Hardwarebeschleunigung für harte Echtzeitsteuerungen

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Unabhängiger Coprozessor zur Entlastung der CPU

Dieser unabhängige Hardwarebeschleuniger muss für Berechnungen mit einem großen Aufkommen an 32-Bit-Gleitkomma-Berechnungen optimiert sein, damit er die Performance von Rechenfunktionen, aus denen Regelalgorithmen üblicherweise bestehen, entscheidend steigern kann. Konzipiert man ihn so, dass er die Echtzeit-Regelalgorithmen parallel zur Haupt-CPU verarbeiten kann, bewirkt dies eine effektive Verdopplung der Rechenleistung der MCU.

Der Beschleuniger benötigt zudem direkten Zugriff auf den Speicher und auf verschiedene Regelungs-Peripheriefunktionen wie die ADC- und PWM-Module, damit eine minimale Latenz erreicht wird. Idealerweise kann der Beschleuniger die ADC-Ergebnisse unmittelbar nach Beendigung der A/D-Wandlung auslesen. Dieses ‚Just-in-time‘-Auslesen des ADC reduziert die Verzögerung zwischen Erfassung und Ausgabe, verkürzt damit die Reaktionszeit des Systems und ergibt schnellere Regelschleifen.

Indem man diesen Beschleuniger so konzipiert, dass er ohne Zutun der CPU auf Triggersignale der Peripherie reagiert, werden keine Interrupts für die Hardware-Synchronisation benötigt und müssen keine Kontextwechsel vorgenommen werden. So eliminiert man jeglichen Jitter und erreicht deterministische Verarbeitungszeiten. Aus Flexibilitätsgründen sollte der Beschleuniger nicht als fest konfigurierte Hardwarelösung implementiert, sondern per Software programmierbar sein. Das erlaubt Entwicklern, ihre Regelungssysteme leicht zu modifizieren, ohne viel Zeit und Kosten für ein Hardware-Redesign in Kauf zu nehmen.

Da sich ein solcher unabhängiger Beschleuniger in einen Low-Power-Modus versetzen lässt, wenn die Regelfunktion nicht benötigt wird, ist die Verarbeitung merklich energieeffizienter als mit der Haupt-CPU – ein klarer Pluspunkt für Anwendungen mit eng gestecktem Energiebudget. Somit lassen sich komplexe Echtzeitsteuerungs-Anwendungen (z. B. Motorsteuerungen, Leistungswandler oder Elektrofahrzeuge) wesentlich effizienter mit einer einzigen MCU implementieren.

Optimieren lässt sich die betriebliche Effizienz, indem man fortschrittliche Regelungssysteme durch intelligente Management- und Kommunikations-Features ergänzt. Dank einer kosteneffektiven Nutzung der bestehenden Infrastruktur eignet sich die Powerline-Kommunikation ideal für intelligente Managementaufgaben. Die Übertragung von Daten ist aber in einem störintensiven Umfeld äußerst anspruchsvoll und rechenintensiv. Eine typische MCU, die mit der Verarbeitung einer Regelungs-Applikation bis an ihre Grenzen ausgereizt wird, kann nicht zusätzlich die PLC-Kommunikation unterstützen, sondern ist hier möglicherweise auf einen separaten Prozessor angewiesen.

Um das Problem zu lösen und die Komplexität und Mehrkosten eines weiteren Prozessors zu umgehen, lässt sich die MCU durch einen angekoppelten Festkomma-Beschleuniger ergänzen. Dieser ergänzt zusätzliche Register und Befehle und muss mehrere Kommunikationstechnologien unterstützen. Die vier zentralen Operationen, die einen Großteil der Verarbeitungsleistung beanspruchen, sind Viterbi-Decodierung, FFT (Fast Fourier Transform), komplexe Filter und CRC-Operationen (Cyclical Redundancy Check). Die Hardwarefunktionen eines solchen Beschleunigers können die Leistung einer Applikation entscheidend verbessern.

Abgesehen von Kommunikations-Funktionen wäre ein Beschleuniger dieser Art auch nützlich für allgemeine Signalverarbeitungs-Aufgaben wie Filterung und Spektralanalyse. Letztere eignet sich z.B. zur Auswertung von Motorvibrationen mit dem Ziel, die Auswirkungen der Schwingungen auf ein System zu bestimmen, die Lebensdauer des Motors abzuschätzen und zur Verbesserung der Effizienz die Regelschleife zu kalibrieren. Durch die Bereitstellung einer ganzen Funktionsbibliothek wird die Programmierung einfacher und effizienter und der Overhead minimiert.

Durch strategischen Einsatz von Beschleunigern lassen sich dramatische Steigerungen der MCU-Performance erzielen. Gleitkomma-Berechnungen lassen sich durch trigonometrische und arithmetische Operationen, die in Regelalgorithmen häufig vorkommen, aufwerten, um die Zahl der nötigen Prozessorzyklen zu verringern und die Performance drastisch anzuheben. Durch das Hinzufügen eines unabhängigen, zum Beschleunigen von Regelalgorithmen ausgelegten Coprozessors lässt sich die Leistung einer MCU effektiv verdoppeln. Im Gesamten sorgen die in diesem Artikel beschriebenen Hardwarebeschleuniger für die hohe Verarbeitungsleistung, die in modernen, komplexen Echtzeitsteuerungs-Systemen nötig ist.

* Kenneth W. Schachter zählt zum C2000 Technical Staff bei Texas Instruments.

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