Renesas bietet Multiprotokolllösung für Automatiisierungsprojekte

System on Chip integriert ARM-Cortex-M-CPU mit Kommunikations-Engine /Teil 1

Mehr Leistung für das Multiprotokoll

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Mit seiner aktuellen RZ/N1-Familie will Renesas bestehende Multichip-Lösungen in industriellen Steuerungen, industriellen Netzwerk-Switches und Bedienerterminals durch ein einziges stromsparendes Multiprotokoll-SoC (System on Chip) ersetzen. Der hohe Integrationsgrad vereint einen Anwendungs-Core auf der Basis eines ARM-Cortex-M mit einer Echtzeit-Kommunikations-Engine auf einem einzigen Multiprotokoll Chip.

Ognen Basarovski, Senior Product Marketing Manager, Smart Factory, Renesas Electronics Europe

Der entscheidende Vorteil dieser Lösung ergibt sich aus dem innovativen Middleware Generic Open Abstraction Layer (GOAL), auch bekannt als Operating System Abstraction Layer (OSAL). Die Middleware stammt vom Industrial-Ethernet-Software-Spezialisten port GmbH, bei der Industrial-Ethernet-Protokoll-Stacks von unterschiedlichen Herstellern über die gleiche Middleware portiert werden. Dies bietet zweierlei Vorteile:

  • Der Wechsel von einem Protokoll zum anderen wird einfacher, da die Anwendung beim Wechsel nicht mehr tiefgreifend modifiziert werden muss.
  • Der Wechsel von einem R-IN-Engine-SoC auf ein anderes ist problemlos möglich, weil die Anwendung und ihre Kommunikationsschnittstelle nicht mehr grundlegend verändert werden muss.

Unterstützung für mehrere Protokolle

Die Automatisierungsbranche ist auf dem Weg ins Zeitalter der Industrie 4.0. Künftige Produktionsanlagen beruhen auf cyber-physikalischen Systemen, deren Kernmerkmale Echtzeit und deterministische Kommunikation sind. Um diesen Trend zu ermöglichen, entwickelte Renesas die R-IN-Kommunikations-Engine.

Bereits 2012 brachte Renesas die Industrial-Ethernet-Kommunikations-SoCs der Serie R-IN32M3 auf den Markt. Diese SoCs unterstützen mehrere Industrial-Ethernet-Protokolle. Die IP umfasst einen echtzeitfähigen Switch, eine ARM-Cortex-M3-CPU sowie eine Reihe von Beschleunigern zur Entlastung der CPU. In der R-IN-Engine sind vier unterschiedliche Beschleuniger implementiert:

  • HW-RTOS ist vor allem ein Hardware-Beschleuniger, der die Software-Ausführung eines Echtzeit-Betriebssystems unterstützt, indem er bestimmte Anteile der Task-Verarbeitung, Service-Aufrufe und Task Scheduling in Hardware ausführt.
  • Der CheckSum-Beschleuniger berechnet automatisch und on-the fly die 4-Byte-Prüfsumme am Ende der Ethernet-Frames. Diese würde ansonsten bei typischen Anwendungen etwa 30 % der CPU-Leistung benötigen.
  • Der Header EnDec-Beschleuniger verschafft der CPU einen schnellen und direkten Lese- und Schreibzugriff auf alle Frame-Header-Informationen ohne jegliche Latenz. Eine solche Daten-Vorverarbeitung beansprucht typischerweise ca. 15 % der gesamten CPU-Leistung bei einem rein Software-basierten TCP/IP-Stack.
  • Der Buffer-Managementbeschleuniger kontrolliert automatisch die Funktionen für Pufferspeicher-Zuweisung und -Freigabe für die Ethernet-Verarbeitung in Hardware.

Mit diesen Beschleunigern lassen sich die oben erwähnten RTOS- und Ethernet-Funktionen direkt in Hardware ohne jegliche Beteiligung der Cortex-M3-CPU ausführen. Dies verringert die CPU-Auslastung und den Stromverbrauch insbesondere bei hohem Ethernet-Trafffic. Der für niedrigen Stromverbrauch optimierte Cortex-M3-Core ermöglicht dank der Unterstützung der verschiedenen Beschleuniger einen Low-Power-Betrieb (~300 mW) der Kommunikations-Engine. Weiterhin verbessern die Beschleuniger dank ihrer deterministischen Verarbeitungsgeschwindigkeit bei geringem Jitter das übergreifende System-Timing. Dies ist besonders wichtig für Hochgeschwindigkeits-Echtzeit-Netzwerke, da es eine höhere Qualität in einer isochronen Netzwerkumgebung ermöglicht.

Vergleicht man eine R-IN-Engine mit und ohne Beschleuniger, so lässt sich eine erhebliche Leistungsverbesserung beobachten. Vergleichbare AMR-Architekturen ohne die Beschleuniger erreichen bei einer CPU-Auslastung von 100 % eine UDP-Kommunikationsgeschwindigkeit von 60 Mbps. Demgegenüber hat eine R-IN-Engine mit Beschleunigern eine CPU-Auslastung von nur 30 %, mit 95 Mbps jedoch eine wesentlich höhere UDP-Kommunikationsrate. Somit bleibt genügend Rechenleistungsbandbreite für eine einfache I/O-Anwendung auf dem gleichen Kern.

