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Echtzeit-Controller für Industrial Ethernet

Eine reibungslose Kommunikation unter den Anforderungen der Industrie 4.0 ­erfordert Netzwerke mit Echtzeitverhalten und kurzen Zykluszeiten

Eine reibungslose Kommunikation unter den Anforderungen der Industrie 4.0 ­erfordert Netzwerke mit Echtzeitverhalten und kurzen Zykluszeiten

01  Blockdiagramm der R-IN Engine

01  Blockdiagramm der R-IN Engine

02  Mit der R-IN Engine lässt sich die Frame-Prozessierung stark beschleunigen

02  Mit der R-IN Engine lässt sich die Frame-Prozessierung stark beschleunigen

Die zuverlässige Zusammenarbeit der unterschiedlichen Systemkomponenten einer komplexen Produktionsanlage erfordert einen schnellen und sicheren Datenaustausch. Häufig wird von den Netzwerken zudem Echtzeitverhalten (Real-Time) mit kurzen Zykluszeiten gefordert. Neben der notwendigen reinen Geschwindigkeit müssen auch weitere zeitkritische Parameter, wie ein geringer Jitter (kleine Abweichungen bei systembedingten, immer wiederkehrenden Verzögerungen) und Isochronität (identische Zeitbasis für synchronisierte Abläufe in allen Netzwerkknoten), gewährleistet werden. Insbesondere das Echtzeitverhalten erfordert an zentralen Stellen der Kommunikationsschicht spezielle Hardware, die eine reibungslose Kommunikation unter den Anforderungen der Industrie 4.0 überhaupt erst ermöglicht.

In der Vergangenheit haben sich unterschiedliche Kommunikationsprotokolle entwickelt, die alle auf dem gleichen Ethernet-Standard IEEE 802.3 aufsetzen. Aufgrund unterschiedlicher Interessen, Strategien und Verbreitung sind nur die beiden unteren Schichten des OSI-Modells kompatibel: Die physikalische Schicht des IEEE 802.3 und das generelle Ethernet-Rahmenformat. Zu den bereits etablierten Protokollen im Bereich der Industrienetzwerke zählen unter anderem Profinet, Ethercat, Sercos III, Powerlink, Ethernet/IP, CC-Link IE und Modbus TCP.

Zwei-Klassen-Gesellschaft
Diese Protokolle lassen sich vereinfacht in zwei Gruppen aufteilen: Auf der einen Seite diejenigen, die mit einer „Standard IEEE 802.3“-Hardware auskommen, wie sie zum Beispiel auch in einem normalen PC vorhanden ist. Meistens besteht diese aus einem Ethernet MAC und ­einem Ethernet-Switch, letzterer mit einem inneren und zwei außen liegenden Ports. Mit dieser Struktur lassen sich in Industrienetzwerken die üblichen Ringstrukturen für ­redundanten Datentransfer realisieren.
Bei dieser ersten Gruppe, zu der zum Beispiel Profinet RT (Real-Time), Ethernet/IP und Modbus TCP gehören, enthalten lediglich die oberen Protokollschichten die speziellen Funktionen in Softwareform.
Die zweite Gruppe besteht aus den Protokollen, die zusätzlich für ihre unteren Kommunikationsschichten spezielle vom Standard abweichende Funktionen benötigen. Diese Funktionen sind unter anderem für das Real-Time-Zeitmanagement inklusive der Netzwerk-Synchronisierung erforderlich und steuern das automatische Extrahieren sowie Einfügen von Rahmendaten. Diese finden bei Protokollen, wie Profinet IRT (Isochronous Real-Time), Ethercat, Sercos III und CC-Link IE, unter Echtzeit-Bedingungen mit hoher ­Geschwindigkeit statt. Die vom Ethernet-Standard abweichenden Funktionen sind daher nur in Hardware in Form eines Protokoll-Controllers implementierbar.
Aus Sicht eines Herstellers sind bei all den verschiedenen Protokollen zwei Aspekte besonders wichtig: einerseits möglichst viele mit seinen Netzwerkgeräten abdecken zu können, und andererseits diese aus Kostengründen auch mit der identischen Hardware zu implementieren. In diesem Zusammenhang spricht man auch von dem Begriff „Multi­protokoll“. Hier lassen sich die Geräte nur durch einen einfachen Austausch der Software leicht an das jeweilige Pro­tokoll anpassen – ohne Modifikation der Hardware.

