Virtuelle Rechner statt separater Hardware
Embedded Systeme benötigen zusätzlich zu harter Echtzeitfähigkeit meist auch die Möglichkeit der Visualisierung und Datenverarbeitung sowie die nahtlose Integration in Unternehmensnetzwerke. Aus diesem Grund sind sie oftmals aus mehreren Hardwarekomponenten aufgebaut, wobei eine Plattform für das Echtzeitbetriebssystem benötigt wird und auf einer separaten Hardware das Standard-Betriebssystem wie Microsoft Windows oder Linux läuft.
Die logische Weiterentwicklung ist die Implementierung mehrerer Betriebssysteme auf unterschiedlichen Prozessorkernen in Multicore-Prozessorarchitekturen. Damit reduziert sich nicht nur die Summe aller Hardwarekosten, gleichzeitig erhöht sich die Zuverlässigkeit und Performance des Gesamtsystems. Die technische Grundlage zur Implementierung mehrerer Betriebssysteme auf einem Multicore-Prozessor wurde von der Hardwareseite u.a. durch die Intel Core-Prozessorfamilien mit vier bzw. zwei Kernen geschaffen. Zum Management des auf den einzelnen Cores laufenden Echtzeitbetriebssystems (RTOS) und des Windows-Betriebssystems hat Real-Time Systems den RTS Real-Time Hypervisor entwickelt. Das Tool übernimmt die exklusive Zuteilung einzelner Prozessorkerne, Speicherbereiche oder I/O-Geräte auf alle unabhängigen Betriebssysteme. Durch die Aufteilung dieser Komponenten in einzelne, virtuell unabhängige Rechner lassen sich die Hardwarekosten wesentlich verbessern. Die Kombination mehrerer gleicher oder verschiedener Betriebssysteme hängt nur von der Anzahl der Prozessorkerne ab. So lassen sich auf einem Dual-Core- Prozessor mit Hyperthreading beispielsweise je zwei virtuelle Kerne für Windows und das Echtzeitbetriebssystem verwenden.
Betrieb wie auf getrennter Hardware
Da der RTS Hypervisor kein Host-Betriebssystem benötigt, können alle Betriebssysteme in beliebiger Reihenfolge starten oder neu booten. Die Betriebssysteme verhalten sich so, als ob sie auf getrennter Hardware ablaufen würden und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Um die Kommunikation zwischen den einzelnen Betriebssystemen zu vereinfachen, unterstützt der Hypervisor einen konfigurierbaren geteilten Speicherbereich sowie ein virtuelles, TCP/IP-basiertes Netzwerk. Das Tool nutzt die Intel VTx-Technologie zum sicheren Betrieb von General Purpose Betriebssystemen. DSM Computer plant auf Basis einer engen Kooperation mit Real-Time Systems den RTS Real-Time Hypervisor auf ausgewählten Industrierechnern mit Intel Multicore-Prozessor zu implementieren. Ziel ist es, Anwendern sofort lauffähige Industrierechner zu bieten, die echtzeitfähig und für Visualisierungsaufgaben prädestiniert sind. Christian Lang, Leiter Marketing bei DSM Computer, erklärt: „Wir wollen unseren Kunden kompakte Embedded-Systeme mit vorintegrierter Software – alles aus einer Hand – anbieten. Damit tragen wir dazu bei, die Entwicklungszeit und die Kosten für die Kundenapplikation zu reduzieren. Wir haben klar erkannt, dass auch im Automatisierungsmarkt der Einsatz von Virtualisierungstechnologien immer wichtiger wird.“
Demosystem mit Windows 8 und Echtzeitbetriebssystem
Das erste Produkt der DSM, auf dem der RTS Hypervisor implementiert wird, ist der Schaltschrank-PC Galaxy G4-QM57 mit Intel Core i5-520M-Prozessor (2,4GHz) und Intel QM57-Chipsatz. Zusätzlich zur Standardversion sind optional ein noch leistungsstärkeres Modell mit Intel Core i7-620M (2,66GHz) Dual-core CPU erhältlich. Der standardmäßig 4GByte große DDR3 RAM-Arbeitsspeicher (800/1.066MHz) lässt sich auf eine Kapazität von 8GB erweitern. Der Box-IPC ist besonders für das raue Industrieumfeld konzipiert. Um den schnellen Zugriff auf alle Komponenten zu ermöglichen, sind der Laufwerkseinschub und die Anschlüsse an der Vorderseite des Industriegehäuses angebracht. Zur Systemerweiterung mit kurzen, gängigen Zusatzmodulen, z.B. CAN-Bus und andere Feldbuskarten, oder mit anwenderspezifischen Steuerungskarten verfügt der Schaltschrank-PC über drei freie PCI-Slots und einen PCI Express x1-Steckplatz. Auf dem erstmals auf der embedded world gezeigten Demosystem mit dem Galaxy laufen ein Echtzeitbetriebssystem sowie das Standard-Betriebssystem Windows 8 komplett unabhängig voneinander auf dem RTS Hypervisor. Die harte Echtzeitfähigkeit bleibt dabei vollständig erhalten. Christian Lang sagt dazu: „Selbst wenn Windows abstürzt, wird davon das RTOS nicht beeinflusst, da alle Inputs/Outputs den einzelnen Kernen fest zugeordnet sind.“ Zusätzlich zum virtuellen Netzwerk und Shared Memory können die Betriebssysteme durch das Senden und Empfangen benutzerdefinierter Events miteinander kommunizieren. Dieses Event-System ist durch Inter-Prozessor-Interrupts implementiert und kann auch für zeitkritische Aufgaben zwischen Echtzeitbetriebssystemen zum Einsatz kommen. Zur Absicherung des Betriebs der verschiedenen Betriebssysteme werden vom Watchdog Warnsignale gesendet, sobald ein Subsystem nicht mehr korrekt arbeitet. In diesem Fall bietet eine Programmierschnittstelle im Hypervisor nun die Möglichkeit CPUs zu reseten, neu zu starten oder andere Maßnahmen zu ergreifen. Die Industrierechner mit RTS Hypervisor zielen auf Anwendungen, bei denen Anwender sowohl ein deterministisches Echtzeitbetriebssystem für zeitkritische Funktionen als auch ein Standard-Betriebssystem für andere Aufgaben auf einer einzigen Hardwareplattform einsetzen möchten.
