Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Dvoujádrové procesory - plnou parou vpřed

Dvoujádrové procesory - plnou parou vpřed

Řešení mnoha úloh v průmyslové automatizaci si již nelze představit bez průmyslových počítačů, které řídí stroje, zpracovatelské procesy nebo výrobní logistiku, spojují jednotlivé části výrobních systémů a jsou nástrojem pro spolehlivý a výkonný sběr dat a jejich zpracování. Narůstající požadavky na výpočetní výkon, schopnosti komunikace, vizualizaci a flexibilitu zařízení vedou k potřebě výkonných počítačových systémů, které ovšem pro použití v průmyslových podmínkách musí zůstat s pasivním chlazením a musí být co nejmenší a nejkompaktnější.

Dvě jádra pro multitasking

Procesory Intel Pentium M dobyly svět průmyslových PC již dávno a nyní si své místo zde hledají i nové, dvoujádrové procesory. Tyto procesory, v angličtině označované dual-core, mají na jednom čipu dvě kompletní výpočetní jádra, pracující ve stejném taktu.

Hlavní předností těchto procesorů je skokový nárůst výpočetní kapacity, který ovšem není vykoupen růstem spotřeby procesoru. Dvoujádrové procesory od firmy Intel využívají všechny funkce šetřící energii, které jsou k dispozici u jednojádrových procesorů, tedy např. dynamické přizpůsobení taktu procesoru a úrovně napájení. Ty části procesoru, které právě nejsou třeba, mohou být pro úsporu energie vypnuty. (Pro použití v reálném čase ovšem musí být takt paměti procesoru fixní.) Dvoujádrové procesory navíc využívají novou mikroarchitekturu výpočetního jádra, která sama o sobě přináší snížení spotřeby, takže dvoujádrové procesory jsou jedny z nejúspornějších procesorů, které jsou momentálně na trhu k dispozici.

Výhody dvoujádrových procesorů vyniknou také v multitaskingovém prostředí, kdy několik uživatelských podprogramů simultánně vykonává různé úlohy. Vyžadovala-li před příchodem dvoujádrových procesorů jedna úloha 100 % výkonu výpočetního jádra, musela druhá úloha čekat. U dvoujádrových procesorů mohou obě úlohy běžet současně, každá na svém jádru.

Kompaktní průmyslová PC s nejvýkonnějšími procesory

Společnost Kontron Modular Computers (Kaufbeuren, SRN; dále jen Kontron) využívá u svých průmyslových PC ThinkIO-Duo (obr. 1), určených pro montáž na standardní 35mm lištu DIN, právě tyto nejmodernější dvoujádrové procesory. Dvoujádrový procesor je zde základem velmi kompaktního počítače (jeho zástavbová hloubka je 70 mm) s pasivním chlazením. Modulární ThinkIO-Duo je vybaven procesorem Intel® Core™ Duo U2500 s taktem 2× 1,2 GHz a pamětí

RAM 512 MB nebo 1 GB. Jako pasivní chladič se využívá hliníkový kryt přístroje. Interní paměť flash může být 512 MB až 2 GB. Využít lze též externí paměť compact-flash, jež může sloužit pro ukládání dat nebo pro zálohování, popř. aktualizaci dat, parametrů a programů. K dispozici je dále 512 kB paměti nezávislé na napájení a všechna běžná počítačová rozhraní: dvě USB 2.0, RS-232, DVI-I. Tři zásuvky pro LAN lze využít např. pro připojení kamer nebo směrovače (routeru) WLAN. Uživatel zde může implementovat též „softwarovou“ provozní sběrnici založenou na Ethernetu. Tato rozhraní lze využít i pro dálkový dohled a servis nebo pro připojení na informační systém podniku. Je možné realizovat i redundantní ethernetové komunikační brány.

Vestavěné vstupy, které mohou vybavit přerušení běhu procesoru, lze použít pro velmi rychlou reakci na závažné vnější události, např. poruchu 24V napájecího zdroje nebo aktivaci limitního spínače.

