嵌入式工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求更低的功率、更高的性能和更低的成本,常常還要求原有總線和新興標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議之間相互兼容,因此,該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。
隨著新特性和新功能的推出周期越來(lái)越短,開(kāi)發(fā)人員還必須妥善處理某些生產(chǎn)設(shè)備生命周期極長(zhǎng)的問(wèn)題。另外,許多工業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中一直采用的嵌入式微處理器的性能已達(dá)極限或逐漸被制造商淘汰。對(duì)此,帶有集成設(shè)計(jì)環(huán)境的新一代微處理器也許是一種解決方案,可縮小傳統(tǒng)要求與新興商機(jī)之間的差距。
傳統(tǒng)的軟件密集型工業(yè)嵌入式設(shè)計(jì)方案把實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的重?fù)?dān)完全放在設(shè)計(jì)人員身上,這樣一來(lái)就需要很長(zhǎng)的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試周期。相反地,一個(gè)集成式的設(shè)計(jì)環(huán)境能夠利用芯片內(nèi)的多個(gè)硬件資源來(lái)處理眾多復(fù)雜問(wèn)題,故可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,降低成本,也免除了編寫(xiě)和調(diào)試上千行代碼的麻煩。更重要的是,這種方案讓設(shè)計(jì)人員能夠把更多的精力集中于創(chuàng)建能提高附加值和差異化的軟件和功能上,從而贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
性能和功能
工業(yè)應(yīng)用比消費(fèi)應(yīng)用的內(nèi)在挑戰(zhàn)更多,因?yàn)榍罢弑仨毠ぷ髟诜浅?yán)格的時(shí)間限制內(nèi),需要高度的確定性預(yù)測(cè)能力,而且一般被深度嵌入在生產(chǎn)線系統(tǒng)內(nèi),其環(huán)境常常十分惡劣。生產(chǎn)線對(duì)操作步驟的順序和同步性能要求非常嚴(yán)格,因此嵌入式控制器必須具有穩(wěn)定的實(shí)時(shí)性能。例如,可編程邏輯控制器(PLC)必須讀取一組輸入數(shù)據(jù),執(zhí)行所需分析,并觸發(fā)適當(dāng)?shù)妮敵?D?D所有步驟都要在一個(gè)可預(yù)測(cè)性很強(qiáng)且固定的時(shí)間幀內(nèi)完成。
工業(yè)自動(dòng)化控制器不僅需要在目標(biāo)系統(tǒng)中提供確定的實(shí)時(shí)性能,還必須與周圍的生產(chǎn)環(huán)境及各種通信網(wǎng)絡(luò)相兼容。許多嵌入式工業(yè)應(yīng)用都采用Modbus、Profibus 或 CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行構(gòu)建,這些經(jīng)過(guò)專門優(yōu)化的總線可在實(shí)時(shí)控制機(jī)器操作方面提供確定性性能。
不過(guò),在機(jī)器之間和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)方面越來(lái)越傾向于使用通信標(biāo)準(zhǔn),比如以太網(wǎng)。
確定性現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)之間存在固有差異,因此利用傳統(tǒng)微處理器來(lái)集成這些完全不同的通信協(xié)議特別困難。此外,如果每一個(gè)接口都需要不同的元件,那么支持眾多通信接口的要求會(huì)導(dǎo)致庫(kù)存和物流成本的增加。
大多數(shù)微處理器都必須花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)處理有關(guān)任務(wù)切換和管理的工作。而且,商用微處理器無(wú)法區(qū)分實(shí)時(shí)與安全關(guān)鍵任務(wù)之間以及用戶應(yīng)用代碼與用戶接口任務(wù)之間的差別。所以,不借助額外的軟件(如實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)),要確保實(shí)時(shí)與安全關(guān)鍵任務(wù)的確定性低延遲處理幾乎是不可能的。雖然如此,但對(duì)于RTOS如何管理任務(wù)切換和代碼執(zhí)行優(yōu)先權(quán),設(shè)計(jì)人員的控制也相當(dāng)少。
圖:傳統(tǒng)MCU對(duì)比多上下文硬件。
