Mehrkern-CPUs sind die Basis für die Ausführung voneinander unabhängiger Anwendungen auf einer Plattform. Realisiert wird dies mit einer Virtualisierungssoftware, die einzelne Systemressourcen dediziert den Prozessorkernen zuweist.

Virtualisierung als Grundlage

Virtualisierung von Hardware in unterschiedliche Teilsysteme ist weit verbreitet, beispielsweise zur besseren Ressourcen-Nutzung oder zur einfacheren Systemverwaltung. Die auf einem Host-Betriebssystem laufenden, sogenannten "virtuellen Maschinen" werden von einer Virtualisierungs-Software gegeneinander abgeschottet und beeinflussen sich nicht gegenseitig im Fehlerfall.

Für industrielle Anwendungen ist der unabhängige Ablauf unterschiedlicher Betriebssysteme auf den einzelnen CPU-Kernen der konsequente und logische Schritt, um Betriebssicherheit und Systemleistung zu verbessern. Dies wird mit hardware-gestützter Virtualisierung und einer echtzeitfähigen Virtual Machine Monitor Software erreicht (VMM bzw. auch Hypervisor).

Hardware-gestützte Virtualisierung

Echtzeit-Steuerungen erfordern den direkten Hardware-Zugriff. Auf einem Zweikern-System wird dies mit einer VMM-Software realisiert, die als Typ1-Hypervisor direkt auf der Hardware lauffähig ist und somit kein Host-Betriebssystem benötigt. Alle unter dem Hypervisor agierenden Gast-Betriebssysteme arbeiten komplett unabhängig voneinander.

Alle von der Steuerungsapplikation benötigten Ressourcen inklusive Arbeitsspeicherbereich werden vom VMM exklusiv einem CPU-Kern zugewiesen, sodass jedes Betriebssystem auch nur die jeweiligen Ressourcen ansprechen kann. Der Datenaustausch zwischen den beiden Gast-Betriebssystemen erfolgt typischerweise über Shared Memory oder über ein virtuelles Netzwerk.

Das Systemkonzept

Die Prime Cube Embedded-Control-Plattform nimmt CPU-Module im COM-Express-Formfaktor als Basis. Ein COM-Express-Modul vereint alle relevanten PC-Komponenten, vom Prozessor über Chipsatz mit integriertem Grafik-Controller bis zu den einzelnen Schnittstellen. Es benötigt immer eine Trägerplatine (Baseboard), die alle modulinternen Schnittstellen physikalisch nach außen führt und die steuerungsspezifischen Funktionen bereitstellt.

In einem Zweikern-System werden über den Echtzeit-Hypervisor die notwendigen Hardware-Ressourcen und die zugehörigen Interrupts exklusiv einem CPU-Kern zugewiesen. Darüber hinaus erhalten beide Kerne jeweils einen festen Bereich des Arbeitsspeichers und einen genau definierten Bereich auf dem Speichermedium zugeteilt (CompactFlash-Karte, SSD oder HDD). Die verbleibenden Ressourcen wie die dritte Ethernet-Schnittstelle und die USB-Schnittstellen teilt der Hypervisor dem zweiten CPU-Kern zu.

Dank Hypervisor ist der logisch und physikalisch getrennte Betrieb von zwei voneinander unabhängig operierenden Anwendungen möglich. Die beiden Betriebssysteme booten eigenständig und können auch einzeln neu gestartet werden.

Die Steuerungsanwendung verwendet ein OSADL-konformes Embedded Linux mit präemptivem Echtzeit-Patch. Unter dem Echtzeit-Betriebssystem läuft die Steuerungs-Runtime, die dank betriebssystemseitiger Unterstützung keine proprietäre Realtime-Erweiterung bereitstellen muss.

Der zweite CPU-Kern ist für ein weiteres Betriebssystem frei. Das klassische Anwendungsszenario ist dabei ein parallel zur Steuerung agierendes Windows-Betriebssystem mit SCADA-Software. Die Kommunikation zwischen beiden Systemen erfolgt über ein virtuelles Netzwerk. Alternativ ist für einen schnellen Datenaustauschen zwischen den beiden Betriebssystemen auch die Nutzung von Shared Memory möglich.

Im Gegensatz zu einem Einkern-Systemen laufen auf einem Mehrkern-System mit hardware-gestützter Virtualisierung beide Applikationen getrennt und ohne jegliche Einschränkung hinsichtlich Betriebssicherheit oder Funktionalität. Im Fehlerfall wird das betroffene Betriebssystem einfach neu gestartet, während die andere Anwendung davon unbeeindruckt weiterläuft. Wer diesem Ansatz für integrierte, PC-basierte Steuerungen eine Chance gibt, arbeitet nur mit einer Hardware, die Funktionen und Betriebssicherheit von zwei Geräten vereint.