simatic pc I SIMATIC PC mit Intel Core 2 Duo White Paper Version 1.9

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1 SIMATIC PC mit Intel Core 2 Duo White Paper Version 1.9 simatic pc I Welche Vorteile bietet Dualcore Technik des Dualcore im Vergleich zu herkömmlichen Prozessoren Was bringt Dualcore für SIMATIC PCs und SIMATIC Software A&D SE IPC

2 Zum Inhalt: Dieses White Paper soll: - die Frage klären: Welche Vorteile bieten zwei Prozessorkerne? - besondere Features des Intel Core 2 Duo aufzeigen - Fachbegriffe erläutern - Verhalten von Dualcore-Prozessoren mit SIMATIC Software beschreiben Hinweis: Die Informationen in dieser Dokumentation enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen oder sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsabschluss ausdrücklich vereinbart wurden. Herausgeber Siemens AG Automation and Drives Postfach Fürth Deutschland Weitere Unterstützung Ihre Siemens-Ansprechpartner in den für Sie zuständigen Vertretungen und Geschäftsstellen SIMATIC PC im Internet Informationen zu SIMATIC PC im Internet: SIMATIC-Partner in Ihrer Nähe finden Sie unter: Siemens A&D Mall zum Konfigurieren und Bestellen Ihrer individuellen SIMATIC PC: All Rights reserved 2 von 24

3 Inhaltsverzeichnis Einleitung Aufbau und Funktion eines Multicore-Prozessors Entwicklungsstufen bei Prozessoren Singlecore-Prozessor Singlecore-Prozessor mit HT-Technologie Dualcore-Prozessor Die Technik des Dualcore-Prozessors am Beispiel eines Intel Core 2 Duo Prozessors Fachbegriffe zum Intel Core 2 Duo Weiterentwicklung Intel Core Duo zu Intel Core 2 Duo Vorteile der Multicore-Technologie Verschiedene Multicore-Systeme Symmetrisches Multicore-Processing Asymmetrisches Multicore-Processing Virtualisierung Bit-Technologie und ihre Auswirkungen auf die Applikationen Intel Core 2 Duo Prozessoren bei SIMATIC PC Prozessoren, Plattformen und technische Features der SIMATIC PC Intel Core 2 Duo Prozessortechnologie mit SIMATIC WinAC Betrieb der echtzeitfähigen Software-SPS SIMATIC WinAC RTX auf Singleund Dualcore-Systemen Performancevergleiche für SIMATIC WinAC RTX und SIMATIC WinCC flexible auf Core 2 Duo- und Singlecore-Prozessor Ziel der Tests und Testplattformen Verwendete Softwareprojektierungen Tests und Testergebnisse CPU Last Aktualisierungszeit Bildaufschlagzeit Zusammenfassung Links zu Quellen und weiterer Literatur...24 All Rights reserved 3 von 24

4 Einleitung Bisher wurde, wenn es darum ging die Leistung eines Rechensystems zu steigern, in erster Linie die Taktfrequenz des Prozessors erhöht. Doch eine Erhöhung der Taktfrequenz geht einher mit einer gesteigerten Stromaufnahme und erhöht dadurch auch die Abwärme in Form thermischer Verlustleistung (TDP, Thermal Design Power). Diese Abwärme, die bei den aktuellen Singlecore-Prozessoren im Bereich von über 100 Watt liegt, konnte mit den bisherigen, mit Lüftern betriebenen Kühlkörpern innerhalb der vorgegebenen Gehäuseabmessungen und -entlüftungsmöglichkeiten fast nicht mehr abgeführt werden. Die Fortschritte bei der Prozessorherstellung führen zwar dazu, dass die Prozessoren in immer kleinerer Bauweise gefertigt werden können (der aktuelle Stand ist hier die Fertigung im 65 Nanometer (!) Verfahren), die weniger Strom aufnehmen und damit weniger Abwärme produzieren, eine Erhöhung der Taktfrequenz würde diese Reduzierung der TDP jedoch wieder zunichte machen. Zudem stehen dieser Verkleinerung auch technische und physikalische Hindernisse im Weg, die eventuell nicht immer gelöst werden können. Neue Leistungskurve durch Mehrkern-Architektur Steilere Kurve, bessere Skalierbarkeit Mehrkern Heute 10X Einzelkern Bild 1: Entwicklung der Prozessorleistung Plan Bezogen auf Intel Pentium 4 Prozessor Diese Situation führte zur Entwicklung von Multicore-Prozessoren, welche die Leistung eines Systems nicht mehr durch eine bloße Steigerung der Taktfrequenz, sondern durch die Integration mehrerer Prozessorkerne auf einem Chip erhöhen. Zudem ermöglichen mehrere Prozessoren die parallele Abarbeitung von Programmbefehlen und erhöhen damit die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Programmen. Dies kommt den aktuellen Anforderungen nach komplexeren und voneinander abhängigen Programmen (z. B. Software-SPS und dazugehörige Visualisierung) zu Gute. All Rights reserved 4 von 24

