Das IPC@CHIP Konzept - der HTL Steyr

Das IPC@CHIP Konzept
1. Das Konzept des IPC@CHIP
2. Warum ein 32-poliges Modulgehäuse?
3. Performance und Speicher - IPC@CHIP versus 32-Bit-Systeme
4. Warum ein eigenes Betriebsystem?
5. Thema Echtzeit
6. Thema Sicherheit
1. Das Konzept des IPC@CHIP
Der IPC@CHIP ist ein System-On-Chip, also ein Komplettsystem bestehend aus Hardware und Software. Er
wird als betriebsfertiges 32-poliges Modul inkl. Betriebsystem geliefert. Sowohl im Starterkit DK41 als auch in
eigenen Schaltungen ist der IPC@CHIP nach dem Anlegen der Spannung und dem Anschluss einer seriellen
oder Ethernet-Verbindung betriebsbereit und meldet sich entweder per Telnet oder per serieller
Terminalverbindung mit einmal vertrauten Kommandozeilen-Prompt. Auch FTP- und HTTP-Server sind sofort
einsatzbereit. Nach dem Herunterladen einiger HTML-Seiten präsentiert sich Ihre Embedded-Webapplikation
bereits im gewünschten Design.
Das unterscheidet den IPC@CHIP massgeblich von anderen Embedded-Systemen, bei denen in der Regel erst
einmal eine Entwicklungsumgebung eingerichtet und in Betrieb genommen werden muss.
Der IPC@CHIP ist nicht nur ein universeller Kommunikationsprozessor mit zwei seriellen und einer Ethernet-
Schnittstelle. Er verfügt auch über das bei Microcontrollern übliche E/A-Interface, über das er entweder an einen
zweiten Steuerungsprozessor angeschlossen werden kann oder (wenn er selbst als Steuerungsprozessor
eingesetzt wird) die Peripherie steuern kann. Angefangen von 14 bidirektionalen I/O-Pins reicht die
Funktionsvielfalt bis hin zu einem gemultiplexten Adress/Datenbus mit zugehörigen Chipselect-Leitungen und
natürlich Counter- und Interrupteingängen. Ein in der Firmware realisiertes I2C-Master-Interface rundet den
Funktionsumfang ab.
Im Gegensatz zu vielen anderen Embedded-Systemen, wo Betriebssystem, Anwendungsprogramm und Daten
vom Entwickler zu einer einzigen Einheit zusammengelinkt und am Stück auf das Zielsystem geladen werden
müssen, sind diese Teile, wie bei "echten" Betriebssystemen üblich, getrennt. Betriebsystem,
Anwenderprogramm und Daten können unabhängig voneinander ausgetauscht werden (Anwenderprogramm
und Daten sogar zu Laufzeit per Remote-Zugriff). Alle Anwenderprogramme und Daten werden auf dem internen
Flash-Laufwerk gespeichert.
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2. Warum ein 32-poliges Modulgehäuse?
Das 32-polige Modulgehäuse ist die logische Weiterführung der einfachen Inbetriebnahme und Handhabung. Die
Standard 32pol Jedec-Fassung ist sehr einfach in eigene Schaltungen zu integrieren und der IPC@CHIP kann
inkl. Applikationssoftware einfach in der Produktion sowie im Feld getauscht werden.
Für erste Experimentieraufbauten lässt sich der IPC@CHIP sogar auf einem Experimentier-Steckboard in
Betrieb nehmen.
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3. Performance und Speicher - IPC@CHIP versus 32-Bit-Systeme
Eine der am häufigsten diskutierte Frage ist: Sind die 16-Bit-Performance und 1 MB Speicher ausreichend für
meine Embedded-Lösung ? Unsere pauschale Antwort: JA
Die Erfahrung hat gezeigt, dass in den allermeisten Embedded-Anwendungen die Performance und
Speicherausstattung des IPC@CHIP ausreichen. Der Grund für den Einsatz von 32-Bit-System ist häufig nicht
die Performance, sondern der Wunsch nach einem komfortablen und standardisierten Betriebsystem. Denn die
meisten 32-Bit-Systeme werden nicht mit einem eigen angepassten Betriebsystem geliefert, sondern der Kunde
muss dieses separat erwerben und die Anpassung selbst vornehmen. Die Wahl fällt dabei oft 32-Bit-
Betriebsysteme, weil diese den geringsten Anpassungsaufwand versprechen (Beispiel: Embedded-Linux).
Dieser vermeintliche Vorteil wird aber mit einem für viele Anwendungen unangemessenen hohen Aufwand an
Rechenleistung und Speicher erkauft. Diese Lösungen werden bei größeren Stückzahlen oft zu teuer.
Der IPC@CHIP löst das Problem anders: Er besitzt ein massgeschneidertes Realtime Operating-System, das
die Performance des 16-Bit-Prozessors optimal ausnutzt. Damit erreichen wir sowohl im Multitasking-Betrieb als
auch bei TCP/IP-Kommunikation wesentlich höhere Performance-Daten, als man dies einem 16-Bit-Prozessor
zugetraut hätte. Zusätzliche Massnahmen, wie z. B. die DMA-Unterstützung für die seriellen Schnittstellen
bringen weitere Leistungssteigerungen.
Speicher
Der Speicher scheint mit 512 KB Arbeitsspeicher (RAM), 256 KB Betriebsystem (Flash) und 256 KB Flash-Disk
verglichen mit 32-Bit-Betriebsystemen mit ähnlichem Leistungsumfang knapp bemessen zu sein. Aber auch hier
gilt die gleiche Argumentation wie bei der Prozessorleistung. Das RTOS leistet, da optimal an den IPC@CHIP
angepasst, bei identischer Speicherausstattung einfach mehr als ein 32-Bit-Betriebsystem "von der Stange".