Výčet funkcí počítače doplňují monitorovací funkce watchdog a hodiny reálného času.

ThinkIO-Duo nepotřebuje ke své činnosti baterie. To znamená, že jeho provoz je v podstatě bezúdržbový; to snižuje jeho celkové provozní náklady. Zařízení srovnatelná výkonem a rozsahem funkcí obvykle pracují s bateriemi, které je nutné každé tři roky měnit. Protože se počítá s tím, že PC určená k montáži na lištu DIN mohou pracovat v podmínkách, kde se vyskytují mechanické vibrace a rázy, nejsou v počítači ThinkIO-Duo žádné pohyblivé části: ani větrák, ani klasický pevný disk, ani rotační paměťová média. Využívá se pouze pevně připájená hlavní paměť RAM a přídavná paměť flash.

Počítače ThinkIO lze snadno kombinovat s Wago-I/O System 750/753. Stejně je tomu i u ThinkIO-Duo: jeho mechanické propojení s Wago-I/O System je snadné a softwarová kompatibilita stoprocentní. Uvedená kombinace produktů Wago a Kontron poskytuje konstruktérům velkou volnost při navrhování konfigurace vstupů a výstupů. I/O moduly jsou okamžitě po připojení k systému automaticky detekovány, což usnadňuje oživení, rekonfigurace a servis systému.

Windows XP Embedded a Linux OSADL

Flexibilita hardwaru je doplněna rovněž flexibilním softwarovým vybavením. Kontron nabízí pro ThinkIO-Duo vedle Windows XP Embedded také Linux OSADL. V současné době jsou distribuce Linuxu určené pro vestavné počítače a schopné práce v reálném čase dobrou alternativou k jiným operačním systémům, zvláště u proprietárních úloh. Krokem směrem ke standardizaci Linuxu a jeho širšímu přijetí bylo v roce 2006 vytvoření OSADL, Open Source Automation Development Lab, jejímž členem je i Kontron. Principy činnosti OSADL jsou obdobné principům amerického sdružení OSDL, jehož členové používají Linux především pro serverové úlohy, telekomunikace a mobilní komunikace. Členy OSADL jsou firmy působící v průmyslové automatizaci. Cílem sdružení je podporovat programátory, vytvářet komunitu odborníků používajících Linux v automatizaci, zakládat pracovní skupiny, testovat programy a starat se o jejich certifikaci. To vše by mělo zaručit vzájemnou kompatibilitu produktů založených na Linuxu od různých dodavatelů. Svým členům OSADL přináší úsporu nákladů na vývoj programů a ovladačů pro různé typy hardwaru. Otevřená softwarová architektura a přístupnost zdrojových programů zjednodušují přizpůsobení produktů, jejich změny a modernizaci. Výsledkem je ochrana investic vložených do hardwaru i softwaru a bezpečnost provozu úloh. Dodávané distribuci Linuxu je vlastní schopnost řízení v reálném čase, nejsou třeba žádné separátní doplňky, které by tuto vlastnost zajišťovaly.

Téměř dvojnásobný výkon

Dvoujádrové procesory v kombinaci s operačními systémy Windows XP Embedded nebo Linux umožňují realizovat symetrický multiprocesing (SMP). Princip spočívá v tom, že operační systém nezávisle alokuje potřebnou výpočetní kapacitu oběma jádrům procesoru. Měřením rozdílů mezi procesory Pentium M 2,1 GHz a Core Duo 2,16 GHz byly zjištěny tyto nárůsty výkonu:

  • výpočty v plovoucí řádové čárce: +96,5 %,
  • výpočty s celými čísly (integer): +89,3 %,
  • klasifikace v 3D: +100 %.

Je zřejmé, že procesor Intel Core Duo dosahuje téměř dvojnásobného výkonu jednojádrového procesoru o stejné taktovací frekvenci. Jinak řečeno, procesor Intel Core Duo U2500 2 × 1,2 GHz je výkonově srovnatelný s procesorem Intel Pentium M 2,4 GHz, přičemž jeho spotřeba je mnohem menší.