5 1 Aufbau und Funktion eines Multicore-Prozessors 1.1 Entwicklungsstufen bei Prozessoren Singlecore-Prozessor Singlecore-Prozessoren bis 2002: Ein PC hatte genau einen Prozessor gewissermaßen das Herz, das den Computer antrieb. Der Indikator für die Arbeitsgeschwindigkeit wurde früher in Mega-, aktuell in Gigahertz angegeben. Das größte Problem dieser herkömmlichen Prozessoren: Sie können, egal wie hoch sie getaktet sind, immer nur eine einzige Aufgabe (Thread) gleichzeitig abarbeiten. Seit den 80er Jahren war es möglich, zwei oder mehrere Prozessoren, die nötige Hardware (Motherboard) vorausgesetzt, zu Mehr-Prozessor- Systemen zusammenzubauen. Der Pentium war der erste Prozessor von Intel, mit dem sich auf diese Art auch für den Privatanwender ein Mehr-Kern-System realisieren ließ. Rechner dieser Art waren jedoch nicht so schnell, wie man alleine durch die Addition der einzelnen Taktungen annehmen könnte (also rechneten zwei 3 GHz- Prozessoren auf einem Motherboard nicht mit 6 GHz). Engpass war damals unter anderem die Speicheranbindung, die damals noch nicht schnell genug war um beide Prozessoren mit ausreichend Daten zu versorgen. Auch waren die Programme aufgrund der damals eher geringen Verbreitung von Mehrprozessorsystemen nicht dafür ausgelegt, die vorhandenen Kerne zu nutzen Singlecore-Prozessor mit HT-Technologie Intel Pentium 4 Prozessoren unterstützen seit 2002 die Hyper- Threading-Technologie 1 und erscheinen mit Hilfe dieser Technik gegenüber dem Betriebssystem als Prozessor mit zwei Kernen. Da sie jedoch weiterhin nur mit einem realen Kern Aufgaben ausführen können, bewirkt HT bei weitem nicht die Leistungssteigerung, wie sie durch den Einbau zweier Prozessoren erreicht werden kann. 1 Die Hyper-Threading-Technologie (HT-Technologie) simuliert einen weiteren Prozessor und nimmt damit wie ein echter Dualcore-Prozessor zwei Aufgaben vom Betriebssystem entgegen und leitet diese dann an das Rechenwerk des Kerns. Sind die Programme für die Ausführung über mehrere Threads optimiert, kann Hyper-Threading eine Beschleunigung von bis zu 20 % bringen. Hyper- Threading steht auch bei einigen Multicore-Prozessoren zur Verfügung, bei einem Dualcore- Prozessor mit HT-Technologie stehen dann 4 Cores zur Verfügung. All Rights reserved 5 von 24

6 1.1.3 Dualcore-Prozessor Dualcore-Prozessoren enthalten in einem Gehäuse zwei vollwertige CPUs. Im besten Fall arbeiten Dualcore- Prozessoren bei einigen Anwendungen doppelt so schnell wie die Singlecore-Varianten. Im schlechtesten Fall nämlich dann, wenn ein Programm so geschrieben ist, dass es nur die Verarbeitung über einen einzigen Thread unterstützt wird man allerdings keine Leistungssteigerung spüren. Dieses Programm würde dann tatsächlich nur von einer Erhöhung der Taktfrequenz profitieren. Nichtsdestotrotz stehen in diesem Fall die Leistungsreserven des zweiten Cores zusätzlich bereit, so dass der Anwender hier weitere Applikationen laufen lassen könnte. 1.2 Die Technik des Dualcore-Prozessors am Beispiel eines Intel Core 2 Duo Prozessors Ein Dualcore-Prozessor besteht aus einem einzigen Chip auf dem zwei Recheneinheiten, so genannte Kerne (Cores), zusammengeführt wurden. Bei einem Intel Core 2 Duo Prozessor greifen beide Kerne auf einen gemeinsam genutzten Speicher, den so genannten Level-2-Cache 2 zu. Dieser ist im Idealfall mit den nächsten, vom Prozessor benötigten Daten gefüllt, die mit Hilfe eines Sprungvorhersageprogramms berechnet werden. Im Falle vom Intel Core 2 Duo greifen beide Rechenkerne auf einen gemeinsamen, dynamisch verwalteten und 2 MByte bzw. 4 MByte großen L2-Cache mit Intel Smart Cache-Funktionalität (siehe nächste Seite) zu, der für zusätzliche Beschleunigung sorgt. Alle aktuellen Intel Core 2 Duo Prozessoren besitzen die Enhanced Intel SpeedStep Stromspartechnologie (EIST), um den Prozessortakt dynamisch an den aktuellen Bedarf anzupassen. Bei Siemens SIMATIC PC ist diese Funktion deaktiviert, da hier immer die maximale Prozessorleistung garantiert wird! Die Execute-Disable-Bit-Funktion (XD-Bit), die die Ausführung von Malware (bestimmte Typen von Viren und Trojaner) verhindern kann, ist ebenfalls implementiert. Voraussetzung dafür ist die Aktivierung im BIOS durch den Kunden und ein Betriebssystem, das diese Funktion nutzen kann, etwa Windows XP mit Service Pack 2. 2 Level-2 (L2) Cache besonders schneller Speicher noch auf dem Prozessor, jedoch nicht mehr im Prozessorkern selbst (dies ist der Level-1-Cache). In diesem Speicher werden die zuletzt verwendeten Daten abgelegt, auf die hochwahrscheinlich nochmals zugegriffen wird. So wird der Zugriff auf den langsamen Hauptspeicher minimiert. Im Idealfall bezieht der Prozessor alle Daten, die er zur Verarbeitung braucht aus diesem Speicher. Cache-Speicher allgemein wird überall dort eingesetzt, wo die Geschwindigkeit auf den Speicherzugriff die Performance eines Systems besonders beeinflusst. All Rights reserved 6 von 24