Zusätzlich ist der Flashdisk-Speicher des IPC@CHIP über ein externes IDE-Interface durch Memory-On-Chip
oder Compact-Flash-Speicher bis zu theoretischen 2 Gigabyte erweiterbar. Außerdem ist das Betriebssystem
selbst modular aufgebaut. Es besteht die Möglichkeit, nicht benötigte Dienste wegzulassen, damit wertvollen
Speicher einzusparen und für das Anwenderprogramm zu nutzen.
Performance durch geeignete Hardwareunterstützung
Bei der ganzen Performance-Diskussion wird oft vergessen, dass sich viele High-Performance-Applikationen
statt per Software, teurer Prozessor-Leistung und Speicherausstattung auch in Hardware realisieren lassen.
Kundenanwendungen zeigen, dass der IPC@CHIP auch problemlos in für ihn eigentlich untypischen
Applikationen im Bereich Video- und Audio-Streaming eingesetzt werden kann, wenn er durch geeignete
Hardware unterstützt wird. In der Summe sind diese Lösungen aber meist deutlich günstiger und oft sogar
performanter zu realiseren als reine Softwarelösungen auf leistungsfähigeren Prozessoren.
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4. Warum ein eigenes Betriebsystem?
Wie bereits erwähnt, wurde das Realtime-Betriebsystem für den IPC@CHIP massgeschneidert. Um den
Anwendern die Einarbeit zu erleichtern und um bei der Programmierung auf Standard-Entwicklungswerkzeuge
zurückgreifen zu können, wurde der Echtzeitkern mit einer DOS-ähnlichen Oberfläche ausgestattet. Eigene
Anwendungsprogramme können mit dem Borland C++ Compiler (bis Version 5) auf dem PC unter Windows
entwickelt und auf dem RTOS des IPC@CHIP als Task gestartet werden. Auch die Kommandozeile des
IPC@CHIP RTOS wurde stark an das vom PC her bekannte DOS-Betriebssystem angelehnt und um spezielle
Kommandos, die dem IPC@CHIP als Netzwerk-Server Rechnung tragen, erweitert.
Das IPC@CHIP Betriebsystem beinhaltet zudem eine vollständige API (application programming interface) die
Zugriff auf alle Funktionen des IPC@CHIP und das Betriebsystem erlaubt, wie z.B. die Steuerung des E/A-
Interfaces und Zugriff auf die TCP/IP-Dienste.
Erweiterung über Bibliotheken
Einige nicht direkt im Betriebssystem enthaltene Dienste (wie z.B. der FTP-Client oder SMTP/POP-Dienste) sind
als freie C-Libraries oder Software-Beispiele verfügbar und können in eigene Applikationen integriert werden.
Eine umfangreiche Bibliothek an Beispielapplikationen rundet das Softwareangebot ab.

Für Forschung und Lehre sowie für erste Tests bieten wir eine besonders preisgünstige Lösung an, denn für
diese Anwendungen werden keine zusätzlichen Lizenzkosten für das Betriebssystem fällig. Sie können also in
Ruhe testen und ausprobieren. Erst wenn unser Betriebssystem zusammen mit dem IPC@CHIP in den
kommerziellen Einsatz kommt, wird die Lizenz in Form eines Lizenzaufklebers fällig. Dabei spielt es keine Rolle,
ob Sie den IPC@CHIP "inhouse" einsetzen (z.B. in der eigenen Produktion) oder in ein Verkaufsprodukt
integrieren. Entscheidend ist die kommerzielle Nutzung.
Das Betriebssystem wird zudem ständig weiterentwickelt.
Updates des RTOS Betriebssystems können kostenfrei aus dem Internet geladen und mit Hilfe des Chiptool-
Programms auf den IPC@CHIP geladen werden.
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5. Thema Echtzeit
Internet-Technologie, Ethernet-Kommunikation und TCP/IP werden oft als Widerspruch zu Echtzeitapplikationen
gesehen. Der IPC@CHIP dagegen verbindet beide Welten. Das Realtime-Betriebssytem des IPC@CHIP
bewältigt problemlos Echtzeitanforderungen bei gleichzeitiger TCP/IP- und Ethernet-Kommunikation. Auch die
DMA-unterstützte Kommunikation über die beiden seriellen Schnittstellen bringen den robusten Echtzeit-Kern
nicht aus dem Tritt.
Task-Priorisierung sowie millisekundengenaue Timer- und Interrupt-Funktionalität sowie die minimale Task-
Wechselzeiten runden die Realtime-Leistungen des IPC@CHIP ab.
Der IPC@CHIP ist also ideal geeignet, Echtzeitsteuerungsanwendungen mit Ethernet- und Internet-Technologie
zu verbinden. Sie benötigen keinen zusätzlichen Prozessor für Ihre Echtzeitanwendung, denn der IPC@CHIP
kann diese Aufgabe mit übernehmen.
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6. Thema Sicherheit
Ein wichtiges Thema beim Einsatz von Fernwartung im allgemeinen und Internet-Technologie im speziellen ist
das Thema Sicherheit. Sowohl im Internet als auch im Intranet müssen über TCP/IP zugängliche Systeme vor
unautorisierten Zugriffen geschützt werden.
Beim IPC@CHIP sind alle Dienste per Passwort geschützt. Sollte Ihre IPC@CHIP-Anwendung direkten Zugang
zum Internet haben, können Sie nicht benötigte Dienste wie z. B. HTTP-, FTP- und Telnet-Server komplett
abschalten und auf diese Weise die Sicherheit weiter erhöhen.
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