有一種新的芯片級(jí)架構(gòu)方案可以解決上述問(wèn)題,它可以使用多個(gè)獨(dú)立的硬件資源,能夠在芯片內(nèi)部處理許多實(shí)時(shí)任務(wù)。這種架構(gòu)允許對(duì)管理功能和實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行硬件級(jí)的劃分。它可以在多達(dá)5個(gè)獨(dú)立的硬件資源中分配處理優(yōu)先權(quán),從而讓優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)總是能夠立即順利地訪問(wèn)處理資源。
在工業(yè)應(yīng)用方面,控制延遲的能力至關(guān)重要。它允許傳感器讀取、控制測(cè)量、運(yùn)動(dòng)控制和PLC輸出等任務(wù)能夠被直接且可預(yù)測(cè)地執(zhí)行。通過(guò)把代碼(比如實(shí)時(shí)環(huán)路)分配給芯片內(nèi)的某個(gè)特定硬件資源,這種多資源架構(gòu)能夠把任務(wù)請(qǐng)求及其執(zhí)行之間的延遲降至最小。
類似地,對(duì)于需要與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線或基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)相連接的情況,多硬件資源提供了一個(gè)極好的隔離接口間差異的方法。一條確定性總線,比如CAN、Modbus或?qū)崟r(shí)以太網(wǎng),能夠全速運(yùn)行在某個(gè)專用硬件資源上,無(wú)需像單MCU實(shí)現(xiàn)方案中那樣等待處理資源。此外,相同的低級(jí)別硬件元件可以很容易地通過(guò)編程提供全部的通信接口。通用接口控制器的這種概念不僅解決了庫(kù)存和物流方面的問(wèn)題,還具有很高的靈活性,能支持各種機(jī)器間通信及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò),從而精簡(jiǎn)了新一代模塊化PLC的實(shí)現(xiàn)。
由于實(shí)時(shí)任務(wù)是由獨(dú)立的硬件資源來(lái)處理的,因此多資源架構(gòu)方案也意味著可以去掉與實(shí)時(shí)操作相關(guān)的許多軟件開(kāi)銷。軟件開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化代表著成本和上市時(shí)間的大量節(jié)省,也就能形成更高魯棒性的系統(tǒng)。
把主要的處理工作移交給單獨(dú)的硬件資源來(lái)處理還有一個(gè)好處,即在切換任務(wù)時(shí)保存與恢復(fù)狀態(tài)的減少或消除。這不僅避免了寄存器進(jìn)棧出棧的要求,還去除了中止與前面任務(wù)相關(guān)的所有外設(shè)處理以及設(shè)置外設(shè)和總線來(lái)運(yùn)行下一個(gè)任務(wù)所需的開(kāi)銷。
除了成本、復(fù)雜性和性能方面的優(yōu)點(diǎn)之外,這種方案的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在存儲(chǔ)器管理方面。對(duì)資源敏感的存儲(chǔ)器保護(hù)單元可以管理針對(duì)不同資源進(jìn)行的存儲(chǔ)器劃分,它不會(huì)增加軟件開(kāi)銷。它還能自動(dòng)關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器的特定模塊和特定硬件資源,并在啟動(dòng)時(shí)間分配合適的權(quán)限。
例如,存儲(chǔ)器的某個(gè)模塊對(duì)某個(gè)資源來(lái)說(shuō)可能是可讀寫(xiě)的,對(duì)另一個(gè)資源為只讀,對(duì)第三個(gè)資源則根本不能訪問(wèn)。這種安排允許資源間有適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)流動(dòng),它確保了每個(gè)資源的專用存儲(chǔ)器受到保護(hù)。精確的存儲(chǔ)器保護(hù)對(duì)實(shí)現(xiàn)安全關(guān)鍵功能(比如確保對(duì)運(yùn)動(dòng)鋸條的控制代碼或執(zhí)行某條產(chǎn)品線的代碼不會(huì)被用戶接口代碼破壞)是非常重要的。
這種新的處理器架構(gòu)還可以簡(jiǎn)化調(diào)試工作。由于工業(yè)系統(tǒng)常常被深度嵌入在客戶的生產(chǎn)線設(shè)備內(nèi)部,對(duì)工程師來(lái)說(shuō),安裝監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)量及調(diào)試的空間很有限。鑒于物理訪問(wèn)受限,對(duì)機(jī)器的各方面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和分析的能力就成為一項(xiàng)很重要的優(yōu)勢(shì)。有了這種能力,不需要破壞生產(chǎn)環(huán)境就可以迅速解決問(wèn)題。
