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利用明确硬件分区令实时成为现实

着云技术和物联网 (IoT) 的发展,工业 4.0 正大步走来。通过将工厂机器和运营连接到云端,公司可以实现更高效机器加载、流程优化和预防性维护需要的中央控制功能与分析。

要帮助工厂实现此转变,工业机械制造商需要能够使用熟悉的工具和解决方案帮助其缩短上市时间。例如,他们需要继续使用 Microsoft Windows* 作为企业控制功能和人机界面 (HMI) 的标准平台。但与此同时,这些物联网解决方案还必须支持实时控制功能。

修改 Windows 或添加管理程序的额外开销是一种实现需要的非实时与实时功能共存的方法。本文研究另一种方法。我们考虑 TenAsys 的 INtime* for Windows 软件如何分区物联网网关上运行的应用程序,而不影响性能或导致实时与非实时工作之间的冲突。我们介绍 Intel® IoT Gateway Technology 和 Intel® 处理器的功能如何有助于该解决方案的性能、安全和可管理性功能。我们说明这些用于 HMI 界面的网关的重要优势。最后,我们讨论此方法如何通过设计缩放性允许机械制造商发挥未来处理器和软件增强的优势。

打造智能工厂

现在的工业自动化媒体将物联网网关的价值宣传为下一次工业革命(即工业 4.0)的智能工厂的构建块。这些网关将传统和新工厂设备连接到 Internet,支持一系列供机械通信的接口(图 1)。最基本的设计提供安全和可管理性功能,以及处理功能。


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Figure 1: 基于 Intel® IoT Gateway Technology 的网关将 传统和新工厂设备连接到 Internet。

它们还可以做到更多。Intel® 处理器的缩放性实现可同时处理 Internet 流量、运行标准 Windows 应用程序和 HMI 并控制机械操作的强大网关设计。通过将这些工作整合在车间的一个平台上,机械制造商可以帮助工厂降低系统硬件和软件成本。此外,此类整合可以通过减少需要电力与维护的装置数量,降低总体拥有成本 (TCO)。

整合需要网关能够同时运行 Microsoft Windows 操作系统 (OS) 和支持确定性实时控制应用的实时操作系统 (RTOS)。组合这些操作系统需要嵌入式虚拟化分区平台硬件资源,以保持实时与非实时环境的分离。

提起虚拟化,人们通常会想到管理程序或虚拟机监视器 (VMM)。但这种虚拟化将来宾操作系统限制为主机管理程序或 VMM 提供的服务,并影响确定性和适应性。

明确硬件分区

通过“明确硬件分区”实施的嵌入式虚拟化带来更好的解决方案。它将处理器和硬件资源专门用于不同任务。例如,明确硬件分区利用专为分区系统设计的底层服务实现 Windows 系统上的硬件分区,这样实时任务运行在 RTOS 上,Windows 应用程序运行在 Windows 上(图 2)。


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Figure 2: 明确硬件分区解决方案,如 TenAsys INtime* for Windows 将系统分区,这样实时任务运行在 RTOS 上,Windows 应用程序运行在 Windows 上。

和仅依赖带管理程序的虚拟机的解决方案不同,明确硬件分区避免影响任一操作系统的性能。操作系统、驱动程序和软件的工作不中断,这样始终实现最高性能。此外,由于 Windows 在此实施中本机运行,不违反 Microsoft Windows 软件许可证。

明确硬件分区实现一个不对称系统,Windows 主机系统可以运行根据特定功能各自定制的不同操作系统。例如,在用于控制工厂机械的嵌入式系统中,一个或多个处理核可以执行 RTOS 及其应用程序和 I/O 操作,而其他处理器运行 Windows 及其应用程序和 I/O 操作

实时明确硬件分区解决方案

基于不对称多重处理的明确硬件分区最早由 TenAsys* Corporation 于 1997 年推出,是现在市场上最久经考验的解决方案。TenAsys INtime for Windows RTOS 在数百万小时无故障运行的数百个应用中得到现场证明。它适合与为 Intel IoT Gateway Technology 指定的处理器一起工作,如 Intel® Core 处理器和 Intel® Atom 处理器产品系列的多核成员。

对于工业流程,INtime* for Windows 的全功能 RTOS 内核支持 256 个优先级和每一级内的轮询调度。RTOS 包含进程间通信和同步机制的完整补充,支持要求最严苛的嵌入式应用的高端实时需求。

为允许实时和 Windows 应用程序在分配的处理器核上本机运行,INtime for Windows 分区系统借助标准 Windows 应用程序编程接口 (API)。INtime for Windows RTOS 和 Windows 操作系统各自获得其所需处理器 I/O 和信号的独占访问 (图 3)。INtime for Windows 上运行的实时进程不受 Windows 任务或虚拟内存机制约束。此外,开发人员可以访问标准 Windows 功能和现成应用程序,而不影响工业应用要求的实时控制。这些控制应用以可靠可预测结果对实时进程执行完整控制,同时实现毫秒级响应时间。


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Figure 3: TenAsys 的明确分区解决方案为 INtime* RTOS 和 Microsoft Windows* 操作系统提供其所需处理器 I/O 和信号的独占访问。

