作者：Joseph Byrne
某新建機場曾斥資2億多美元建設(shè)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(dāng)時，業(yè)內(nèi)傳言稱，出現(xiàn)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(jié)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(shè)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(zhuǎn)盤上，因此任務(wù)的時效性至關(guān)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(shù)（OT）與計算系統(tǒng)的信息技術(shù)（IT）融合。恩智浦之前曾發(fā)表過一篇關(guān)于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和Layerscape LS1028A處理器中內(nèi)置TSN以太網(wǎng)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(yīng)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(nèi)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(wù)的同時執(zhí)行其他任務(wù)。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(wù)。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(gòu)。
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?nèi)涨靶紝⒋笠?guī)模供應(yīng)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(gòu)建實時應(yīng)用程序。原始設(shè)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(shù)專有性。恩智浦實時邊緣軟件讓開發(fā)人員能夠根據(jù)自己的需求進行選擇，從而靈活地實現(xiàn)這些目標(biāo)，同時保持應(yīng)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(yīng)用提供了安全的開源實時Linux環(huán)境，以實現(xiàn)高效且容錯的自動化工業(yè)控制系統(tǒng)。典型應(yīng)用包括應(yīng)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(lǐng)域的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（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(shè)計板。這些參考設(shè)計板集成了工業(yè)設(shè)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(shù)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O(shè)penIL為基礎(chǔ)，在Yocto構(gòu)建系統(tǒng)中提供實時邊緣軟件版本，Yocto構(gòu)建系統(tǒng)與恩智浦基于Yocto的標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)架構(gòu)，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(nèi)核上運行）、在裸機上運行應(yīng)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(gòu)，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(yīng)用程序，并在不中斷其當(dāng)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(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行確定性和有時限的實時任務(wù)，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(biāo)準(zhǔn)），為用戶提供廣泛的連接選擇，滿足其各種終端應(yīng)用需求。此外，恩智浦還提供廣泛的無線產(chǎn)品組合，作為我們的微處理器和微控制器產(chǎn)品組合的補充，詳細(xì)信息請訪問nxp.com/wireless。
時間敏感網(wǎng)絡(luò)
IEEE定義了時間敏感網(wǎng)絡(luò)，用于提供面向工業(yè)應(yīng)用的確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。恩智浦支持TSN的SoC可幫助客戶構(gòu)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點預(yù)留時間窗口，消除以太網(wǎng)上的帶寬爭用，從而發(fā)送時間敏感數(shù)據(jù)。
圖2：以太網(wǎng)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(yù)留時間窗口
結(jié)束語
總而言之，恩智浦的real-time邊緣軟件支持異構(gòu)操作系統(tǒng)架構(gòu)、一系列工業(yè)協(xié)議和以太網(wǎng)TSN。它為用戶提供了更多選擇，可靈活地以經(jīng)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(gòu)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(chǎn)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(shè)備智能化以及IT和OT融合來實現(xiàn)工廠現(xiàn)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。
