 分區的系統,這些閘道獲得應用支援,執行標準現成 Windows 並允許機器製造商新增協力廠商軟體。例如,閘道可以為所有功能集成在一個平台上的電腦數控 (CNC) 機器提供軟體環境。或者可以執行一個運動系統,一個基於軟體的可程式設計邏輯控制器 (PLC),一個 HMI,和一個防火牆 – 全部來自不同供 應商。

集成高清 (HD) 圖形是這些 Intel 處理器的一個顯著優勢。車間 HMI 站可能採用大量圖形、圖像和視頻(有時候)以生動的表現工廠的狀況。Intel® HD Graphics 引擎的視覺處理增強提供強大的 2D 和 3D 功能,支援 Microsoft DirectX 11、 OpenGL 4.0 和 OpenGL 1.2 等 API。集成圖形還包括硬體視頻編碼和解碼引擎,用於實現流暢錄製和播放。

應用支援且安全

Intel IoT Gateway Technology 為開發人員帶來在一系列 Intel 處理器上建立和部署創新、成本高效、安全工業物聯網解決方案的靈活性。Intel® 物聯網解決方案聯盟成員提供基於 Intel IoT Gateway Technology 並支持連接傳統感測器和控制節點的工業現場匯流排標準的工業級解決方案。許多這類解決方案使用 Microsoft Windows* 10 IoT – 一款為閘道和其他邊緣設備設計的作業系統。

基於 Intel IoT Gateway Technology 的閘道提供強健的安全功能。例如,配備 Windows 10 IoT 時,這些閘道具有安全啟動、受信任驅動程式和應用程式驗證、軟體元件相關安全政策實施、廣泛的安全聯網功能以及跨硬體受信任模型。企業級安全有助於保持設備和移動中的資料安全。對於進一步保護,開發人員可以為可預測設備體驗建立唯讀 設備。

此外,Windows 10 IoT 簡化可管理性和連線性。基於 Intel IoT Gateway Technology 並執行 Windows 10 IoT 的解決方案可以像管理其他 Windows 設備一樣進行連接、配置和更新。

打造您的即時閘道

將基於 Windows 和 RTOS 的工作負荷與明確硬體分區整合,可以確保分區兩側的最佳性能。在基於 Intel IoT Gateway Technology 的閘道上執行 TenAsys INtime for Windows,機器製造商可以在說明客戶進入工業 4.0 的同時為其降低 硬體成本和 TCO。

[SD ICON]有關 TenAsys INtime for Windows RTOS 的資訊, 請參見 intel.com/SD-tenasys-Intime。有關 TenAsys eVM Platform for Windows 的資訊,請參見 intel.com/SD-tenasys-eVM

[INDUSTRIAL ICON]有關連接、整合和優化工業自動化的更多資訊,請參見 intel.com/embedded-industrial

TenAsys (intel.com/MR-tenasys) 是 Intel® 物聯網解決方案聯盟分支成員。公司是嵌入式虛擬化軟體的領先者,專門為需要即時軟體服務的 PC 系統打造嵌入式混合工作解決方案。