7 1.2.1 Fachbegriffe zum Intel Core 2 Duo Intel Wide Dynamic Execution Mit der Core Mikroarchitektur hat Intel die Fähigkeiten zur dynamischen Code-Ausführung verbessert. Wide Dynamic Execution erlaubt bis zu vier Instruktionen pro Prozessortakt pro Core bislang waren es maximal drei. Eine verbesserte Sprungvorhersage und größere Puffer erlauben, die Ausführungseinheiten kontinuierlich zu füttern. Mit Hilfe der Funktion Macrofusion lassen sich häufige Instruktionsfolgen während des Dekodier-Schrittes zu einem prozessorinternen Befehl, genannt Micro-Op, zusammenfassen. Das erhöht die Anzahl der Instruktionen pro Taktzyklus. Darüber hinaus wurde die vom Pentium M bekannte Funktion Micro-Op Fusion auf eine größere Zahl von Micro-Ops erweitert. Insgesamt wird mit dieser Technologie die Auslastung des Prozessors gesteigert. Gleichzeitig wird die Arbeitsbelastung verringert, da ein Programm in weniger Prozessorzyklen abgearbeitet werden kann. Intel Intelligent Power Capability Eine besonders feine Aufteilung des Chips in Unterbereiche und Funktionen, welche sehr schnell angesprochen werden können, ermöglicht eine genaue Anpassung an aktuelle Anforderungen. So aktiviert die Core-Mikroarchitektur nur solche Bereiche des Chips, die tatsächlich benötigt werden andere bleiben abgeschaltet. Dies spart Strom und reduziert damit die Abwärme bei niedriger Auslastung. Zusätzliche sind viele Busse und Felder des Prozessors gesplittet und nur die benötigen Bandbreiten werden genutzt. Bewährte Techniken wie Enhanced Intel Speedstep und besonders tiefe Schlafzustände des Prozessors kommen zum Einsatz. Intel Advanced Smart Cache Diese Cache-Variante ist für den Einsatz in Mehrkern-Prozessoren optimiert. Dazu wird der gesamte L2-Cache (je nach Intel Core 2 Duo Prozessor sind das bis zu 4 MByte) gemeinsam von den Rechenkernen genutzt. Die Zuteilung erfolgt dabei dynamisch nach dem Auslastungsprinzip. So kann der gesamte Speicher einem Core zu Verfügung gestellt werden, wenn dieser sehr stark ausgelastet wird, während er bei gleichmäßiger Auslastung der Kerne beiden zu gleichen Teilen zuarbeitet. Die vom einzelnen Kern benutzte Cachegröße variiert also je nach Bedarf und kann bis zu 100 Prozent betragen. Zusätzlich kann ein Kern auf die schon im Cache befindlichen Daten des anderen Kerns zugreifen, wenn gleiche Datensätze bearbeitet werden. Eine Synchronisation der Caches über den Front-Side-Bus des Prozessors entfällt. Schließlich wurde beim Advanced Smart Cache die Bandbreite zum Prozessor hin erhöht, was die Performance nochmals verbessert. Intel Smart Memory Access Dieses Feature erhöht die System-Performance mit Hilfe mehrerer Techniken durch eine optimierte Ausnutzung der verfügbaren Bandbreite zum Speicher. So erlaubt etwa die Technik Memory Disambiguation, Speicherzugriffe zu optimieren. Dazu wird versucht vorherzusagen und auszurechnen, welche Speicherzugriffe vor anderen getätigt werden können. Mit Hilfe von so genannten Prefetchern analysiert der Prozessor Speicherzugriffe vorweg. Liegen die Prefetcher richtig, stehen die Daten bei Bedarf schon im schnellen L2-Cache bereit und der Prozessor kann sofort weiterarbeiten, ohne die Daten erst vom langsamen Arbeitsspeicher laden zu müssen. All Rights reserved 7 von 24

8 Intel Advanced Digital Media Boost Zur Beschleunigung von Multimedia-Anwendungen verarbeitet die Core- Mikroarchitektur 128 Bit breite SSE-Instruktionen 3 in nur einem Taktzyklus. Bislang war es üblich, die 128 Bit breiten SSE-Instruktionen in zwei Schritten abzuarbeiten zuerst die letzten 64 Bit, dann die ersten. Mit nur einem Taktzyklus für eine 128 Bit SSE-Instruktion erhöht sich der Durchsatz signifikant für Anwendungen, die SSE nutzen. Dazu gehören Applikationen wie Video-, Bild- und Soundbearbeitung, Verschlüsselung und technischmathematische Anwendungen Weiterentwicklung Intel Core Duo zu Intel Core 2 Duo Der Intel Core 2 Duo Prozessor ist die verbesserte Version des Intel Core Duo Prozessors. Der Intel Core 2 Duo Prozessor hat eine um etwa 12% gesteigerte Leistung im Vergleich zu einem Intel Core Duo Prozessor, dabei hat er einen etwas höheren Stromverbrauch. Aktuell haben die in Siemens SIMATIC PC eingesetzten Intel Core 2 Duo Prozessoren für Notebooks eine Leistungsaufnahme mit einer TDP = 34 Watt, während ein Intel Core Duo Prozessor in der Notebook-Variante eine TDP von 31 Watt aufweist. Die Intel Core 2 Duo Technologie unterstützt Intels 64-Bit Architektur Intel 64, auch als EM64T bekannt, die Vorgängerversion bietet diese Funktionalität noch nicht. Ebenfalls neu bei der Intel Core 2 Duo-Architektur ist die oben beschriebene Macrofusion-Funktion zur Erzeugung von Micro-OPs, von der etwa jeder zehnte Befehl profitieren soll. 3 SSE = Streaming SIMD (Single Instruction Multiple Data) Extension; Befehlssatz für die schnellere Bearbeitung von Programmen durch Parallelisieren All Rights reserved 8 von 24

