Plattformen für das Embedded-Design

Bild: National Instruments Germany GmbH

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Fortschritte der letzten zehn Jahre und Blick in die Zukunft

In den vergangenen zehn Jahren haben wir viele Fortschritte in den Bereichen Chip-Level-Integration, Mikrocontroller, DSPs und anderen System-on-Chip-Technologien (SoC) erlebt, die kontinuierlich die Funktionalität durch leistungsstarke A/D- und D/A-Wandler sowie andere Peripheriegeräte erweitern. Vor Kurzem erst wurde die Kombination aus Prozessorkernen und FPGA-Struktur auf dem Markt eingeführt, etwa der E600C der C-Serie von Intel Atom und die Zynq-Produktfamilie von Xilinx. Während diese integrierten Chipdesigns eine niedrigere Leistungsaufnahme und einen geringeren Platzbedarf bieten, sind komplexe Designkenntnisse auf Board-Ebene und anspruchsvolle Prozesse bei Fertigung und Tests erforderlich, wenn alle Funkionen, die jetzt in ein kleines Silizumteil gepackt werden, vorteilhaft genutzt werden sollen. Einplatinencomputer (SBCs) und ähnliche Formfaktoren gibt es bereits seit Jahrzehnten, doch der steigende Bedarf an High-Speed- und High-Density-Board-Designs hat Entwicklerteams dazu gebracht, sich handelsübliche Standardoptionen genauer anzusehen als jemals zuvor. Warum nicht jemand anderem das Risiko und die Kosten für den Entwurf eines der komplexesten Teile seines Systems überlassen, anstatt das Rad immer wieder neu zu erfinden? Die zunehmende Tendenz, Computer-on-Modules (CoMs) und System-on-Modules (SoMs) einzusetzen, ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie der Großteil der gängigsten Anforderungen an Embedded-Systeme erfüllt werden kann, indem kommerziell erhältliche Boards dennoch mittels Software und spezieller I/O für spezifische Embedded-Tasks benutzerdefiniert angepasst werden können. Höchstwahrscheinlich wird sich der gesamte Markt für CoMs und SoMs in den nächsten fünf Jahren verdoppeln, wodurch er zu dem Segment von Embedded-Geräten wird, das am schnellsten wächst. Diese Boards beinhalten häufig den Speicher und weitere Baugruppen, die den Prozessor umgeben, ebenso wie handelsübliche Kommunikationsschnittstellen und Konnektivität für die Integration auf Systemebene. Angesichts der von hunderten handelsüblichen Embedded-Prozessoren und -Verarbeitungsmodulen, die zur Auswahl stehen, liegt die Entscheidung bei den Entwicklerteams, wie viel des gesamten Systems sie mit Standardkomponenten integrieren möchten oder selbst an ihre Bedürfnisse anpassen. Da Standard-Boards und -module zur Bewältigung einiger Herausforderungen des komplexen Hardwaredesigns beitragen, stellt ein integriertes Software-Framework den anderen Teil einer vollständigen Embedded-Plattform dar. So wird gewährleistet, dass alle Vorteile der Hardware genutzt werden. Einen Prozessor und einen FPGA auf demselben Board oder denselben Chip zu platzieren ist nur von Vorteil, wenn Ingenieure über die richtigen Werkzeuge und die entsprechende Programmiererfahrung verfügen. Und genau das ist die nächste große Hürde in der Evolution von technischen Entwicklungswerkzeugen. In den letzten Jahren haben sich Firmen mit dieser Problematik genauer auseinandergesetzt: Hard- und Softwareunternehmen verwenden High-Level-Synthesetechnologien (HLS-Technologien) und bieten Entwicklungsumgebungen mit Funktionen zur Codeerzeugung an, um diese Aufgabe zu lösen. Einige Technologieanbieter haben sich dafür entschieden, Synthesewerkzeuge zu verwenden, um Softwareentwicklern das Programmieren von FPGAs zu erleichtern. Während Softwarewerkzeuge sich stetig weiterentwickeln, um Hardware-Architekturen besser abbilden zu können, ist es Entwicklerteams möglich, Zeit und Aufwand für die Implementierung und das Low-Level-Design zu reduzieren. Dies ermöglicht es ihnen, sich mehr auf ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren. Durch das Arbeiten auf Systemebene können sie weitere Wege ausfindig machen, um anwendungsspezifische Algorithmen zu perfektionieren und die Produkte, die sie entwickeln, weiter zu unterscheiden und gleichzeitig schneller auf den Markt zu bringen. Hochintegrierte Hard- und Softwareplattformen spielen vor allem in wettbewerbsfähigen Industrien eine wichtige Rolle, z.B. Energie, Medizin und Transportwesen, in denen der Druck, neue und innovative Ideen auf den Markt zu bringen, enorm groß ist. Diese Industrien können kommerzielle Plattformen als weiteren potenziellen Faktor nutzen, wenn sie eine Entscheidung im Hinblick auf das Gleichgewicht zwischen Zeitplan, Risiko und Kosten bei einem Projekt treffen müssen. Seit bereits 50 Jahren stellt Dynapower Umrichter für hohe Spannungen und Ströme her, die z.B. im Bergbau oder der Hochenergiephysik zum Einsatz kommen. Das Unternehmen konzentriert sich darauf, komplizierte Herausforderungen zur Stromumwandlung effizient zu bewältigen, indem es die neuesten digitalen Steuer- und Regeltechnologien nutzt. Das Entwicklerteam ging kürzlich dazu über, FPGA-Technologie einzusetzen, um seine Steuer-, Regel- und Verarbeitungsalgorithmen zu implementieren und konnte so eine 40-mal höhere Verarbeitungsleistung pro Dollar erzielen, als mit den zuvor eingesetzten klassischen DSPs. Die Entwicklungszeit sank von 72 Wochen auf 24 Wochen - und zwar durch den Einsatz einer handelsüblichen Standardplattform mit bewährter Hardware und einer integrierten Softwarewerkzeugkette.