嵌入式工业系统设计要求更低的功率、更高的性能和更低的成本,常常还要求原有总线和新兴标准通信协议之间相互兼容,因此,该领域的设计人员面临的挑战越来越大。
随着新特性和新功能的推出周期越来越短,开发人员还必须妥善处理某些生产设备生命周期极长的问题。另外,许多工业设计开发中一直采用的嵌入式微处理器的性能已达极限或逐渐被制造商淘汰。对此,带有集成设计环境的新一代微处理器也许是一种解决方案,可缩小传统要求与新兴商机之间的差距。
传统的软件密集型工业嵌入式设计方案把实现系统性能的重担完全放在设计人员身上,这样一来就需要很长的软件开发和调试周期。相反地,一个集成式的设计环境能够利用芯片内的多个硬件资源来处理众多复杂问题,故可缩短设计时间,降低成本,也免除了编写和调试上千行代码的麻烦。更重要的是,这种方案让设计人员能够把更多的精力集中于创建能提高附加值和差异化的软件和功能上,从而赢得竞争优势。
性能和功能
工业应用比消费应用的内在挑战更多,因为前者必须工作在非常严格的时间限制内,需要高度的确定性预测能力,而且一般被深度嵌入在生产线系统内,其环境常常十分恶劣。生产线对操作步骤的顺序和同步性能要求非常严格,因此嵌入式控制器必须具有稳定的实时性能。例如,可编程逻辑控制器(PLC)必须读取一组输入数据,执行所需分析,并触发适当的输出?D?D所有步骤都要在一个可预测性很强且固定的时间帧内完成。
工业自动化控制器不仅需要在目标系统中提供确定的实时性能,还必须与周围的生产环境及各种通信网络相兼容。许多嵌入式工业应用都采用Modbus、Profibus 或 CAN等现场总线进行构建,这些经过专门优化的总线可在实时控制机器操作方面提供确定性性能。
不过,在机器之间和生产网络方面越来越倾向于使用通信标准,比如以太网。
确定性现场总线和标准网络之间存在固有差异,因此利用传统微处理器来集成这些完全不同的通信协议特别困难。此外,如果每一个接口都需要不同的元件,那么支持众多通信接口的要求会导致库存和物流成本的增加。
大多数微处理器都必须花费大量的时间来处理有关任务切换和管理的工作。而且,商用微处理器无法区分实时与安全关键任务之间以及用户应用代码与用户接口任务之间的差别。所以,不借助额外的软件(如实时操作系统),要确保实时与安全关键任务的确定性低延迟处理几乎是不可能的。虽然如此,但对于RTOS如何管理任务切换和代码执行优先权,设计人员的控制也相当少。
图:传统MCU对比多上下文硬件。
有一种新的芯片级架构方案可以解决上述问题,它可以使用多个独立的硬件资源,能够在芯片内部处理许多实时任务。这种架构允许对管理功能和实时任务进行硬件级的划分。它可以在多达5个独立的硬件资源中分配处理优先权,从而让优先权最高的任务总是能够立即顺利地访问处理资源。
在工业应用方面,控制延迟的能力至关重要。它允许传感器读取、控制测量、运动控制和PLC输出等任务能够被直接且可预测地执行。通过把代码(比如实时环路)分配给芯片内的某个特定硬件资源,这种多资源架构能够把任务请求及其执行之间的延迟降至最小。
类似地,对于需要与多个现场总线或基于标准的网络相连接的情况,多硬件资源提供了一个极好的隔离接口间差异的方法。一条确定性总线,比如CAN、Modbus或实时以太网,能够全速运行在某个专用硬件资源上,无需像单MCU实现方案中那样等待处理资源。此外,相同的低级别硬件元件可以很容易地通过编程提供全部的通信接口。通用接口控制器的这种概念不仅解决了库存和物流方面的问题,还具有很高的灵活性,能支持各种机器间通信及标准网络,从而精简了新一代模块化PLC的实现。
由于实时任务是由独立的硬件资源来处理的,因此多资源架构方案也意味着可以去掉与实时操作相关的许多软件开销。软件开发的简化代表着成本和上市时间的大量节省,也就能形成更高鲁棒性的系统。
把主要的处理工作移交给单独的硬件资源来处理还有一个好处,即在切换任务时保存与恢复状态的减少或消除。这不仅避免了寄存器进栈出栈的要求,还去除了中止与前面任务相关的所有外设处理以及设置外设和总线来运行下一个任务所需的开销。
