用 RTX 多核软件代替实时硬件

发布时间:2017.03.22 新闻来源:PCI5565反射内存-实时仿真技术网 浏览次数:

管理各种程度运动及需要强实时响应的控制系统传统上依赖数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)来满足精确度和性能要求。 如今这种模式需要重新审视,因为OEM面临着削减成本、提升品质及实现产品差异的巨大压力。 OEM可通过转移到基于软件的多核控制架构来实现这些目标。 这个创新方案由IntervalZero* RTX* 2011实现了,这是一个独特的解决方案,将实时对称多处理(SMP)集成到了Microsoft* Windows*中。

    第二代Intel® Core™处理器家族在向这个基于软件的控制过渡中扮演着重要角色。 这些处理器引入了一个新的微架构,拥有Intel®高级矢量扩展(Intel® AVX)、一个完全集成的高级图形引擎、一个创新的环形互联及其他改进。 这些改进使新处理器能比前一代的处理器在相同的热封套内处理更多的工作负载,让OEM更容易实现功耗、成本、性能及封装目标。

    本文将探讨使用IntervalZero RTX 2011实时插件和第二代Intel® Core™处理器实现基于软件控制的优势。

 

复杂系统强实时设计的新突破


    高性能的运动控制系统正面临一系列的挑战。 需要生产更高性能并拥有更复杂功能的系统,OEM压力不断。 此外,用户还期望OEM创建更高级的人机界面(HMI),拥有光滑的图形和直观的触摸互动。 同时,竞争压力大导致创新步伐加快,增加了成本和上市时间(TTM)压力。

基于软件的控制提供了以下四个主要优势来帮助OEM战胜这些挑战:

. 单一工具流简化了开发流程

. 通过使用SMP更容易实现代码重用和性能扩展

. 通过在商用现货(COTS)硬件上集成实时控制功能和HMI来节约成本

. 减少库存并简化了质量控制

 

通过集成节约成本


    结合了复杂控制和高级HMI的运动控制系统常依赖一个两层架构。 实时应用在DSP或FPGA上运行,而HMI在一个微处理器上运行。 这意味着需要两个芯片组、两个工具链、两个代码库、两个开发组及两份维护工作。 实时团队通常是面向硬件的,设计流程与HMI团队有很大不同。 成功需要仔细协调和沟通。

    使用RTX 2011,OEM可在第二代Intel Core处理器上实现强实时控制和复杂HMI,消除对DSP及FPGA的需求。 如图1所示,RTX 2011通过将强实时SMP扩展集成到Microsoft Windows平台实现了这点。 实时扩展充当RTOS,添加实时计划程序和其他功能,让需要决定机制的线程在一个外部实时容器中运行,不受Microsoft* Windows*限制。 同时,开发人员可以保留访问Microsoft Windows提供的世界级HMI功能,以及其与内部IT系统极好的连接性。

 

       图1。RTX 2011将强实时扩展添加到Microsoft* Windows*中,使HMI及控制都运行在第二代Intel® Core™处理器上。

 

    这里的突破可能是有一个集成开发环境。 RTX 2011无缝集成到Microsoft Visual Studio集成开发环境中,为开发人员提供了一个一体化的开发平台进行HMI和控制开发。 这个方案极大地简化了开发流程。 工程团队用同样的语言,使沟通和协调变得更容易。 结果提升了质量、大量节约了成本并加快了上市时间。

    该集成方案还为硬件设计带来了实质利益。 通过将功能整合到第二代Intel Core处理器上,OEM可极大缩减材料单(BOM)。此外,开发人员可以利用COTS硬件解决方案来加速开发并降低成本。将控制逻辑转移到软件中也减少了库存成本并简化了质量控制,因为OEM不再需要维护一批专门的控制硬件了。

 

通过SMP改进可扩展性和重复利用


    作为一个SMP解决方案,RTX 2011拥有显著的重要优势。 在SMP系统中,所有核都由一个OS实例控制,这样任一核都可以处理任何任务。 通过适当的OS支持,SMP系统可以很容易地将任务在不同核之间转移,从而有效平衡工作负载。