9 1.3 Vorteile der Multicore-Technologie Software: Das volle Leistungspotenzial lässt sich nur abrufen, wenn das verwendete Betriebssystem und die Software so programmiert sind, dass sie die vorhandenen Kerne des Prozessors nutzen. Viele, vor allem ältere Anwendungen sind jedoch noch auf einen Kern ausgelegt. So lange also nur diese eine Anwendung auf einem PC läuft, profitiert die nicht von mehreren Prozessorkernen. Hier bietet die höhere Taktfrequenz eines Singlecore-Prozessors also einen Vorteil. Sobald jedoch mehrere Programme/Threads parallel laufen, macht sich die Anzahl der Prozessoren bemerkbar. Ob Anwendungen ihre Berechnungen auf mehrere Prozessoren verteilen können, hängt davon ab, ob sie multithreading-fähig sind. So nennt man die Fähigkeit einer Software, Funktionen zu verteilen und in so genannten Threads parallel ablaufen zu lassen. Windows NT besitzt seit 1993 die Fähigkeit, mehrere Prozessoren anzusprechen, bei den aktuellen Betriebssystemen sind zum Beispiel Windows XP ab SP 2 und dessen Nachfolger Vista für den Betrieb auf Mehrkernsystemen ausgelegt. Bild 2: Hyper-Threading bei Dualcore-Prozessoren erlaubt die parallele Erfassung von 4 Threads Doch auch wenn die Anwendungen auf einem Rechner nicht auf Multithreading ausgelegt sind, gibt es trotzdem Vorteile sobald mehrere Programme gleichzeitig ablaufen sollen. Zum Beispiel könnte der Virenschutz auf einem Kern laufen, während auf dem anderen ohne Verzögerung an einem Word-Dokument gearbeitet wird oder ein Video abgespielt wird. Dies ermöglicht Nutzern künftig kostengünstige Gesamtlösungen, indem sie Steuerung und Visualisierung in ein System integrieren. Denkbar sind neue Lösungen, bei denen ein Core mit integrierter Echtzeit-Steuerung aktiv und somit lauffähig ist, während der andere Core, auf dem z. B. eine Visualisierungssoftware läuft, neu gebootet werden kann. Weitere Anwendungen sind Remote Access z.b. für Fernwartung mit Firewall, ein Industrial Ethernet Link über einen weiteren Core und vieles andere mehr. Hardware: Das Vereinen von zwei oder mehreren Prozessorkernen auf einem einzigen Die 4 ermöglicht die Vorteile eines Mehr-Kern-Systems, wobei die Infrastruktur eines Ein- Kern-Systems beibehalten werden kann. Die neue Technik ermöglicht es, bei gleicher Rechneranzahl mehr Rechenleistung und damit komplexere und anspruchsvollere Lösungen zu realisieren. 4 Ein Die ist ein Halbleiterplättchen, welches den Mikroprozessor (Core) enthält (siehe Bild): Bei einem Dualcore-Prozessor sind auf einem Die zwei Cores untergebracht. All Rights reserved 9 von 24

10 Mit dem Einsatz von Intel Core 2 Duo Prozessoren und speziellen Stromsparfeatures wurde eine signifikante Leistungssteigerung bei nichtlinearem Anstieg von Abwärme und Strombedarf möglich. Die geringere Leistungsaufnahme der neuesten Generation der Intel Core 2 Duo Prozessoren ermöglicht kleinere, leichtere und dabei doch effektivere Kühlsysteme, welche sich gut in die vorhandenen Gehäuse einpassen lassen und damit die Einbaukompatibilität ermöglichen. Eine geringe Abwärme ist ein Muss für kompakte Systeme. Zudem erreicht ein gut gekühlter Prozessor eine deutlich höhere Lebensdauer als ein im Grenzbereich betriebener. Alternativ können Rechner bei gleichbleibender Lebensdauer in deutlich höheren Umgebungstemperaturen betrieben werden, was deren Einsatzspektrum erweitert. All Rights reserved 10 von 24

