PARC. Eine virtuelle Echtzeit Entwicklungsumgebung für den Ausbildungsbereich

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1 PARC Eine virtuelle Echtzeit Entwicklungsumgebung für den Ausbildungsbereich Andre Köthur und Dr. Norbert Drescher Fachhochschule Südwestfalen 5095 Hagen Haldener Str. 12 Einleitung und Zielsetzung Die Fachhochschule Südwestfalen bietet im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik in Hagen eine Ausbildung in den Fachrichtungen Automatisierungstechnik, Kommunikationstechnik und Technische Informatik an. Im Rahmen dieser Ausbildung werden im Labor für Mikrorechner Veranstaltungen in den Bereichen System Architektur Echtzeit Programmierung und Betriebssysteme angeboten, die alle durch ein Praktikum begleitet werden. Ziel der Praktika ist eine Praxis nahe Ausbildung an State of The Art Produkten, die in der Industrie allgemein bekannt sind und entsprechend eingesetzt werden. Darauf aufbauend müssen die Studierenden ein Projekt durchführen, in dem komplexe Aufgaben im Team gelöst werden sollen. Das hier vorgestellt PARC System ist durch Projektgruppen realisiert worden. Echtzeit Systeme haben die Aufgabe, auf Ereignisse der Peripherie in einer vorgegeben Zeit zu reagieren. Daher ist ein Anschluss einer Peripherie notwendig, die die stimulierenden Ereignisse erzeugt und die auf die Reaktionen wartet. Ähnliches gilt für die Betriebssystem Ausbildung, in der z.b. Treiber entwickelt werden sollen. Daher besteht in der Regel ein Ausbildungsplatz aus einem Host Rechner mit dem Entwicklungssystem, dem Steuerrechner mit dem Echtzeit Betriebssystem und einem Peripherie Gerät, das zu steuern ist. Im Ausbildungsbereich ist der Anschluss realer Komponenten jedoch nur bedingt sinnvoll, da je nach Fortschritt der Studierenden unterschiedliche Übungen und damit unterschiedliche Peripherie Komponenten benötigt werden, eine Überprüfung der Reaktionen auf Rechtzeitigkeit nur eingeschränkt möglich ist, je nach Anzahl Übungsgruppen die Peripherie mehrfach bereitgestellt werden muss und die Installation realer Komponenten aufwendig, inflexibel und Platz raubend ist. Zudem existieren gegenüber einer industriellen Umgebung weitere Unterschiede: Wechselnder Einsatz der Teilnehmer, d.h. keine feste Bindung zwischen dem Entwickler, dem Arbeitsplatz und der Target Hardware. Mehrfachbelegung der Labor Plätze. Im Labor für Mikrorechner werden neben der Echtzeit- und System Programmierung weitere Praktika durchgeführt, die andere Komponenten benötigen. Durch die Durchführung unterschiedlicher Labor Veranstaltungen bilden die Labor Plätze einen Engpass, d.h. die Target Systeme wären zwar verfügbar, aber der Laborplatz ist belegt

2 Der klassische Laborbetrieb stellt den Studierenden zeitweise die für sie benötigte Umgebung bereit, eine flexible und optimale Nutzung der Ressourcen ist damit jedoch nicht möglich. Die hier vorgestellte Lösung stellt dagegen eine Umgebung bereit, die die o.a. Engpässe vermeidet und darüber hinaus weitere Vorteile bietet. Folgende Ziele wurden dazu formuliert: Bereitstellung einer flexiblen Entwicklungsumgebung, die keine feste Arbeistplatz Zuordnung erfordert und keine besonderen Anforderungen an den Arbeitsplatz stellt. Auflösung der festen Zuordnung zwischen Laborplatz und Target System, d.h. Einsatz aller Target Systeme in einer Target Farm, unabhängig vom einzelnen Laborplatz. Ein direkter Zugriff auf die Target Systeme ist dann nicht mehr möglich, sondern muss Remote über ein Netzwerk möglich sein. Dies schließt die Erfassung aller Daten und den direkten Eingriff auf Hardware Komponenten mit ein. Nutzung von Echtzeit Simulationen für die Realisierung der externen Prozesse. Die Simulation soll dabei auf einem getrennten Server ablaufen, um das Laufzeit Verhalten auf den Targets nicht zu verfälschen. Dabei soll eine Auswahl aus mehreren Simulatoren möglich sein und die richtige Zuordnung Lastsimulator Target muss gewährleistet sein. VME Bus Target IO Boards Debugger / Esp Standard IO RESET Prozess IO PRISM+ PARC Konsole Start Stop Peripherie Simulationen Peripherie Konsolen Bild 1: Konfiguration eines Arbeitsplatzes Bild 1 stellt die Zielkonfiguration eines Arbeitsplatzes dar. Jedem Teilnehmer steht eine Umgebung zur Verfügung, aus der heraus: über die Standard Entwicklungsumgebung Programme entwickelt und analysiert werden können, das Target System in den Anfangszustand versetzt werden kann, manuelle Tests über das IO Board durchgeführt werden können und Peripherie Simulationen ausgewählt, gestartet, beobachtet und beendet werden können. Dabei realisiert das PARC System nicht nur den Zugriff auf die Komponenten, sondern verwaltet die Targets in einer Target Farm und bietet jedem Benutzer eine einheitliche Sicht, d.h. die Benutzer sind untereinander geschützt und die Anwendungssoftware der Praktikumsteilnehmer ist unabhängig vom zufällig gewählten Target