Einfache Anpassung durch ­Multiprotokoll
Mit Blick auf die Multiprotokoll-Funktion für die industrielle Ethernet-Kommunikation hat Renesas die R-IN-­Engine (Bild 1) entwickelt. Sie kommt als mehr oder weniger eigenständiger und unabhängiger Block bereits in unterschiedlichen Produktfamilien von Renesas zum Einsatz.
Die R-IN-Architektur (Renesas Industrial Network) ist zunächst einmal ein Sub-System mit einer ARM-­Cortex-M3-CPU und allen für ein SoC (System on Chip) benötigten Komponenten. Dazu zählen unter anderem Speicher, Interrupt-Controller und das entsprechende Bussystem mit unterschiedlichen Interfaces nach außen sowie der Möglichkeit zum Debugging.
Das System enthält darüber hinaus weitere Komponenten für die Ethernet-Kommunikation: Ein Gigabit-Ethernet-Switch mit einem innen liegenden und zwei äußeren Ports (wie oben beschrieben) sowie ein Ethernet MAC mit ­entsprechendem DMA-Controller und Puffer-Speicher explizit für den Ethernet-Datentransfer. Um die Protokolle der zweiten Gruppe abzudecken, kann der Standard-Ethernet-Switch/MAC über entsprechende Multiplexer ausgekoppelt und der jeweilige Protokoll-Controller in den Datenpfad eingekoppelt werden.

Beschleunigte Kommunikation
Über diese reine funktionale Betrachtung hinaus verfügt die R-IN Engine über einige Beschleuniger, deren Funktionen typischerweise ausschließlich in Software implementiert sind. Unter dem Aspekt der Real-Time-Anforderungen verkürzen diese die Prozessierung an zentralen Stellen der Kommunikation.
Der „HW-RTOS“-Beschleuniger unterstützt vor allem die Software mit einem automatisierten und priorisiertem Task-Scheduling. Darüber hinaus erfolgt in dieser speziellen Hardware die Task-Synchronisation über Event-Flags, ­Semaphore und Mailboxen sowie ein allgemeines Task- und Zeit-Management. Weiterhin lassen sich bestimmte Funktionen direkt ohne Einbeziehung der CPU über Interrupts aktivieren.
Das eng an die CPU angebundene „HW-RTOS“ beschleunigt sowohl das Prozessieren der Stack-Software als auch die eigentliche Applikation. Seine Verwendung basiert dabei für den Anwender auf einer „µItron“-Library. Sie ist daher transparent und erfordert kein detailliertes Wissen über die Ansteuerung dieses Beschleunigers.
Mit dem Checksum-Beschleuniger (Bild 2) wird die 4-Byte-Check-Summe am Ende eines Ethernet Frames beim Empfangen oder Versenden eines Frame-Bytes automatisch ohne Belastung der CPU „on-the-fly“ berechnet. In der Empfangsrichtung lässt sich so durch Vergleich des berechneten Werts mit dem empfangenen FCS-Feld (Frame Check Sequence) die Korrektheit des Frames mit einem ­einzelnen Vergleich überprüfen. Dabei verbraucht alleine die Berechnung des 32-bit-CRC-Werts in einer typischen Software­lösung nahezu 30 % der Performance, die generell für eine Ethernet-Kommunikation benötigt wird. Bei hohem Datenaufkommen spart dieser Beschleuniger somit entsprechend viel an CPU-Performance ein.

Zusammenfassung
Die R-IN Engine mit ihren Beschleunigern bietet im Vergleich zu ähnlichen Architekturen eine erhöhte CPU-Performance bei gleichzeitig reduzierter Verlustleistung und erhöhter Stabilität. Die spezielle Hardware arbeitet viel effizienter und entlastet die CPU teilweise extrem. Bei R-IN-Architekturen findet somit eine Kommunikation bei deutlich reduzierter Verlustleistung statt. Der Spielraum für
zusätzliche komplexe Aufgaben in der Applikation ist beispielsweise deutlich größer.
Mit der beschriebenen R-IN Engine-Architektur kann ein Baustein gleichzeitig sowohl die Netzwerkkommunikation als auch komplexe Applikationen mit niedrigen Verzögerungszeiten und geringem Jitter bei minimalem Stromverbrauch prozessieren. Aufgrund der Netzwerkkomponenten und deren Datenpfade im Sinne von Multiprotokoll können zudem sowohl alle Protokolle der ersten Gruppe, als auch ein Protokoll der zweiten Gruppe mit der identischen Hardware abgedeckt werden.
Die für industrielle Netzwerke konzipierte R-IN Engine ist mittlerweile erfolgreich in der R-IN32M3- und RZ/T1-Familie integriert. Während es sich bei R-IN32M3 um eine Single-Core-Lösung handelt, ist die RZ/T1-Familie konzeptionell eine Dual-Core-Architektur mit getrennten CPU für die Kommunikation (ARM Cortex-M3) und Applikation (ARM Cortex-R4). Weitere auf der R-IN Engine basierte Bausteine sind bereits in der Vorbereitung bzw. in Planung. Die Wiederverwendung und Weiterentwicklung der R-IN Engine in unterschiedlichen Familien ermöglicht eine ein­fache Protokollportierung von einer R-IN-Familie auf die andere.(no)

Andreas Schwope arbeitet bei der Renesas Electronics Europe GmbH im Bereich Smart Factory in der Industrial & Communications

Andreas Schwope arbeitet bei der Renesas Electronics Europe GmbH im Bereich Smart Factory in der Industrial & Communications