Při použití vhodného softwaru je možné realizovat i asymetrický multiprocesing (AMP). V tomto případě každé jádro vykonává jemu určenou úlohu. Jako příklad lze uvést úlohu, kde jedno jádro řídí zařízení a druhé je využíváno pro vizualizaci, nebo jedno jádro vykonává řídicí algoritmy a druhé funguje jako firewall. Výhodou je, že pro řízení je vždy k dispozici celá kapacita určeného jádra, což zlepšuje chování v reálném čase. Navíc je celý systém stabilnější. AMP v podstatě umožňuje nahradit dvě oddělená průmyslová PC jediným, což redukuje náklady na zařízení, nejen na jeho zakoupení, ale i na vývoj aplikací, provoz a údržbu.

Dlouhodobá dostupnost

Pro použití v průmyslové automatizaci je velmi důležité, že procesor Intel použitý v ThinkIO-Duo má dlouhodobou dostupnost. Výrobci strojů a průmyslových zařízení nejsou nadšeni myšlenkou, že by měli každý rok adaptovat řídicí systémy na nové výpočetní prostředky prostě proto, že starší verze s původní specifikací už není k dispozici. To by neúměrně zvyšovalo náklady na vývoj. V průmyslovém sektoru je dlouhodobá dostupnost zařízení stále důležitějším obchodním argumentem.

Dvoujádrové procesory a Intel VT

Intel VT (Virtualization Technology) je metoda správy hardwaru, která umožňuje na jednom procesoru současně provozovat několik operačních systémů. Bez virtualizace je možné na jeden počítač nainstalovat několik operačních systémů, ale při spouštění - bootování – si musí uživatel vybrat jen jeden z nich. Virtualizace je „hlubší“ obdobou multitaskingu: na jediném počítači může současně běžet několik operačních systémů a nad každým z nich různé uživatelské programy.

Virtualizace je standardní metoda u všech nových procesorů Intel, dvoujádrové nevyjímaje. Podstatou je software, který dokáže v daném hardwaru izolovat operační systémy a jejich uživatelské programy. Každý operační systém se svými uživatelskými programy tvoří virtuální stroj (VM, Virtual Machine) a běží v nezávislém systémovém segmentu - partition. Software pro virtualizaci vlastně dohlíží na virtuální stroje (VMM, Virtual Machine Monitor) a spravuje požadavky a procesy operačních systémů. Systémové segmenty mohou být přidělovány podle potřeby, dokonce během vykonávání uživatelských programů. S využitím Intel VT lze na jediném počítači dokonale oddělit např. řídicí úlohy, firewally a datové servery. Díky virtualizaci je celý systém stabilnější než u jiných řešení, kde mohou nastávat kolize současně běžících procesů.

Oblasti použití

Počítače s dvoujádrovými procesory najdou v průmyslové automatizaci uplatnění při řešení velmi náročných úloh v mnoha oblastech, např. u balicích linek, tiskařských strojů, textilních strojů nebo v robotice; krátce všude, kde jsou třeba výkonné, pružné a spolehlivé počítačové systémy. Velmi zajímavá pro uživatele může být možnost v jednom systému odděleně provozovat řídicí úlohy a vizualizaci, nebo řídicí úlohy a webový server. V podobě ThinkIO-Duo dává Kontron především výrobcům strojů a zařízení (OEM) možnost zkrátit dobu uvedení výrobků na trh. Zákazníci společnosti Kontron se mohou soustředit na to, v čem jsou skutečně odborníci, tj. na tvorbu uživatelských programů a inženýrskou práci. Nezanedbatelnou výhodou je také to, že ThinkIO-Duo je spolehlivé, téměř bezúdržbové zařízení, což snižuje celkové náklady na zařízení.

Mario Anich,
Kontron Modular Computers,
Kaufbeuren (SRN)

Obr. 1. Průmyslový počítač ThinkIO-Duo

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde