作者：Joseph Byrne
某新建機場曾斥資2億多美元建設行李處理系統(tǒng)，但因為系統(tǒng)故障，最終不得不徹底廢棄重建。當時，業(yè)內傳言稱，出現故障的原因是該系統(tǒng)采用了適用于計算的高級操作系統(tǒng)（OS），而不是適用于工業(yè)自動化的實時操作系統(tǒng)（RTOS）。
最終結果表明，故障由其他決定性因素造成，但操作系統(tǒng)故障的假設仍然成立。高級操作系統(tǒng)的作用是最大限度地提高計算吞吐量，而實時操作系統(tǒng)（RTOS）是為了減少延遲。在機場環(huán)境中，重要的不是行李系統(tǒng)每小時能計算多少件行李，而是能否在行李到達傳送帶末端之前將其切換到正確的行李轉盤上，因此任務的時效性至關重要。高級操作系統(tǒng)適用于計算，而實時操作系統(tǒng)則適用于時效。
既要求高級操作系統(tǒng)提供的豐富操作環(huán)境，又要求實時操作系統(tǒng)的時效性時，系統(tǒng)搭建的挑戰(zhàn)性較高。工業(yè)企業(yè)逐漸將實時系統(tǒng)的運營技術（OT）與計算系統(tǒng)的信息技術（IT）融合。恩智浦之前曾發(fā)表過一篇關于時間敏感網絡（TSN）和Layerscape LS1028A處理器中內置TSN以太網支持方案的博文，其中討論過這種融合。恩智浦隨后在i.MX應用處理器添加了TSN支持。為了解決類似的處理融合問題，恩智浦提供了實時邊緣軟件，為Linux®內核增加了實時擴展及Jailhouse管理程序等選項。該軟件是OpenIL的下一代（曾在之前的博文中介紹過）。
恩智浦Real-Time邊緣軟件
如上所述，工業(yè)自動化系統(tǒng)可能需要在執(zhí)行時效性任務的同時執(zhí)行其他任務。不同的硬件（如微處理器和微控制器）可分別用于處理這兩類任務。然而比較理想的情況是，在同一個處理器上同時進行，并且不降低實時性能。商用軟件可滿足這些要求，然而工業(yè)系統(tǒng)開發(fā)人員希望在跨界兼容平臺上部署控制系統(tǒng)，以降低成本、簡化維護并利用不斷擴展的開源代碼市場來滿足未來的需求，因此企業(yè)愈加希望采用開放、靈活、安全和可擴展的系統(tǒng)架構。
我們矢志不渝地滿足工業(yè)客戶日益增長的需求，為此我們日前宣布將大規(guī)模供應real-time邊緣軟件。通過這款軟件，我們的客戶能夠在實時開源Linux®操作系統(tǒng)上構建實時應用程序。原始設備制造商（OEM）對Linux操作系統(tǒng)青睞有加，出于多種考量：一方面，該操作系統(tǒng)是開放性的，擁有廣泛的社區(qū)支持；另一方面，企業(yè)希望減少技術專有性。恩智浦實時邊緣軟件讓開發(fā)人員能夠根據自己的需求進行選擇，從而靈活地實現這些目標，同時保持應用程序正常工作所需的低延遲與高可靠性。
恩智浦的實時邊緣軟件為需要確定性延遲和高可靠性的應用提供了安全的開源實時Linux環(huán)境，以實現高效且容錯的自動化工業(yè)控制系統(tǒng)。典型應用包括應用于工業(yè)、運動控制、樓宇自動化、專業(yè)音頻和汽車/航空信息娛樂系統(tǒng)等領域的工業(yè)物聯網（IIoT）或工業(yè)4.0系統(tǒng)。
恩智浦實時邊緣軟件包含3個重要組件：real-time系統(tǒng)、通信協(xié)議和TSN，具體如圖1所示。該軟件支持許多開箱即用的恩智浦i.MX和Layerscape參考設計板。這些參考設計板集成了工業(yè)設備所使用的多種接口，從而可以直接有效地評估恩智浦SoC和軟件支持工具（software enablement）的功能。恩智浦技術還有助于開發(fā)符合IEEE/IEC60802或其他規(guī)范的系統(tǒng)。恩智浦以OpenIL為基礎，在Yocto構建系統(tǒng)中提供實時邊緣軟件版本，Yocto構建系統(tǒng)與恩智浦基于Yocto的標準Linux SDK配套使用。
圖1：實時邊緣軟件系統(tǒng)框圖
Real-time系統(tǒng)
Real time系統(tǒng)是一種靈活的異構架構，允許用戶選擇使用Linux實時操作系統(tǒng)、Jailhouse（允許不同的操作系統(tǒng)同時在不同的內核上運行）、在裸機上運行應用程序（例如在類u-boot框架中），或綜合使用上述多種方式。采用該架構，用戶可以繼續(xù)在Jailhouse中運行自己選擇的實時操作系統(tǒng)（RTOS）版本及其應用程序，并在不中斷其當前部署計劃的情況下，規(guī)劃向Linux實時操作系統(tǒng)或裸機框架的過渡。
通信協(xié)議
實時邊緣軟件支持常用的工業(yè)通信協(xié)議，如EtherCAT®、FlexCAN®、CANopen®、OPC UA和Modbus。這些協(xié)議有助于在工業(yè)控制系統(tǒng)中互連各種節(jié)點，如系統(tǒng)、接口和儀表。這些協(xié)議帶來了獨特的優(yōu)勢，可在網絡上執(zhí)行確定性和有時限的實時任務，并使控制系統(tǒng)能夠高效、低成本地運行。
恩智浦的實時邊緣軟件還支持低功耗無線通信協(xié)議（如Zigbee®、BLE、NFC以及最新的Wi-Fi標準），為用戶提供廣泛的連接選擇，滿足其各種終端應用需求。此外，恩智浦還提供廣泛的無線產品組合，作為我們的微處理器和微控制器產品組合的補充，詳細信息請訪問nxp.com/wireless。
時間敏感網絡
IEEE定義了時間敏感網絡，用于提供面向工業(yè)應用的確定性以太網網絡。恩智浦支持TSN的SoC可幫助客戶構建符合IEEE/IEC60802或其他TSN規(guī)范的系統(tǒng)。實時邊緣軟件集成了TSN協(xié)議，能夠為各種遵循TSN規(guī)范的實時應用提供高可靠性、低冗余、確定性低延遲和資源管理能力。
下面的圖2展示了TSN如何與精確時間協(xié)議（PTP/IEEE1588v2）一起，為網絡上的每個節(jié)點預留時間窗口，消除以太網上的帶寬爭用，從而發(fā)送時間敏感數據。
圖2：以太網TSN 紅色實線表示每個節(jié)點在不爭用帶寬的情況下進行通信的預留時間窗口
結束語
總而言之，恩智浦的real-time邊緣軟件支持異構操作系統(tǒng)架構、一系列工業(yè)協(xié)議和以太網TSN。它為用戶提供了更多選擇，可靈活地以經濟高效的方式實施開放、安全、可靠和可擴展的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。該軟件基于恩智浦的Linux SDK構建，很好地補充了恩智浦廣泛的微控制器、微處理器和無線產品組合。企業(yè)如果希望參與工業(yè)4.0，并計劃通過工業(yè)設備智能化以及IT和OT融合來實現工廠現代化，該軟件將帶來諸多好處。另外，專業(yè)機場行李運輸企業(yè)也能夠從中獲益。
如需了解更多信息，請訪問恩智浦Real-Time邊緣軟件。