3 d i g i t a l Die globale Hardwarestruktur Der zentrale Lösungsansatz nutzt eine Server Umgebung, an den die Target Farm angeschlossen ist und ausschließlich Clients als Arbeitsplätze. Die Clients sind dabei nicht auf den Labor Bereich beschränkt. Solaris Server Als Targets kommen Systeme zum Einsatz auf denen derzeit das Betriebssystem genutzt wird. Für die Software Entwicklung wird die integrierte Entwicklungsumgebung PRISM+ eingesetzt. Alle Targets besitzen je acht digitale Ein/ Ausgabeports, welche mit X-Window Arbeitsplätze Öffentliches Netzwerk Bild 2: Globale Hardware Struktur im Labor für Mikrorechner dem Mikrocontroller verbunden sind und von diesem gesetzt bzw. abgefragt werden können. Ebenso sind die Resetleitungen der Targets mit dem Mikrocontroller verbunden. µc I²C Bus Labor Netzwerk Target Farm Die Software- und Kommunikationsstruktur Das PARC System besteht aus mehreren Teilen, die hierarchisch aufeinander aufbauen und über TCP/IP kommunizieren. Die Struktur ergibt sich wie folgt: GUI Echtzeit Simulator Target Verwaltung PPC Target OS SW IO-Multiplexer Mikrocontroller Verbindungsty p: Socket Hardware direkt GUI Die Steuerung von PARC durch die Benutzer erfolgt über eine grafische Oberfläche. Sie enthält u. A. Schaltflächen zum Auslösen eines Resets, Anzeigeelemente die über den Status der digitalen Ein/Ausgabeports informieren und ein Konsolenfenster, das Standardausgaben von Anwendungen anzeigen kann. Überdies können Lastsimulationen ausgewählt und durch den Benutzer gestartet werden. Echtzeit Simulator Diese werden je nach Übung erstellt und können in das PARC System eingebunden werden. Über das GUI kann jeder Benutzer einen Simulator auswählen und diesen starten bzw. stoppen. Derzeit existiert eine Drucker Simulation, der bei der Entwicklung eines Drucker Treibers genutzt wird

4 Target Verwaltung Um eine dynamische Zuordnung eines freien Targets zu einem Benutzer zu ermöglichen, gibt es diese zentrale Verwaltungseinheit. Hier werden alle Targets verwaltet und es wird eingetragen, welcher Benutzer mit welchem Target arbeitet. Alle anderen Komponenten kontaktieren diesen Server, um die Zuordnung zwischen Benutzer und Target zu erfragen. IO-Multiplexer Die Verteilung von Steuerbefehlen (z.b. Reset, Ein/Ausgabeports abfragen bzw. setzen) an die jeweils richtigen Targets wird vom IO Multiplexer übernommen. Hierbei ist ein Ausbau durch den Einsatz weiterer µcontroller vorgesehen. Mikrocontroller Der Mikrocontroller fungiert als Brücke zwischen dem SW Multiplexer und den Hardware - Steuerleitungen der Targets. Um ausreichend Kanäle zur Verfügung zu stellen, werden die Targets über den I²C Bus angeschlossen. PPC Targets Es stehen sechs Boards zur Verfügung, die in zwei VME Racks untergebracht sind. Ziel dieser Konfiguration ist, alle in der Industrie verwendeten Systemkonfigurationen im Labor bereitstellen zu können. Derzeit werden in der Ausbildung allerdings nur Einprozessor Konfigurationen genutzt, Multiprozessor Anwendungen und verteilte Anwendungen sind jedoch mittelfristig im Rahmen von Projektarbeiten geplant. VME System Parallel IO RESET IIc Bus Parallel IO Parallel IO Parallel IO Parallel IO Rabbit µc-os Ethernet Switch Bild 3: VME Target System Jedem CPU Board ist z.zt. ein IO Board für die digitale Ein- und Ausgabe zugeordnet worden. Zukünftig werden noch weitere Funktionen integriert werden. Das System PARC bietet für die Zuordnung ein Autokonfigurations Management, das folgende Funktionen bereitstellt: Herstellung der Benutzer Zuordnung für die Standard Ein- und Ausgabe: Dazu holt sich die Anwendung beim Name Server die erforderliche Port Nummer des dazugehörigen User Prozesses. Auswahl der IO Boards: Es existiert eine feste VME Bus Konfiguration, d.h. jedem Target Board sind die IO Boards fest zugeordnet. Vor der Nutzung des IO Boards - 4 -