多資源架構(gòu)通過(guò)JTAG端口提供了高級(jí)別的遠(yuǎn)程控制和觀察能力。因?yàn)檫@種模擬具有資源敏感特性,寄存器組可以根據(jù)資源獨(dú)立切入或切出。簡(jiǎn)單的調(diào)試工具允許一次一位地改變寄存器狀態(tài)或外設(shè),同時(shí)在整個(gè)過(guò)程中計(jì)時(shí)。
用于事件記錄的跟蹤緩沖器可以被分配在任何地址空間,甚至可以通過(guò)以太網(wǎng)端口發(fā)送出去。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng),這意味著工程師能夠很容易地定義觀察點(diǎn)和斷點(diǎn),啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行,然后遠(yuǎn)程觀察結(jié)果,不必親臨客戶現(xiàn)場(chǎng)或干涉客戶現(xiàn)場(chǎng)操作。
生命周期的挑戰(zhàn)
工業(yè)設(shè)備生命周期較長(zhǎng)是設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn),在嵌入式控制功能所用的許多處理器生命周期較短的背景下,這一矛盾尤其突出。在做出有關(guān)技術(shù)更改、產(chǎn)量和壽命終了停產(chǎn)的決策時(shí),主流微處理器供應(yīng)商必須把商業(yè)大眾市場(chǎng)的批量規(guī)模視為它們的主要商業(yè)推動(dòng)力量。消費(fèi)產(chǎn)品的壽命一般是3到5年,而許多工業(yè)、醫(yī)療、電信及航空產(chǎn)品往往長(zhǎng)達(dá)10到30年。
加速許多設(shè)備被淘汰的另一個(gè)原因是必需符合環(huán)保規(guī)范,比如歐盟的RoHS指令。在許多情況下,供應(yīng)商發(fā)現(xiàn),比較陳舊、不符合規(guī)范元件的最簡(jiǎn)單的替代方案就是廢棄它們。建議的替代部件常常也不是完全兼容的。
不幸的是,鑒于商機(jī)不斷減小以及RoHS指令要求而作出的生命終結(jié)的決策可能為向來(lái)使用這些元件的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員帶來(lái)相當(dāng)大的麻煩。舉例說(shuō)明,英特爾去年5月宣布計(jì)劃停止700個(gè)不同處理器部件的生產(chǎn),其中一部分部件的生產(chǎn)歷史已超過(guò)25年,比如80186, 286, 386 和 486處理器,但它們目前仍然頻繁用于多種工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。2007年3月以后,英特爾將停止接受這些芯片的訂單,最后一批出貨安排在9月份。
由于上述多資源架構(gòu)的部分開(kāi)發(fā)目的是提供陳舊器件(如186/188, H8, Z88, 6805 and 8051)的替代產(chǎn)品,故它不僅要克服以前MCU的局限性,還要提供一條能夠避免未來(lái)被淘汰的前向移植路徑。
為了把系統(tǒng)性能提高到的一個(gè)新的高度,以填補(bǔ)傳統(tǒng)要求和新興技術(shù)之間的代溝,工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員在選擇嵌入式處理器時(shí)需要考慮到高度的實(shí)時(shí)性能和實(shí)現(xiàn)靈活性。單純提高傳統(tǒng)單線程MCU架構(gòu)的時(shí)鐘頻率和原始性能是不夠的。當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用需要更大的芯片級(jí)靈活性來(lái)劃分和優(yōu)化實(shí)時(shí)功能。此外,設(shè)計(jì)人員還必須從開(kāi)發(fā)軟件以克服傳統(tǒng)主流嵌入式處理器的局限性這一沉重負(fù)擔(dān)中被解放出來(lái)。
而利用同時(shí)提供多個(gè)硬件資源以及集成式軟件庫(kù)元件與調(diào)試能力的新的嵌入式處理器設(shè)計(jì),工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠把主要的實(shí)時(shí)處理任務(wù)與對(duì)時(shí)間要求較小的代碼相分離?D?D在硬件處理器中以最低的級(jí)別實(shí)現(xiàn)。
這些特性形成的新能力有助于平滑集成傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)使用的確定性要求。這些能力還允許在同一個(gè)處理器上優(yōu)化實(shí)時(shí)和安全關(guān)鍵處理任務(wù),可處理更高級(jí)別的用戶接口和應(yīng)用功能,同時(shí)不影響性能,也不需要進(jìn)行過(guò)多的軟件開(kāi)發(fā)工作。對(duì)工業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員和最終用戶而言,重點(diǎn)在于提供適合下一代工業(yè)設(shè)備的高級(jí)別性能、模塊化、互操作性和可擴(kuò)展能力。
作者:Jordon Woods
首席技術(shù)官、創(chuàng)始人之一
Innovasic公司