除了成本、复杂性和性能方面的优点之外,这种方案的另一个主要优点在存储器管理方面。对资源敏感的存储器保护单元可以管理针对不同资源进行的存储器划分,它不会增加软件开销。它还能自动关联存储器的特定模块和特定硬件资源,并在启动时间分配合适的权限。
例如,存储器的某个模块对某个资源来说可能是可读写的,对另一个资源为只读,对第三个资源则根本不能访问。这种安排允许资源间有适当的数据流动,它确保了每个资源的专用存储器受到保护。精确的存储器保护对实现安全关键功能(比如确保对运动锯条的控制代码或执行某条产品线的代码不会被用户接口代码破坏)是非常重要的。
这种新的处理器架构还可以简化调试工作。由于工业系统常常被深度嵌入在客户的生产线设备内部,对工程师来说,安装监控设备进行现场性能测量及调试的空间很有限。鉴于物理访问受限,对机器的各方面进行远程控制和分析的能力就成为一项很重要的优势。有了这种能力,不需要破坏生产环境就可以迅速解决问题。
多资源架构通过JTAG端口提供了高级别的远程控制和观察能力。因为这种模拟具有资源敏感特性,寄存器组可以根据资源独立切入或切出。简单的调试工具允许一次一位地改变寄存器状态或外设,同时在整个过程中计时。
用于事件记录的跟踪缓冲器可以被分配在任何地址空间,甚至可以通过以太网端口发送出去。对于设计良好的系统,这意味着工程师能够很容易地定义观察点和断点,启动系统运行,然后远程观察结果,不必亲临客户现场或干涉客户现场操作。
生命周期的挑战
工业设备生命周期较长是设计人员面临的一个主要挑战,在嵌入式控制功能所用的许多处理器生命周期较短的背景下,这一矛盾尤其突出。在做出有关技术更改、产量和寿命终了停产的决策时,主流微处理器供应商必须把商业大众市场的批量规模视为它们的主要商业推动力量。消费产品的寿命一般是3到5年,而许多工业、医疗、电信及航空产品往往长达10到30年。
加速许多设备被淘汰的另一个原因是必需符合环保规范,比如欧盟的RoHS指令。在许多情况下,供应商发现,比较陈旧、不符合规范元件的最简单的替代方案就是废弃它们。建议的替代部件常常也不是完全兼容的。
不幸的是,鉴于商机不断减小以及RoHS指令要求而作出的生命终结的决策可能为向来使用这些元件的工业产品设计人员带来相当大的麻烦。举例说明,英特尔去年5月宣布计划停止700个不同处理器部件的生产,其中一部分部件的生产历史已超过25年,比如80186, 286, 386 和 486处理器,但它们目前仍然频繁用于多种工业产品设计中。2007年3月以后,英特尔将停止接受这些芯片的订单,最后一批出货安排在9月份。
由于上述多资源架构的部分开发目的是提供陈旧器件(如186/188, H8, Z88, 6805 and 8051)的替代产品,故它不仅要克服以前MCU的局限性,还要提供一条能够避免未来被淘汰的前向移植路径。
为了把系统性能提高到的一个新的高度,以填补传统要求和新兴技术之间的代沟,工业应用设计人员在选择嵌入式处理器时需要考虑到高度的实时性能和实现灵活性。单纯提高传统单线程MCU架构的时钟频率和原始性能是不够的。当前的工业应用需要更大的芯片级灵活性来划分和优化实时功能。此外,设计人员还必须从开发软件以克服传统主流嵌入式处理器的局限性这一沉重负担中被解放出来。
而利用同时提供多个硬件资源以及集成式软件库元件与调试能力的新的嵌入式处理器设计,工业系统设计人员能够把主要的实时处理任务与对时间要求较小的代码相分离?D?D在硬件处理器中以最低的级别实现。
这些特性形成的新能力有助于平滑集成传统现场总线和标准网络使用的确定性要求。这些能力还允许在同一个处理器上优化实时和安全关键处理任务,可处理更高级别的用户接口和应用功能,同时不影响性能,也不需要进行过多的软件开发工作。对工业系统开发人员和最终用户而言,重点在于提供适合下一代工业设备的高级别性能、模块化、互操作性和可扩展能力。
作者:Jordon Woods
首席技术官、创始人之一
Innovasic公司
