acontis technologies GmbH

acontis Hypervisor

Heutzutage ist die Echtzeit-Virtualisierung ein wichtiger Bestandteil bei der Konsolidierung von Hardware in industriellen oder anderen Umgebungen die harte Echtzeit erfordern.

Der acontis Typ 1-Hypervisor erweitert die vorhandenen Typ 2-Hypervisor-Lösungen für noch anspruchsvollere Anwendungsfälle.

Diese Lösung eignet sich perfekt für IIOT-Geräte, Edge-Controller und High-End Real-time Workload-Consolidation. Mehrere Standardbetriebssysteme wie Windows und Linux (Ubuntu, Debian, Fedora usw.) können parallel zu harten Echtzeitbetriebssystemen (Echtzeit-Linux, VxWorks usw.) ausgeführt werden.

Jedes Gast-Betriebssystem ist völlig unabhängig und getrennt und kann jederzeit neu gestartet oder heruntergefahren werden, während die anderen Gäste ohne Beeinträchtigung fortfahren.

Technische Eigenschaften

• Mehrere Windows- und / oder Standard-Linux-Instanzen
• Mehrere Echtzeitbetriebssysteme (Linux, VxWorks, On Time RTOS-32 usw.)
• RTOS-Container inklusive Applikationen
• Windows / Linux-Container mit Snapshot-Unterstützung zum einfachen Wechseln zwischen verschiedenen Anwendungsfällen, ohne dass mehrere Instanzen installiert werden müssen
• Vollständig getrennter und unabhängiger Gastbetrieb
• Benutzerdefinierte Startsequenz für Gäste
• Verwenden einer beliebigen Anzahl von CPU-Kernen pro Gast
• Unabhängiger Neustart aller Gäste, während andere den Betrieb fortsetzen
• Schnelle Interrupt-Behandlung und kurze Latenzenzeiten
• Virtuelle Netzwerkverbindung zwischen allen Gästen
• Echtzeit-Kommunikations-Backbone: Gemeinsamer Speicher, Events, gesperrter Datenzugriff, Pipes, Message Queues und Echtzeit-Sockets für eine schnelle Kommunikation auf Anwendungsebene
• Von Hypervisor bereitgestellter Dateiserver für alle Gäste

Der EtherCAT Master Stack EC-Master von acontis ist speziell für den Betrieb in embedded Betriebssystemen (bzw. Echtzeitbetriebssystemen) optimiert. Er zeichnet sich des Weiteren durch einen modularen Aufbau aus. Die Schnittstellen der jeweiligen Module sind offen gelegt, die Teilkomponenten können deshalb bei Bedarf ausgetauscht und auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Durch die Verwendung von eigenen Real-Time Ethernet Treibern (Link Layer) können kurze Zykluszeiten auf auf Systemen mit begrenzter Rechenleistung garantiert werden.

Funktionen:

• Class A und Class B, konform zu ETG.1500 Master Classes
• Feature Pack Hot Connect (mit und ohne DC)
• Feature Pack Cable Redundancy (mit und ohne DC)
• Feature Pack External Synchronization

Betriebssysteme:
Windows XP/8 (non-Real-Time), Windows EC, Linux, VxWorks, RTOS-32, QNX, RTX, INTime, INTEGRITY, Xenomai, RTAI, etc.

Architekturen:
x86 (32 und 64 Bit), ARM, PowerPC

Betrieb eines EtherCAT Controllers mittels eines simulierten Netzwerks

Der EC-Simulator virtualisiert EtherCAT® Netzwerke durch Simulation von EtherCAT® Slaves, um EtherCAT Master Applikationen betreiben zu können, ohne dass echte Slaves vorhanden sind.

Die EtherCAT® Simulation kann über einen realen oder virtuellen Netzwerkadapter ausgeführt werden, um z.B. eine vollständig simulierte Anlagenkonfiguration darstellen zu können.