11 1.4 Verschiedene Multicore-Systeme Symmetrisches Multicore-Processing In symmetrischen Mehrkernprozessorsystemen (SMP Symmetrisches Multiprozessorsystem) erfolgt eine dynamische Zuteilung der Hardware-Ressourcen. Ein installiertes Betriebssystem hat auf alle Ressourcen Zugriff. Diese Art der Systemarchitektur ist seit ca. 20 Jahren die Standardarchitektur aller Mehrprozessorsysteme. Vorteile ergeben sich aus der einfachen Handhabung für den Anwender, da er in der Regel keine Einstellungen oder Änderungen an den Programmen vornehmen muss. Nachteil dieser Architektur ist z. B. die starke Auslastung des Speicherbusses, der die Daten für die Prozessoren zur Verfügung stellen muss. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem CPU-Hopping, bei dem die einzelnen Prozesse eines Programms abwechselnd auf jeweils einen anderen Kern aufgeteilt werden. Dadurch kommt es durch jeweils unterschiedliche Cache-Zugriffe zu Performance-Verlusten. Je mehr Prozessorkerne vorhanden sind, umso ausgeprägter treten die Nachteile in Erscheinung Asymmetrisches Multicore-Processing Bei asymmetrischen Mehrkernprozessorsystemen (AMP) werden den verschiedenen Kernen jeweils eigene Hardwareressourcen zugewiesen. Ein auf einem Core installiertes Betriebssystem kann nur auf die ihm zugewiesenen Hardware- Ressourcen zugreifen. Eine direkte Kommunikation zwischen den einzelnen Betriebssystemen ist nicht möglich, sondern muss über zusätzliche Schnittstellen (IPC Inter Process Communication) realisiert werden. Typischerweise werden bei AMP-Systemen völlig unterschiedliche Betriebssysteme auf einem Rechner eingesetzt. Vorteil dieser Lösung ist, dass die installierten Betriebssysteme auf ihre jeweilige Aufgabe hin optimiert werden können und diese dementsprechend performant ausführen. Beispielsweise kann eine Visualisierung auf einem Operating-System wie Windows oder Linux parallel zu einem Echtzeitbetriebssystem zur Steuerung einer Maschine laufen. Als Nachteile ist die eingeschränkte Funktionalität der Betriebssysteme aufgrund der fest zugewiesenen Hardware zu sehen. Eventuell sind Anpassungen innerhalb des Betriebssystems vorzunehmen, um dieses auf seine Aufgabe hin zu optimieren. All Rights reserved 11 von 24

12 1.4.3 Virtualisierung Virtualisierung bedeutet, dass mehrere Betriebssysteme auf einem Rechner, jedoch jedes für sich zeitgleich laufen können. In SIMATIC PC eingebaute Prozessoren unterstützen in den High-End-Versionen (T7400 und E6600) jeweils die Intel Virtualization Technology VT ( Vanderpool ). Diese beschleunigt die Emulation von Betriebssystemen wie Windows, deren Quellcode nicht offen zugänglich ist. Es gibt zwei verschiedene Arten der Virtualisierung: durch Virtualisierungssoftware (z. B. VMware, Virtual PC, DataSynapse Gridserver) durch Virtualisierung auf Hardwareebene mittels Hypervisor (z.b. Linux Xen) Softwarevirtualisierung: Die Virtualisierung auf Softwareebene bildet Schnittstellen und Hardwareperipherie nach und benötigt dafür Rechenkapazität des Prozessors. Die Software-Virtualisierung ist dementsprechend langsam. Dafür können jedoch Standardbetriebssysteme wie Windows XP eingesetzt werden. Betriebssysteme werden wie Programme geladen, entfernt und gesichert. Es können auch unterschiedliche Betriebssysteme virtualisiert werden, so lange die Virtualisierungssoftware diese unterstützt. So kann z. B. das Verhalten eines neu entwickelten Programmbausteins auf einem Rechner in einer virtualisierten Umgebung vor der eigentlichen Implementierung simuliert werden. Hardwarevirtualisierung: Die Virtualisierung auf Hardwareebene ist leistungseffizienter, da hier nur eine rudimentäre Software, ein sogenannter Hypervisor 5 oder Virtual Machine Monitor (VMM; z. B. Linux Xen) mit den wesentlichsten Koordinationsfunktionen installiert wird. Diese VMM kann einem virtualisierten Betriebssystem die Hardwareressourcen zuweisen. Der Vorteil der Virtualisierung auf Prozessorebene liegt im schnelleren Ablauf als bei der Softwarevirtualisierung. Zudem können Betriebssysteme unabhängig voneinander geladen oder bei einem Schaden aus dem Rechner entfernt werden. Wird eines von Hackern oder Viren befallen, kann es gelöscht und von einer sicheren Instanz aus neu geladen werden. Es können nur Betriebssysteme eingesetzt werden, die dieselbe Prozessorarchitektur unterstützen (z. B. x86). Es sind Lösungen möglich, bei denen auf einem Core z. B. ein Echtzeitbetriebssystem, auf dem anderen Windows läuft. 5 Sozusagen ein Betriebssystem für Betriebssysteme All Rights reserved 12 von 24