5 muss entsprechend eine Management Funktion aufgerufen werden, die anhand des Steckplatzes einen PARC Kontrollblock zurückliefert, der Informationen für die Ein- Ausgabe und Interrupt Steuerung bereitstellt. Zusätzlich werden die Interrupt Controller auf den Target Boards entsprechend initialisiert, sodass nur die zugewiesene Interrupt Leitung einen Interrupt auslösen kann. Alle anderen werden explizit gesperrt. Die Realisierung ist durch entsprechende Treiber durchgeführt worden. Zusammenfassung und Ausblick Das System PARC bietet eine flexible Entwicklungsumgebung für die Echtzeit- und System Programmierung. Durch die konsequente Trennung zwischen Arbeitsplatz und Target können Benutzer von beliebigen Arbeitsstationen aus die Software Entwicklung betreiben, wobei alle Funktionen der "eigentlichen" Entwicklungsumgebung (Editor, Builder, Debugger, Profiler etc.) zur Verfügung stehen. Einzige Voraussetzung ist eine ausreichend starke Netzwerk Anbindung. Das PARC System soll im Rahmen von Studenten Projekten weiter ausgebaut werden. Derzeit existiert nur eine Minimal Funktion, die den Studierenden einen flexiblen, Campus weiten Zugang zu den Targets ermöglicht und einfache Simulationen erlaubt. Daher sind folgende Änderungen mittelfristig vorgesehen: Allgemeiner Zugang zum System über das Internet. Diese Erweiterungen adressieren das Problem der Zugriffssicherheit, das bisher nicht berücksichtigt worden ist. Der allgemeine Zugang über das Internet wird mit dem allgemeinen Paradigmenwechsel hin zur virtuellen Hochschule in der Ausbildung zunehmend wichtiger, zumal an der Fachhochschule Südwestfalen mit der Einführung des Verbundstudiums für den Studiengang Automatisierungstechnik dieser Entwicklung Rechnung getragen wird. Erweiterung der Echtzeit Simulationen und Funktionen: Schwachpunkt in der derzeitigen Implementierung ist die Realisierung der Echtzeit Simulation, da der Bit µcontroller und der Anschluss über den I²C Bus nur die Simulation langsamer Peripherie erlaubt und nur acht Digital Leitungen zur Verfügung stehen. Mittelfristig soll die Funktionalität ausgebaut werden. Folgende Funktionen sind geplant: Integration von Netzwerk IO, z.b. CAN Bus Controller. Schnelle digitale IO Kanäle durch Einsatz von FPGA Karten, die je nach Aufgabenstellung geladen werden können. AD- und DA Kanäle Alle diese Erweiterungen erfordern eine Integration in die Target Farm, eine Bereitstellung von Echtzeit fähigen Simulationssystemen und deren Integration in das PARC System und schließlich die Echtzeit Simulation selbst. Daher bietet das System PARC für alle Grundlagen Veranstaltungen eine flexible System Umgebung, die nach und nach erweitert und verbessert werden wird. Zugleich ist PARC eine Basis für ambitionierte Studentenprojekte, in denen Hardwarekomponenten entwickelt werden, die in das System integriert werden müssen. Darauf aufbauend werden dann Echtzeit Simulationen mit graphischer Oberfläche erstellt, die schließlich in die verteilte Umgebung des PARC Systems integriert werden müssen