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多核处理器在工业自动化中的应用

作者:Frank J. Bartos2011.09.21阅读 7906

  半导体性能持续提升,半导体尺寸逐渐缩小至纳米级,这些改变是微处理器领域最为显著的发展。性能的改善部分源自更高的芯片频率或者时钟速度,也意味着更高的能耗(包括能量流失)和发热。
    由于损耗和效率低下到达了无法接受的程度,所以一种新的芯片设计方法呼之欲出。多核处理器(MCP)应运而生,它定义为一块硅芯片上放置两个或者多个处理器内核。和大多数先进技术一样,为了获得最佳效果,必须做一些改变——这里的改变指并行软件编程技术。
  Intel公司作为MCP的主要生产商,见证了这些设备在自动化公司的推动下,正在向工业领域渗透,基于PC的技术和其他基于标准的元器件迅速发展以满足特定用户的需求。Intel公司的工业自动化市场战略经理Gilvarry称,这种方法使自动化系统的应用和特殊功能的集成比专用硬件解决方案更加方便。
  合并功能
  Gilvarry指出,具有虚拟技术的MCP可以实现单一平台体系结构,将多种控制设备上的功能整合起来,例如PLC、运动控制器和HMI。他说道:“Intel公司的多核处理器可以将多种功能整合于一张主板上,包括安全功能、控制功能、虚拟技术和网络安全功能。而且CONTROL ENGINEERING China版权所有,这种整合所需的软件更改最小。”

图片所示为处理器内核是如何分配制定任务的。使用National Instruments公司控制器的虚拟技术,可以将一个多核CPU中的每个内核分配不同的操作系统。
 资料来源:National Instruments公司和Control Engineering

  Glivarry解释说,在各种应用中,MCP最适合在一块CPU上实现设备运动控制和逻辑控制。这种观点与设备搭建商和OEM厂商所长期笃信的观点截然相反,他们认为最好将这些设备作业分开管理——即从三种方式任选其一:(1)每一个运动轴分配一个控制器,设备的夹持部分也包括在内;(2)每一个轴分配一个具有运动控制器的中央PLC;(3)一台中央PLC用于控制逻辑,一台中央运动控制器用于控制所有设备轴。
  然而控制工程网版权所有,这些方法都有缺点,例如复杂的同步问题、多进程等待问题、程序开发/调试问题以及两个程序之间的相互通讯问题。
  “逻辑的性能限制了设备的性能;而且CONTROL ENGINEERING China版权所有,逻辑和运动之间的复杂通讯问题限制了设备的灵活性,并给同步诊断设置了巨大障碍。”Gilvarry说道:“而多核处理器的出现使PLC变得不再必要,它整合运动、逻辑和其他功能于一体。”
  Intel公司的MCP最新推出了Atom产品家族的两个型号产品,以及双核Core 2 Duo;四核Core 2 Quad和六核Core i7处理器。
  单位功耗
  MCP为工业界带来的诸多好处之一便是能够更有效率地使用芯片功耗。将时钟速率提高可以提升性能,但是平均功耗性能反而会降低,MCP采用了一种新的思路,被NI公司的软件产品经理Casey Weltzin称为“更优每瓦性能”。对于传统(单核)芯片设计,功耗已经成为了一个大问题。Weltzin说道:“多核CPU采用的并行计算方式所消耗的功率与内核数量成线性关系——而不是指数关系。”
  他解释道,额外的计算内核意味着更紧凑的自动化系统,即更多的功能。提升的计算能力确保MCP用户能够安装更复杂的控制算法,以更有效率的方式运行更多的计算。先进的软件算法使过程更快,进而节省了功耗或者其他的系统消耗。
  MCP在单一控制器上支持多个操作系统,它能同时运行确定性控制的实时功能和通用操作系统任务(HMI、网络存取等等),对于工业自动化系统来说,这堪称是理想的解决方案。而且CONTROL ENGINEERING China版权所有,用户可以自行计划如何使用这些内核,也就是让哪个内核运行哪个操作系统或者指定的控制循环。Weltzin指出:“设计人员以前都依靠独立的硬件来满足这种需求;现在具有虚拟技术的多核CPU减少了硬件花费和尺寸。”MCP扩展了工业应用的潜力。
  Beckhoff Automation公司极具前瞻性地在其工业电脑(IPC)产品上安装了MCP,多核所带来的多任务作业的优势令其记忆犹新。Beckhoff公司的技术市场经理Corey McAtee称,其公司使用“科学自动化”这个词来总结工程师们是如何使用多核IPC上的多个内核来执行各种并行任务的。