13 Ausblick auf Virtualisierungsmöglichkeiten: Es wird erwartet, dass Virtualisierungstechnologie bestehende und zukünftige IT- Infrastrukturen radikal verändern wird. Virtualisierung ermöglicht Nutzern kostengünstige Gesamtlösungen, indem sie z. B. Steuerung und Visualisierung in ein System integrieren. Denkbar sind Lösungen, bei denen ein Core mit integrierter Echtzeit-Steuerung aktiv und somit lauffähig ist, während der andere Core, auf dem z. B. eine Visualisierungssoftware läuft, neu gebootet werden kann. Oder ein RTOS 6 mit laufender Steuerung hostet ein Guest-OS mit Visualisierung und begrenzt oder erweitert die Rechenkapazität der Visualisierung je nach Auslastung des Controllers. So können Visualisierung und Steuerung auf einem leistungsfähigen PC die Ressourcen optimal nutzen, die höhere Priorität der Steuerung ist durch die Aufteilung in Host- und Guest-OS jederzeit gegeben. Angedacht sind z. B. Arbeitsplätze, die keinen eigenen Rechner benötigen, sondern über Netzzugriff auf einen Server zugreifen, der für jeden Benutzer ein eigenes virtuelles OS startet. Die Vorteile für Firmen liegen hier in der Einsparung von IT- Kosten da weniger Geräte, Kabel, Zubehör, etc. benötigt werden. Des Weiteren kann die verfügbare Rechenleistung besser auf die einzelnen User aufgeteilt werden. Bei einer typischen Textverarbeitung auf einem Arbeitsplatzrechner liegen heute große Teile der Rechnerkapazität brach. Hypervisor hingegen können die Rechenleistung je nach Bedarf zuweisen. Sollten Programmfehler auftreten hilft meistens ein einfacher Neustart der virtuellen Maschine, so umgeht man zeit- und kostenintensive Anrufe bei IT-Verantwortlichen oder Help Centern. Schließlich bleibt noch zu erwähnen, dass Programme nicht angepasst werden müssen, wenn auf neue Hardware umgestiegen wird / werden muss zumindest so lange nicht, wie für die neue Hardware Virtualisierungslösungen vorhanden sind, mit denen sich das alte Betriebssystem emulieren lässt. Auch gegenüber Computerviren sind solche Systeme weniger anfällig, da die Viren, wenn sie Systemdateien befallen, mit einem Neustart des virtuellen OS verschwunden sind. Oder ein Programmierer programmiert ein neues Tool für eine Anwendung. Die Entwicklungsumgebung läuft auf einem OS auf einem Core, während das OS mit Anwendungsprogramm auf dem anderen Core läuft, so dass der Entwickler seinen neuen Software-Baustein gleich testen kann. Weitere Anwendungen sind Remote Access z.b. für Fernwartung mit Firewall, ein Industrial Ethernet Link über einen weiteren Core und vieles andere mehr Bit-Technologie und ihre Auswirkungen auf die Applikationen Für Server sind 64-Bit mittlerweile Standard, während im industriellen Bereich nach wie vor 32-Bit-Applikationen und Betriebssysteme weit verbreitet sind. Die Intel Core 2 Duo-Architektur ermöglicht die Ausführung von 64-Bit- Applikationen. Voraussetzung für die vollständige Nutzung der 64-Bit-Architektur ist jedoch ein Betriebssystem das diese auch unterstützt, wie z. B. die 64-Bit-Versionen von Windows XP oder Vista. 64-Bit-Architektur bedeutet eine Erweiterung der Variablen und Adressen auf 64 Bit. Eine weitere Grenze der 32-Bit-Architektur ist die maximale Speichergröße von 4 GByte RAM, die linear adressiert werden können. Werden in einen 32-Bit-Rechner mehr als 4 GByte RAM eingesetzt, kann der über 4 GByte hinaus zu Verfügung stehende Speicher nicht angesprochen werden. Diese Grenze fällt bei der 64-Bit- Architektur, so dass ein Betriebssystem mehr als 4 GByte Speicher (theoretisch bis zu 16 EByte 7 ) nutzen kann. 6 Real Time Operating System - Echtzeitbetriebssystem 7 Ein ExaByte hat Byte, 16 EByte sind also 16 Milliarden Gigabyte All Rights reserved 13 von 24

14 Vorteile bringt diese neue Architektur besonders für Anwendungen, die speicherund/oder datenintensiv sind und für Programme, die komplexe Berechnungen mit hohen Zahlenwerten durchführen müssen. Um Windows in der 64-Bit-Variante zu betreiben muss darauf geachtet werden, dass hier alle Treiber in einer 64-Bit-Variante vorliegen müssen, anderenfalls lassen sie sich nicht installieren. Darüber hinaus muss auch der eingesetzte Chipsatz die 64-Bit-Architektur unterstützen. All Rights reserved 14 von 24

15 2 Intel Core 2 Duo Prozessoren bei SIMATIC PC 2.1 Prozessoren, Plattformen und technische Features der SIMATIC PC SIMATIC PC Prozessor Takt (GHz) L2- Cache Front- Side- Bus (MHz) Chipsatz Grafik TDP (W) VT HT Box PC T5500 1,66 2 MB B / 827B Panel PC 677B T7400 2,16 4 MB 667 Intel 945 GM Express Intel 945 GM Express Intel GMA950 Intel GMA Rack PC 547B E4300 1,8 2 MB 800 E6600 2,4 4 MB 1066 Intel 945 G Express Intel 945 G Express Intel GMA950 Intel GMA Rack PC 847B T5500 1,66 2 MB 667 T7400 2,16 4 MB 667 Intel 945 GM Express Intel 945 GM Express Intel GMA950 Intel GMA Bild 3: SIMATIC PC mit Intel Core 2 Duo All Rights reserved 15 von 24