Die Konfiguration des Simulators erfolgt mittels der ENI (EtherCAT Network Information) Datei welche auch für den EtherCAT Master zum Einsatz kommt..

Der Simulator stellt die Prozessdaten (Ein- und Ausgänge) in zwei Speicherbereichen zur Verfügung. Die Daten können dann, z. B., in einer speziell programmierten, eigenen Anwendung (C/C++), oder in verschiedenen andere Engineering, Test- oder Virtualisierungs-Tools (ISG Virtuos®, etc.) verarbeitet werden.

Anwendungsfälle

• Virtuelle Inbetriebnahme mit einem digitalen Zwilling
  • Test und Optimierung der Anwendung in einer frühen Anfangsphase auch ohne echte Hardware
  • Test von gefährlichen Fehlerszenarien welche ggf. auch zu Schäden führen könnten
• EtherCAT Freigabetests
  • Erweiterte Testszenarios, z.B., Verhalten bei Änderung der Topologie
  • Test des Verhaltens des Master bei Fehlern in den Slaves
  • Simulation von großen Netzwerken
• Softwareentwicklung und Schulung

Hardware-in-Loop (HiL) Simulation

Das System-Under-Test (SUT) kommuniziert über ein EtherCAT Kabel mit der EC-Simulator Software, die auf einer externen Hardware läuft, dem HiL System.

In diesem Setup kann die unveränderte Anwendung zusammen mit dem EtherCAT Master mittels einer physikalischen Standard-Netzwerkschnittstelle getestet werden.

Software-in-the-Loop (SiL) Simulation

Das EtherCAT Netzwerk wird durch eine Software simuliert, die auf einem System Under Test (SUT) läuft. Anstatt mit dem Ethernet Controller zu kommunizieren, tauscht der EC-Master direkt EtherCAT Frames mit der simulierten Software aus.

Funktionen der EC-Simulator Software

• Prozessabbild (Memory) um auf Ein- und Ausgänge zugreifen zu können
• Funktionen zum Lesen und Schreiben der Slave-Register
• Funktionen zum Lesen und Schreiben des Slave EEPROM-Inhalts
• Funktionen zum Lesen des Simulator Objektverzeichnisses
• Funktionen zur Bestimmung der Netzwerktopologie

Mit der LxWin Hypervisorlösung ist es möglich Windows und ein sehr schnelles, echtzeitfähiges Linux parallel zu betreiben. Damit erhalten Kunden die Möglichkeit dieses leistungsfähige Echtzeitbetriebssystem parallel zu Windows zu nutzen. Viele Linux-basierte Treiber, beispielsweise für Feldbuskarten oder GigE Kamerasysteme, Kommunikations-Stacks (EtherCAT, Profinet, OPC, OPC UA, TSN, ...) oder komplexe Softwarelösungen wie z.B. CNC-Steuerungen oder Software-PLCs können somit ohne Änderung einfach auf dieser Plattform ablaufen. Mit dieser Lösung ist es ebenso möglich, 2 bisher getrennt betriebene Systeme auf einer einzigen Hardware zu konsolidieren. Als Entwicklungsplattform kann sowohl Eclipse oder Microsoft Visual Studio (ab VS2015) verwendet werden.

Wichtigste Eigenschaften auf einen Blick

• Ready-to-run echtzeitfähiges Linux Image
• Real-time Linux - 32 Bit und 64 Bit
• Linux Yocto Support zum Erstellen von kundenspezifischen Linux-Images
• Optimale Ausnutzung von Multicore Systemen (skalierbar auf beliebig vielen CPU Kernen für den Echtzeitpart)
• Schnelle Interrupt Bearbeitung und kurze Thread-Latenzzeiten
• Verfügbar für Windows 7/8/10 (32 Bit und 64 Bit)
• Garantierte sehr harte Echtzeitfähigkeit bei vollständiger Unabhängigkeit von Windows, beim Absturz von Windows läuft der Echtzeitpart weiter
• Viele Treiber, Protokollstacks, Libraries und Applikationen
• Optional: Verwendung der Intel VT, VT-d Hardware-Virtualisierung
• Verwendung unmodifizierter Third Party Linux Applikationen und Treiber
• Virtuelles Netzwerk zur Kommunikation zwischen Windows und Linux
• High-Speed Kommunikation zwischen Windows und Linux via Shared Memory, Events und synchronisiertem Speicherzugriff
• Higher Level Windows/Linux Kommunikation: Pipes, Message Queues und Real-time sockets.
• Integrierter acontis technologies’ EtherCAT Master Stack Lösung out of the box verfügbar
• TSN Stack