    从OEM角度来看,这个解决方案的一大优势是扩展更加容易。 一旦开发人员将工作负载分配到了多个线程中,即可通过添加更多核(例如,从双核转移到四核处理器)来提升性能。 或者,若OEM要向系统中添加全新的任务类,OEM可添加更多的核并让新任务在原设计旁运行。 这种灵活性产生了一个“一次构建、多次交付”模式,一个单一的软件架构可部署到一系列产品中。 可将此模式与传统的硬件为中心方案比较下,传统方案每个新设计都需要定制DSP或FPGA设计(图 2)。

 

 

       图2. 基于软件的控制使OEM可以在多个产品中重用软件,而非每次都设计定制硬件。

      SMP还提供软件开发优势。 通过真正的SMP方式,RTX 2011可清晰查看分配给实时进程的所有核,并可自由访问I/O。无需复杂的处理器间通信(IPC),一个调试程序可以显示全系统状态。这些因素极大简化了SMP软件开发。通过共享资源,SMP系统可以实现较少的中断,将振动降到最低并提升性能和控制。

      RTX 2011还可利用未用的处理器资源。 例如,若HMI在一个四核的第二代Intel Core处理器上运行,HMI不可能会完全装载该处理器。 通过在相同的处理器上协调HMI及控制算法,该处理器会得到更充分的利用,产生更有效的设计(图3)。此外,在核之间及子系统(Windows和实时SMP)之间共享数据可减少所需的系统内存数并降低系统成本。

 

       图3. SMP通过为每个核加载必需的工作来帮助OEM更有效利用其硬件。

利用第二代Intel® Core™处理器性能优势

 

    高性能运动控制算法属计算密集型,常涉及矩阵算法,如矩阵乘法和求逆。 过去,这种高速运算需要DSP或FPGA。如今,第二代的Intel Core处理器家族强大的配备可胜任矩阵运算。该新处理器引入了Intel® AVX,Intel® Streaming SIMD Extensions (Intel® SSE)的高级形式,将峰值浮点性能增加了一倍。Intel AVX将数据路径从128位加宽到了256位,将运算元数从两个增加到了三个,且包含高级数据重排功能,如遮掩加载和数据交换。Intel AVX还增加了寄存器的效率及平行负载的使用,减少了代码,并将许多指令延迟减至一周期。使用Intel AVX使OEM可以利用最新的Intel®处理器性能提升,降低整体功耗,并通过抛弃专用的DSP和FPGA来减少组件数。

      Intel创新的环形互联是另一架构改进,可提升数据带宽、性能及功耗效率。 可扩展的高带宽片内互联创新实现了处理器核、处理器图形及其他集成组件(如内存和显示控制器)之间高速低延迟通信。 该设计确保了实时控制回路所需的低中断延迟。 内存加载端口增倍进一步提升了内存性能,使第二代Intel Core处理器家族每时钟周期(IPC)可执行更多的指令,保持始终向处理器供给数据。

    第二代Intel Core处理器还包含一个高级图形处理单元(GPU)和内存控制器(显示、I/O和内存控制器),都位于同一个32 nm硅片上。 这些处理器内置的GPU使嵌入式系统可以交付更复杂的HMI,无需担忧与图形卡相关的BOM或板空间。 这是拥有高级HMI的系统所重点考虑的。

 

革新您的运动控制产品

 

      IntervalZero使用SMP的RTX 2011为OEM提供了一个极佳的方式来充分利用基于软件的控制的性能优势、效率及可扩展性。 结合了Microsoft Windows及第二代Intel Core处理器,此解决方案可大幅削减新一代运动控制设备的成本,提高生产力和质量。

 

      IntervalZero, Inc.是Intel®嵌入式联盟的普通会员。新的基于软件的控制架构正在改变机械工具OEM的竞争基础,而IntervalZero’s RTX 2011是该架构的一个关键组件。

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