16 3 Intel Core 2 Duo Prozessortechnologie mit SIMATIC WinAC Wie in Kapitel 1.3 beschrieben, können aktuelle Betriebssysteme von den Fähigkeiten der Dualcore-Prozessortechnologie Gebrauch machen. Um aber die maximale Geschwindigkeit zu erreichen, müssen auch die ausgeführten Programme entsprechend parallelisierbar ausgelegt sein. Im industriellen Umfeld spielt aber nicht nur die maximal erreichbare Performance eine Rolle, es ist vielmehr auch eine mindest zugesicherte Performance notwendig um ein vorhersagbares Verhalten eines Systems sicherzustellen. Wenn die Software-SPS SIMATIC WinAC RTX mit einem Dualcore-Prozessor verwendet wird, lässt sich ein System realisieren, bei dem man sicherstellen kann, dass sowohl für SIMATIC WinAC RTX als auch für den Windows XP-Teil eine vorhersagbare Performance zur Verfügung steht. 3.1 Betrieb der echtzeitfähigen Software-SPS SIMATIC WinAC RTX auf Single- und Dualcore-Systemen Eine Installation von SIMATIC WinAC RTX auf einem Dualcore-System unterscheidet sich von der auf einem Singlecore-System folgenderweise (siehe Grafiken nächste Seite): SIMATIC WinAC RTX auf einem Singlecore-System Auf einem normalen Singlecore-System nimmt sich die Echtzeiterweiterung von SIMATIC WinAC RTX die Performance die es braucht (max. 90%), um den Code abzuarbeiten. Um die Echtzeitanforderung erfüllen zu können, muss hier mit einer Sicherheitsreserve gearbeitet werden. Dies kann die Windows Performance u. U. deutlich (permanent oder auch nur kurzfristig) einschränken. SIMATIC WinAC RTX im Dedicated Mode auf einem Dualcore-System Wird SIMATIC WinAC RTX auf einem Intel Core 2 Duo-System mit Windows XP installiert, reserviert die Echtzeiterweiterung von SIMATIC WinAC RTX standardmäßig einen kompletten Core des Prozessors. Für das Betriebssystem Windows bleibt ein CPU Kern sichtbar und damit verfügbar. Durch die Aufteilung auf jeweils einen eigenen Cores muss hier keine Sicherheitsreserve berücksichtigt werden. Die Echtzeitanwendung und die Visualisierung verfügen hier über jeweils 50% der Performance. SIMATIC WinAC RTX im Shared Mode auf einem Dualcore-System Falls für Windows mehr Ressourcen benötigt werden, lässt sich der von SIMATIC WinAC RTX verwendete Ardence RTX-Kern auch so konfigurieren, dass von einem CPU Kern nur ein Teil verwendet wird und damit für Windows wieder beide CPU Kerne sichtbar und nutzbar sind. All Rights reserved 16 von 24

17 Single Core Ardence RTX 90 % Wind WinAC RTX H MI Dual Core Dedicated Mode (default) Core 1 90 % Core 2 Ardence RTX Windows WinAC RTX HMI 100 % Bild 4: Die Abbildung zeigt die maximale Auslastung eines Singlecore- und Dualcore-Systems durch SIMATIC WinAC Single Core WinAC RTX gets the necessary CPU Time Dual Core RTX Dedicated Mode (Default) Dual Core 0 % 100 % Ardence RTX WinAC RTX Ardence RTX WinAC RTX Windows HMI Core % Core 2 Ardence RTX Ardence RTX automatically uses one CPU core Windows Windows Core % Core 2 High CPU Loads due to WinAC RTX can significantly slow down Windows' execution and response times. HMI Appl. 100 % 100 % RTX Shared Mode WinAC RTX HMI Appl. n Appl. m Core Load Bild 5: Die unterschiedlichen Installationsmöglichkeiten von SIMATIC WinAC RTX und die jeweils vorhandenen Leistungsreserve des Betriebssystems All Rights reserved 17 von 24