设备制造商可以使用软件为处理器的每一个内核分配指定的任务。例如,如图所示Beckhoff Automation公司TwinCAT 3的处理器内核1被分配给了运动程序。

  根据Beckhoff公司的经验,多核IPC能够降低总功耗,进而降低设备的发热,更小的硬件尺寸也是优点之一。McAtee说道:“由于发热更少,设备制造商可以减小机柜尺寸,或者省去机柜中的制冷设备。”
  McAtee陈述道:“在工厂车间中的自动化控制中使用多核IPC,为正在寻求小巧设备设计和减少非必要控制元件的设备制造商带来了福音。”
  Beckhoff公司2011年第二季度发布的TwinCAT3平台完美演绎了这种为每一个处理器内核分配特定的自动化任务的能力(见图)。 “使用软件包将多核IPC编队,确保用户能够智能地利用多核处理器中的每一个内核,发挥其优势。” McAtee补充道:“IPC变成一种功能强大的设备,仅使用一种软件平台和一个网络(EtherCAT)以及相当少的布线和编程工作就能够完成4台传统设备的任务量。”
  Freescale Semiconductor公司将MCP视为提升性能的一种途径,同时减少芯片数量、主板尺寸和工业应用的功耗,例如可编程逻辑控制器、电机驱动和机器人。但是,Freescale公司工厂自动化&驱动产品国际事务部经理Alexandra Dopplinger警告道:“多核处理器会增加发热和软件设计的复杂度以及成本。”她解释道,由于MCP的几何尺寸也更小,所以低功耗并不一定意味着更简化的散热设计。Dopplinger说道:“从更小的面积上移除同样数量的热量通常都会导致使用更昂贵的散热材料或者更复杂的散热结构。”
  重要的是,MCP通常以更低的时钟速率运行,双核或者四核通常并不会产生双倍或者四倍的性能。她说道:“然而控制工程网版权所有,多核体系结构比传统的单核体系结构能够以更少的成本和更低的功耗提供更高的性能。”作为例子,Dopplinger引用了Freescale公司的QorIQ P4080通讯处理器,此产品在一块芯片上配有8个1.5GHz内核,每秒百万指令数量(MIPS)超过20000,而功耗却低于30W。上一代的单核处理器在同样的功耗下只能支持3000MIPS。
  在MCP应用上,操作系统也占据了很大一部分比重。Dopplinger提到,在某些情况下,使用单核处理器完成复杂过程的实时控制决策更加合适。她说:“然而控制工程网版权所有,例如Enea OSE多核实时操作系统之类的操作系统可以以最优的方式将软件指令分配给多个处理器内核,例如Freescale公司的QorIQ,使算法如同运行在单核处理器上一样。”类似的,安全控制器之类的功能也通常在专门的独立处理器上运行。
  不同的软件编程
  NI公司的Weltzin说道,向MCP的发展趋势并非是一个自然进化过程,软件设计人员在思路上也要有所转变。“设计人员必须全神贯注于并行体系结构www.cechina.cn,并有意识地分配应用以实现最优性能,这一改变成为了今天MCP技术普及上的最大挑战。在这个问题上,研究人员、工具提供者以及工程师/程序员必须协同工作。”
  开发人员在开发并行代码时还面临着其他挑战。首先,多核之间——或者内存结构之间——的数据缓存连接机制影响了代码运行速率,因此对于整个应用性能来说,它至关重要。Weltzin解释道,调试并观察进程之间的交互作用又是另一个挑战。
  他提到了软件工具能够减缓内存缓冲问题和调试问题,但是仍需更多创新。Weltzin说道:“本质上来讲,这些工具提取代码中的信息,并使用这些信息自动将应用分配给多核CPU。”一种被称为“数据流”的底层技术使设计人员无需手动为代码制定并行区。数据流是NI公司LabVIEW软件的一部分,此软件通常使用多达8个CPU内核。Weltzin继续道:“而且CONTROL ENGINEERING China版权所有,很多软件工具供应商正在积极地投资于调试工具CONTROL ENGINEERING China版权所有,帮助开发人员跟踪每个独立进程并观察每个线程之间的交互作用。”
  四核和更多核处理器已经上市控制工程网版权所有,更多核的产品正在开发阶段,也基本就是硬件重复的过程。他说道:“单一芯片内核的数量持续上升,对每个内核的有效利用则成为中心挑战,虚拟技术是一种被看好的解决方案。”多核处理器的并行代码跟踪变得十分困难,例如16核。Weltzin说道,有一种智能编译器(例如LabVIEW)能够将应用代码自动分配至处理器硬件,不过编译器也是有限制的。
  Intel公司的Gilvarry同意应用软件开发人员将会需要改变他们的体系结构,以确保多核处理器的优势能够体现出来。对于大多数用户来说,它意味着更多并行的软件代码。Gilvarry说道,通常可以使用两种方法:多任务分配是较为简单的第一步,另一种方法是创建线程。第二种方法具有最优的性能,但是需要更多的投入。
  他列出了将一个串行软件应用转换为多线程应用的四部:分析、表达、开发和优化并行机制。“一旦完成这四步,创建线程就可以以最优的方式利用缓存,运行算法也更快,”Gilvarry说道:“为相应的处理器开始一个新的线程比开始一个新的进程要快,因为通常内存段内信息无需更改,而且所需指令仍旧存在于缓冲区内。”
  MCP正在向自动化系统中渗透,首先从高端控制器开始,一旦成本降低并且用户开始逐渐接纳,低端系统也会跟上这种趋势。