对于物联网网关,除了工业控制和基于 Windows 的 HMI 功能外,Internet 接口及其关联安全软件是系统必须处理的另外两个计算工作负荷。分区任一侧的应用通过内置虚拟 Ethernet 接口和 NTX 服务通信,实现实时对象内容共享以及管理控制。随着应用程序的容量和功能缩放,此通信机制比单纯依赖共享内存区域使用更容易维护。

更熟悉的开发环境

要在单个物联网网关上组合实时和非实时处理工作负荷,需要组合软件开发环境。INtime for Windows 允许开发人员利用现成的 Microsoft Visual Studio* 编辑、编译和调试 RTOS 应用程序,就像标准 Windows 应用程序一样。无需购买或学习其他开发工具。只需在 INtime 中编写应用程序的时间关键部分。所有其他应用程序部分,如预处理和后处理器以及 HMI,可以为 Windows 环境开发和在其中 执行。

有效利用嵌入式管理程序

TenAsys 明确分区方法的一个扩展,TenAsys eVM* for Windows,提供一个管理程序,允许在 Windows 和 INtime RTOS 外独立运行一个不同操作系统(例如 Linux*)(图 4)。虽然这是基于管理程序的虚拟化解决方案,但 TenAsys eVM 仅在绝对需要时虚拟化服务。此方法确保来宾 RTOS 保留其确定性和实时功能,在支持传统 RTOS 或普通专有操作系统方面提供最大通用性并且无需修改。TenAsys 已经用多种来宾操作系统测试了 eVM for Windows,如 Linux、VxWorks*、QNX* 和 Windows* CE。


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Figure 4: TenAsys eVM* for Windows 提供管理程序用于 Microsoft Windows* 和 INtime* RTOS 以外的操作系统。

TenAsys eVM for Windows 在配备 Intel® Virtualization Technology (Intel® VT) 的 Intel 处理器上运行。Intel VT 提供将内存和真实(相对于虚拟)I/O 分配给特定分区的硬件协助,减少任何潜在性能负担。此分配极大降低延迟。

整合网关

在网关上整合工作处理是降低硬件和软件成本以及功率需求的好方法。它还适应未来,允许处理器技术迁移和新软件应用程序。

基于 Intel IoT Gateway Technology 并配备 Intel Atom 或 Intel Core 处理器的解决方案为多功能设计提供出色的嵌入式 PC 平台。借助由 INtime for Windows 分区的系统,这些网关获得应用支持,运行标准现成 Windows 并允许机器制造商添加第三方软件。例如,网关可以为所有功能集成在一个平台上的计算机数控 (CNC) 机器提供软件环境。或者可以运行一个运动系统,一个基于软件的可编程逻辑控制器 (PLC),一个 HMI,和一个防火墙 – 全部来自不同供 应商。

集成高清 (HD) 图形是这些 Intel 处理器的一个显著优势。车间 HMI 站可能采用大量图形、图像和视频(有时候)以生动的表现工厂的状况。Intel® HD Graphics 引擎的视觉处理增强提供强大的 2D 和 3D 功能,支持 Microsoft DirectX 11、 OpenGL 4.0 和 OpenGL 1.2 等 API。集成图形还包括硬件视频编码和解码引擎,用于实现流畅录制和播放。

应用支持且安全

Intel IoT Gateway Technology 为开发人员带来在一系列 Intel 处理器上创建和部署创新、成本高效、安全工业物联网解决方案的灵活性。Intel® 物联网解决方案联盟成员提供基于 Intel IoT Gateway Technology 并支持连接传统传感器和控制节点的工业现场总线标准的工业级解决方案。许多这类解决方案使用 Microsoft Windows* 10 IoT – 一款为网关和其他边缘设备设计的操作系统。

基于 Intel IoT Gateway Technology 的网关提供强健的安全功能。例如,配备 Windows 10 IoT 时,这些网关具有安全启动、受信任驱动程序和应用程序验证、软件组件相关安全政策实施、广泛的安全联网功能以及跨硬件受信任模型。企业级安全有助于保持设备和移动中的数据安全。对于进一步保护,开发人员可以为可预测设备体验创建只读 设备。

此外,Windows 10 IoT 简化可管理性和连接性。基于 Intel IoT Gateway Technology 并运行 Windows 10 IoT 的解决方案可以像管理其他 Windows 设备一样进行连接、配置和 更新。

打造您的实时网关

将基于 Windows 和 RTOS 的工作负荷与明确硬件分区整合,可以确保分区两侧的最佳性能。在基于 Intel IoT Gateway Technology 的网关上运行 TenAsys INtime for Windows,机器制造商可以在帮助客户进入工业 4.0 的同时为其降低硬件成本和 TCO。

[SD ICON]有关 TenAsys INtime for Windows RTOS 的信息,请参见 intel.com/SD-tenasys-Intime。有关 TenAsys eVM Platform for Windows 的信息,请参见 intel.com/SD-tenasys-eVM

[INDUSTRIAL ICON]有关连接、整合和优化工业自动化的更多信息,请参见 intel.com/embedded-industrial

TenAsys (intel.com/MR-tenasys) 是 Intel® 物联网解决方案联盟分支成员。公司是嵌入式虚拟化软件的领先者,专门为需要实时软件服务的 PC 系统打造嵌入式混合工作解决方案。