18 Windows-Gerätemanager bei einem Dualcore- System mit SIMATIC WinAC RTX in der Standardinstallation ( Dedicated ) es ist nur ein Kern zu sehen Windows-Gerätemanager bei einem Dualcore- System ohne SIMATIC WinAC RTX oder mit SIMATIC WinAC RTX im Shared Mode beide CPU Kerne sind verfügbar Bild 6: unterschiedliche Darstellung des Prozessors mit installierter WinAC im Windows-Gerätemanager Im Vergleich zu einem Singlecore-Prozessorsystem ist sichergestellt, dass jedem Betriebssystem, einmal dem Ardence RTX von SIMATIC WinAC RTX und zum anderen Windows XP, ein eigener Prozessorkern zur Verfügung steht. Dadurch hat das Betriebssystem genug Reserven um einen Flaschenhals also z.b. durch eine Visualisierungssoftware mit einem Archivierungssystem oder auch eine performancehungrige Machine Vision Applikation gar nicht erst aufkommen zu lassen. 4 Performancevergleiche für SIMATIC WinAC RTX und SIMATIC WinCC flexible auf Core 2 Duo- und Singlecore-Prozessor 4.1 Ziel der Tests und Testplattformen Um die Unterschiede zwischen Single- und Dualcore bzw. die Leistungsreserven eines Intel Core 2 Duo-Systems aufzuzeigen, sind als Basis eine Software-SPS und eine Visualisierung zum Einsatz gekommen eine Softwarekonstellation, wie sie für PCbasierte Automatisierungslösungen typisch ist. Die Hardware ist über PROFIBUS angebunden. SIMATIC WinAC RTX als PC-basierte S7-Steuerung liefert die erfassten Daten und Variablen an die Visualisierungssoftware SIMATIC WinCC flexible. Zusätzliche Applikationen bzw. auf der Windows-Seite eingebundene Hardware sind heute keine Seltenheit mehr und werden in Zukunft noch zunehmen. Da sich jeweils für unterschiedliche Applikationen deutlich unterschiedliche Konstellationen und damit auch Performanceanforderungen stellen können, hätten Detailergebnisse für die Praxis nur wenig Relevanz. Deswegen wird hier zugunsten einer vereinfachten Darstellung darauf verzichtet. Die Beschreibung der verwendeten Projektierungen ist entsprechend kurz gehalten. Wegen des Fokus auf Mindestperformance für die Windows Seite wurde SIMATIC WinAC RTX in der Standardinstallation, also im Dedicated Mode (siehe Kap. 3.1) betrieben. Die hier gemachten Vergleichsmessungen können wegen der Software- und Hardwarekonstellationen nur relativ im Zusammenhang mit den Vergleichsgeräten gesehen werden. Ein einzelner Wert für sich hat wenig Aussagekraft, weil in allen Messungen Zykluszeiten von SIMATIC WinAC RTX, Datenaustausch von SIMATIC WinAC RTX zu SIMATIC WinCC flexible usw. enthalten sind. Wenn Zeiten angegeben sind, sind dies gemittelte Werte. All Rights reserved 18 von 24

19 Als Testplattformen sind drei SIMATIC PC-Systeme, eines mit einer Singlecore- und zwei mit jeweils unterschiedlichen Dualcore-CPU, gegenübergestellt: Singlecore-Plattform SIMATIC Panel PC 677 / Box PC 627: Intel Pentium M 760 Prozessor mit 2,0 GHz Dualcore-Plattform SIMATIC Box PC 627B / Panel PC 677B: Intel Core 2 Duo T7400 Prozessor mit 2,16 GHz und Intel Core 2 Duo T5500 mit 1,67GHz Als Betriebssystem kam Windows XP Professional MUI (SP2) zum Einsatz. Über die integrierte PROFIBUS-Schnittstelle der SIMATIC PC ist als dezentrale Peripherie eine SIMATIC ET200S angeschlossen, um externe Trigger im System zu setzen. 4.2 Verwendete Softwareprojektierungen Für die Tests wurde folgende SIMATIC Software installiert: SIMATIC WinAC RTX 2005 im Dedicated Mode o Das verwendete S7-Programm und die SIMATIC WinAC-Projektierung dient hauptsächlich dazu, eine konstante CPU Grundlast von 90% zu erzeugen und I/Os zur Zeitmessung vom PROFIBUS zu SIMATIC WinCC flexible durchzureichen SIMATIC WinCC flexible 2005 Runtime o Verwendung zweier verschiedener Visualisierungen, einer kleinen und großen. Durchführung einfacher Berechnungen und Anzeige von Variablen, in der kleinen Visualisierung <20, in der großen Visualisierung >400. Die minimale Aktualisierungsrate ist in SIMATIC WinCC flexible projektiert. o Zur zuschaltbaren Archivierung werden SIMATIC WinCC flexible-skripte und ein Microsoft SQL-Server verwendet. Die Skripte werden alle 100 ms aufgerufen und generieren zwei Tabellen mit jeweils neu berechneten Werten, die dann in eine SQL Datenbank geschrieben werden. Kleine Visualisierung, wenig Variablen Große Visualisierung, sehr viele Variablen Bild 7: Ansicht der kleinen und großen Visualisierung All Rights reserved 19 von 24

20 4.3 Tests und Testergebnisse Um die Leistungsunterschiede zu zeigen, wurden folgende Tests durchgeführt (die Testergebnisse finden Sie auf den folgenden Seiten): CPU Last o Messung der CPU Last auf der Windows-Seite über den Windows Task Manager Bildaufschlagzeit o Zeit, die für den Wechsel und die vollständige Aktualisierung aller Werte in einem SIMATIC WinCC flexible Bild benötigt wird. Aktualisierungszeit o Zeit vom Schalten eines Digitalen Eingangs bis zur Darstellung auf der SIMATIC WinCC flexible Visualisierung SIMATIC WinAC RTX Ausführungszeit o Die Dauer der Ausführung des SIMATIC WinAC RTX Programms wurde gemessen. Das verwendete Programm dient hauptsächlich dazu, eine konstante CPU Grundlast sicherzustellen. Das führt dazu, dass die Ausführungszeiten für einen Zyklus bei den drei Testsystemen sehr ähnlich sind - die CPUs haben eine vergleichbare Singlecore-Performance bei ähnlichen Taktfrequenzen. Die gemessenen Zykluszeiten der Systeme liegen sehr nah beieinander und im Bereich der Messtoleranzen der bei diesem Test verwendeten Messinstrumenten. Im Weiteren wird nicht weiter darauf eingegangen. Auf die Ergebnisse der Tests haben diese nur wenig Einfluss. Auf den folgenden Seiten sind die Ergebnisse der Tests grafisch dargestellt. Die ermittelten Werte sind Mittelwerte einzelner Messungen. All Rights reserved 20 von 24

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