TSN Software Stack - die letzte Meile
Die letzten 20% einer Problemlösung sind immer die schwierigsten. TSN als zukünftige Basis für echtzeitfähiges, deterministisches, resilientes und verlustfreies Ethernet ist in aller Munde und wohlbekannt. Die Technologie auf dem Netzwerk ist soweit standardisiert und erfüllt alle diese Anforderungen. Aber auf der letzten Meile der Kommunikation, der SW zwischen der Ethernet Netzwerk Hardware und der Applikation bzw. den Applikations-Prozessen geht viel davon wieder verloren. Sogar die Ethernet Treiber vieler Echtzeitbetriebssysteme sind entgegen der berechtigten Erwartungen NICHT echtzeitfähig. Ein KO-Kriterium für die Anforderungen, die an die TSN Technologie gestellt werden. Wer in den Genuss der speziellen Fähigkeiten von TSN bis hin zu den Applikationen kommen will, benötigt auch eine spezialisierte Software-Lösung:
Der acontis TSN Stack
Sollen echtzeitfähige Devices an ein TSN-Netzwerk angebunden werden, muss die gesamte Echtzeitkette von der Applikation auf dem Echtzeit-Betriebssystem des Gerätes (RTOS), über den TSN Stack, den Ethernet Controller-Treiber bis zur Ethernet-Hardware komplett deterministisch sein – und zwar sowohl beim Senden, als auch beim Empfangen. Zusätzlich muss die normale, nicht echtzeitfähige TCP/IP/Ethernet-Kommunikation über den TCP/IP-Stack des RTOS parallel über denselben Ethernet-Controller möglich sein, ohne den Echtzeitverkehr zu stören. Die hochgenaue Synchronisation der Uhrzeit gemäß 802.1ASrev ist ebenso zentraler Bestandteil des TSN Stack. Die Ethernet-Treiber des acontis TSN Stack sind speziell dafür optimiert, die jeweilig notwendige Behandlung von hochprioren Time-Scheduled- und niederprioren Best-Effort-Telegrammen, wie etwa herkömmliche TCP/IP-Telegramme zu gewährleisten. Basis des TSN Stacks und der darin enthaltenen hoch performanten und echtzeitfähigen Ethernet MAC Treibern sind die, durch die jahrelange Erfahrung im acontis Embedded-EtherCAT-Master-Stack entstandene Vielzahl von Kombinationen aus RTOS, Prozessor und Ethernet-Controllern.
Der acontis TSN Stack bietet eine komfortable API an, mittels derer entsprechende Protokolle (OPC UA, Profinet, EtherCAT, …) über ein TSN-Netzwerk übertragen werden können. Des Weiteren enthält der Stack einen speziellen Treiber, so dass normaler TCP/IP Verkehr über dieselbe Ethernet-Schnittstelle so übertragen wird, dass gleichzeitig über TSN zu übertragene echtzeitfähige Protokolle davon nicht gestört werden. Zusätzlich zum Netzwerk-Stack des RTOS wird ein echtzeitfähiger UDP-Kanal zur Verfügung gestellt, damit vorhandene UDP-basierende Protokollstacks auf einfache Art und Weise auf eine deterministische Datenübertragung im TSN-Netzwerk umgestellt werden können.