Echtzeitfähiger Hypervisor von Congatec

Alle Kerne ausgenutzt

Dank moderner Multicore-Prozessoren können verteilte Embedded-Systeme auf eine einzige Edge-Computing-Plattform reduziert werden. Für diese Konsolidierung ist es allerdings erforderlich, die bereitzustellenden Computing Cores und virtuellen Maschinen möglichst gut auszubalancieren.
 Congatec bietet ein Starter-Kit für die Konsolidierung von Echtzeit-Workloads an, das ein Intel-Xeon-E2-basiertes Com-Express-Type6-Modul und den RTS Hypervisor von Real-Time Systems beinhaltet.
Congatec bietet ein Starter-Kit für die Konsolidierung von Echtzeit-Workloads an, das ein Intel-Xeon-E2-basiertes Com-Express-Type6-Modul und den RTS Hypervisor von Real-Time Systems beinhaltet.Bild: Congatec GmbH

Je mehr vernetzt und digitalisiert wird, desto mehr Aufgaben kommen auch auf Embedded-Systeme zu. Die ehedem geschlossen betriebenen Komponenten werden zum Gateway und zur zentralen Kommunikationsinstanz ihrer Wirte und müssen nicht mehr nur die eigentlichen Applikationen steuern. Sie werden zunehmend interaktiv und vielschichtiger. State-oft-the-Art ist es im IT-Sektor heute, die daraus entstehenden Einzelaufgaben in Containern zu implementieren, die oberhalb des Host-Betriebssystems eine Kapselung ermöglichen, sodass man den Zugriff auf diese Funktionen sauber einstellen kann. In vielen Applikationen unterschiedlichster Industrien reicht dies aber nicht aus, da ein Echtzeitsystem parallel zu all der nicht so echtzeitkritischen Kommunikation laufen muss, und diese Systeme werden zudem auch noch zunehmend in Echtzeit vernetzt. Über Time Sensitive Networking (TSN) und mittels TSN over 10BaseT1L auch bis hin zum dezentralen Sensor oder Aktuator.

Speziell für große Fabriken oder die Prozessindustrie ist die IP-basierte Echtzeitvernetzung interessant, da man über die Zweitdrahtleitung nicht mehr nur 100 Meter, sondern auch Kilometer entfernte Devices ansprechen kann. Alles kann damit ‚over IP‘ vernetzt werden. Die Daten dieser Devices laufen dann IIoT-konform ebenfalls in den Edge-Servern auf und können beispielsweise in passenden Containern für Big-Data-Analytik bereitgestellt werden. Man will ja nicht mehr alles in zentrale Clouds speichern. Viel Analytik geht heute auch schon vor Ort. Gleiches gilt auch für die meisten anderen genannten Aufgaben, die aufgrund der Digitalisierung und Vernetzung entstehen. Nur eines kann man mit diesen Containern nicht managen: Die Applikationen, die harte deterministische Echtzeit erfordern, die garantiert nicht durch andere Rechenprozesse gestört werden dürfen. Hierzu braucht man echtzeitfähige Hypervisortechnologie wie den RTS-Hypervisor von Real-Time Systems, den Congatec auf allen seinen passenden Computer-on-Modules bereits funktionsvalidiert als Standard-Option anbietet.

Attraktiv sind solche Installationen vor allem bei Prozessoren mit vielen Cores, da viele Cores auch immer viele unterschiedliche Konfigurationen ermöglichen. Rein theoretisch kann auf jedem Core eine eigene virtuelle Maschine laufen, deren OS auch unabhängig von dem der anderen Cores booten kann. Die AMD-Ryzen-Embedded-V2000-Prozessoren, wie sie Congatec auf seinen Com-Express-Type6-Modulen anbietet, haben hierfür bis zu 8 Cores, die 16 Threads unabhängig voneinander parallel betreiben können. Generell kann man einen solchen Ansatz aber auch bereits mit Dual-Core-Systemen fahren. Setzt man sein Design dann auf Basis von Computer-on-Modules auf, kann man je nach Konsolidierungsfortschritt die Anzahl der Cores skalieren und so das Embedded System ausbalancieren – allein durch den Austausch des Moduls.

Konsolidierung von Workload in Echtzeit

Um Entwicklern einen möglichst komfortablen Einstieg in solche modulare Edge-Server zu ermöglichen, hat Congatec gemeinsam mit Intel und Real-Time Systems ein Entwicklungskit für die Konsolidierung von Workloads entwickelt, das als Intel-zertifiziertes RFP-Kit (ready for production) verfügbar gemacht wurde. Es ist maßgeschneidert für die nächste Generation von bildbasierten kollaborativen Robotik- und Automatisierungssteuerungen sowie für autonome Fahrzeuge, die mehrere Aufgaben parallel ausführen. Basierend auf oben genanntem Modul, diesmal mit Intel-Xeon-E2-Prozessor und der Integration von drei virtuellen Maschinen, ist die Plattform in der Lage, eine Systemanwendung neu zu starten während die Echtzeitanwendung auf einer anderen virtuellen Maschine völlig unbeeinflusst weiterläuft. So etwas ist mit einem unter Windows gehosteten Hypervisor oder Container nicht möglich.

Darüber hinaus hat die Einführung von 5G-Technologien und 10+GbE-Netzwerken es notwendig gemacht, Echtzeitverarbeitung in taktilen Internetumgebungen durchzuführen. Vor diesem Hintergrund wurde das Kit auch für die Unterstützung von zeitkritischen Netzwerken (TSN) entwickelt. Die TSN-Technologie erfüllt dabei viele Standards, wie Time Aware Shaping (TAS), virtuelle LANs über Ethernet (IEEE 802.1q) und Echtzeitsynchronisation über das Precision Time Protocol (PTP). Die Synchronisation zwischen den Knoten erfolgt dabei über PTP, wobei die Zeit von einem Master vorgegeben wird. Die Clock eines jedes Slaves kann eine hochgenaue Synchronisation im zweistelligen Nanosekundenbereich erreichen und auf Basis dieser Clocks zeitgestempelte Pakete versenden.

PTP-Netzwerke werden so in die Lage versetzt, sich mit der gleichen Genauigkeit zu synchronisieren. Wird in diesem Fall eine 1219-Intel-Ethernet-Schnittstelle verwendet, ist keine zusätzliche dedizierte Hardware oder proprietäre Applikation erforderlich, da die Taktsynchronisation vollständig auf dieser Standardkomponente basierend umgesetzt werden kann. Das Kit zur Echtzeit-Konsolidierung von Workloads kann direkt bei Congatec oder im Intel Marketplace bestellt werden.

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