Erste Erfolge auf dem Markt und positive Rückmeldungen der Kunden führten zu weiteren Implementationen der R-IN-Engine. Das Motion-Control ASSP RZ/T1 mit Multiprotokoll-Unterstützung folgte im Jahre 2015 und die RZ/N1-Produktfamilie kam im März 2017 auf den Markt. Die neueste Version der R-IN Engine hat einen 5-Port Echtzeit-Ethernet-Switch und unterstützt außerdem die Industrial-Ethernet-Protokolle Powerlink und Sercos sowie die Redundanz-Protokolle HSR und PRP.

Leistung plus Energieeffizienz

Mit Einführung der neuen RZ/N1-Produktfamilie verleiht Renesas typischen industriellen Kommunikationsanwendungen mehr Rechenleistung. Die RZ/N1-Familie ist ein SoC, in dem ein Anwendungs- und ein Kommunikationsblock zusammen auf einem Chip integriert sind. Die gemeinsame Integration ist ein allgemeiner Trend, der aufgrund der Notwendigkeit eines deterministischen Verhaltens beim RZ/N1 besonders sinnvoll ist. Je enger die Interaktion zwischen dem Anwendungs- und dem Kommunikations-Block in einer gemeinsamen Hard- und Softwarearchitektur ist, umso einfacher wird es, beste Echtzeitleistung und deterministisches Verhalten zu erzielen.

Der Haupteinsatzbereich des RZ/N1-Multiprotokoll-Kommunikations-SoC sind anspruchsvolle Anwendungen in der Fertigungsautomatisierung. Dank ihrer Multicore-Architektur bietet die RZ/N1-Familie ausreichend Leistung für Controller, HMI-Lösungen oder industrietaugliche Switches mit Unterstützung für Industrial Ethernet. Nach dem Multiprotokoll-Kommunikations-SoC R-IN32M3 für Slave-Anwendungen und dem 3-in-1-SoC RZ/T1 für Motion-Control-Anwendungen, ist der RZ/N1 eine logische Erweiterung des Renesas-Portfolios für die Industrieautomatisierung. Er bietet eine skalierbare und Software-kompatible Plattform für Anwendungen in der Industrieautomatisierung. Darüber hinaus bringt RZ/N1 dank seines leistungsfähigen Embedded-Switches mit fünf Ports moderne Leistung für Industrienetzwerke und bietet alle erforderlichen Funktionen für einen TSN-Endpunkt wie Traffic Shaping, Zeitsynchronisierung und Frame-Klassifizierung/Priorisierung.

Die RZ/N1-Familie umfasst drei Produkte: RZ/N1D, RZ/N1S und RZ/N1L. Sowohl das RZ/N1D wie auch das RZ/N1S haben einen Applikations- und einen Kommunikationsblock, die auf dem gleichen Die integriert sind. Für einen nahtlosen Datenaustausch arbeiten diese Blöcke Hand in Hand, und sind über ein Datenkommunikations-API (Application Programming Interface) auf Basis der GOAL-Abstraktionsschicht miteinander verbunden. Die Kommunikation zwischen den Cores und der R-IN-Engine ist transparent für den Entwickler, um eine einfachere Anwendungsentwicklung zu ermöglichen.

Der Anwendungsblock des RZ/N1D-SoC umfasst zwei ARM-Cortex-A7 und eignet sich für High-End-Anwendungen wie Netzwerk-Switches, SPS und Gateways. Das SoC ist in zwei Gehäusetypen erhältlich, als 400 BGA und als 324 BGA. Der Anwendungsblock des RZ/N1S-SoC enthält einen ARM-Cortex-A7 und wurde für Midrange-Anwendungen wie Nano-SPS und graphische Bedienerterminals konzipiert. Das RZ/N1S kommt ebenfalls in zwei Gehäusevarianten als 324 BGA und als 196 BGA. Die Kommunikationsblöcke des RZ/N1D und des RZ/N1S sind nahezu identisch und bieten je nach Produkt-Option drei Ethernet-Ports in der kleineren und fünf Ethernet-Ports in der größeren Gehäusevariante. Während der RZ/N1D ein 2 MB großes internes Memory und ein externes DDR-Interface hat, zielt der RZ/N1D mit 6 MB internem Memory auf kompakte Produkte mit wenigen externen Bauteilen.

Das RZ/N1L hat keinen dedizierten Applikationsblock, da es ausschließlich eine Cortex-M3-CPU enthält. Das Konzept dieses SoCs ist es, einen einfachen Kommunikationsbaustein für Kunden vergleichbar mit dem R-IN32M3 anzubieten, die ihre bestehenden Bausteine um eine Netzwerkfunktion erweitern möchten. Das RZ/N1L ist in einem 196 BGA-Gehäuse erhältlich.

www.renesas.com/rzn

Ein Whitepaper informiert über die RZ/N1-Kommunikation

http://hier.pro/bOFbQ

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