  多核处理器的应用日益增多
  多核处理器(MPC)具有宽广的工业应用潜力——从视觉检测系统到运动控制——更多的开发人员会逐步采用这种技术,首先从高端系统开始。
  NI公司的软件产品经理Casey Weltzin说道,在多核CPU的众多优势中,它应用的多样性最让人心动。很容易理解,最初的工业使用总是由高端自动化系统开始。Weltzin说道:“目前多核CPU仅仅是工业领域和嵌入式领域中的一种选择,而在10年以后,它将普遍存在于低端、低功耗设备中。”
  MCP的潜力源自其并行完成作业的能力,Weltzin解释道,这包括所有工作领域,例如大系统吞吐能力下的同步数据流水线操作或者支持更复杂的控制算法。
  他补充道:“任何可以被分解的应用都适用多核处理器。”
  MCP的工业应用包括:
  ·机器视觉;
  ·CAD系统;
  ·CNS设备;
  ·自动测试系统;
  ·运动控制。
  特别是后面几种应用,对于多轴运动和多核处理,“并行机制”乃完美之选。
  Freescale Semiconductor公司的工厂自动化&驱动器产品国际事务部经理Alexandra Dopplinger提到了MCP应用的过程安全性问题。她解释道,例如安全控制器之类的功能通常都运行于独立的处理上。
  她说道:“然而控制工程网版权所有,例如QNX Neutrino RTOS之类的操作系统能够对确定性实时控制算法进行分割并排序,使其安全地运行于单核或者多核工业网络协议和HMI上,不用担心中断或者资源争抢。”
  翻译:辛磊夫

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