Berger, Falk

Däne, Bernd

Pacholik, Alexander

Digitale Bibliothek Thüringen

  50. Internationales  Wissenschaftliches Kolloquium   September, 19-23, 2005   Maschinenbau  von Makro bis Nano / Mechanical Engineering  from Macro to Nano   Proceedings    Fakultät für Maschinenbau / Faculty of Mechanical Engineering     Startseite / Index:  http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15745 Impressum  Herausgeber: Der Rektor der Technischen Universität llmenau  Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Peter Scharff  Redaktion: Referat Marketing und Studentische Angelegenheiten  Andrea Schneider   Fakultät für Maschinenbau  Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Kurtz, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) Hartmut Witte, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß,  Dr.-Ing. Beate Schlütter, Dipl.-Biol. Danja Voges,  Dipl.-Ing. Jörg Mämpel, Dipl.-Ing. Susanne Töpfer,  Dipl.-Ing. Silke Stauche  Redaktionsschluss: 31. August 2005 (CD-Rom-Ausgabe)  Technische Realisierung:  Institut für Medientechnik an der TU Ilmenau (CD-Rom-Ausgabe) Dipl.-Ing. Christian Weigel Dipl.-Ing. Helge Drumm Dipl.-Ing. Marco Albrecht  Technische Realisierung: Universitätsbibliothek Ilmenau (Online-Ausgabe)   Postfach 10 05 65  98684 Ilmenau  Verlag:   Verlag ISLE, Betriebsstätte des ISLE e.V.  Werner-von-Siemens-Str. 16  98693 llmenau   © Technische Universität llmenau (Thür.) 2005   Diese Publikationen und alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt.   ISBN (Druckausgabe): 3-932633-98-9  (978-3-932633-98-0) ISBN (CD-Rom-Ausgabe): 3-932633-99-7 (978-3-932633-99-7)  Startseite / Index: http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15745 50. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 19.-23. September 2005  Bernd Däne / Falk Berger / Alexander Pacholik   Ein eingebettetes Multiprozessorsystem für die Steuerung von Nanomess- und Positioniermaschinen   ABSTRAKT  Der Beitrag beschreibt ein Konzept und eine experimentelle Realisierung für ein eingebettetes Mehrprozessorsystem mit Digitalen Signalprozessoren. Das System weist in der Kommunikations-struktur einige Besonderheiten auf. Insbesondere wurde eine Broadcast-Funktion zur gleichzeitigen Übertragung identischer Daten zu mehreren Teilnehmern realisiert. 1. Einführung In Nanomess- und Positioniermaschinen muss eine schnelle und präzise Positionsregelung erfolgen. Die dafür benötigten Regelalgorithmen werden in schnellen eingebetteten Systemen implementiert, welche häufig mit Digitalen Signalprozessoren (DSP) realisiert werden. Aufgrund der Anzahl von Bewegungsachsen, welche in die Regelung einbezogen sind, liegt stets eine mehrkanalige Regelung vor. Ein wichtiges Entwurfsziel ist die Erzielung einer hohen Abtastrate, da hiervon die erreichbaren dynamischen Eigenschaften der Nanomess- und Positioniermaschinen abhängen. Die benötigte Ver-arbeitungsleistung kann durch den Einsatz eines Multiprozessorsystems erzielt werden. Als Engpass tritt dabei jedoch der Datentransport zwischen den Prozessoren auf. In diesem Beitrag wird ein Mul-ti-DSP-System vorgestellt, welches diesem Umstand durch eine problemangepasste Gestaltung des Kommunikationssystems Rechnung trägt. 2. Grundstruktur des Multi-DSP-Systems Das beschriebene Multi-DSP-System ist für sechs Digitale Signalprozessoren vom Typ TMS320C6701 [1] des Herstellers Texas Instruments Inc. konzipiert und wurde im Zusammenhang mit einem Gemeinschaftsprojekt zu Nanomess- und Positioniermaschinen [2] entworfen. Eine de-taillierte Beschreibung des Multi-DSP-Systems ist in [3] enthalten. Abb. 1 zeigt die Grundstruktur des Systems und verdeutlicht die Arbeitsteilung zwischen den Pro-zessoren. Einer der Prozessoren agiert als Master und organisiert alle Datentransporte innerhalb des Systems. Vier gleichberechtigte Slaves übernehmen die eigentliche Rechenlast bei der Berechnung der Regelalgorithmen. Ein weiterer Prozessor (Comm) ist für die Kommunikation mit einem ü-bergeordneten Leitrechner reserviert, wofür ein schnelles Standardinterface vom Typ USB 2.0 zum Einsatz kommt. Für die Verbindungen werden Interfaces genutzt, die bei den benutzten DSPs on-chip verfügbar sind. Das External Memory Interface (EMIF) realisiert eine Parallelbus-Schnittstelle, an welcher der betreffende DSP als aktiver Busmaster auftritt. Das Hostport-Interface (HPI) erlaubt dagegen den Zugriff eines externen Busmasters auf die internen Speicherkomponenten des betreffenden DSP, wo-bei sich dieser ähnlich einer Speicherbaugruppe, also passiv, verhält.  Durch geeignete Kopplung dieser Interfaces wer-den die Kommunikationsverbindungen realisiert, wobei vom Master aus gesehen zwei unabhängige Zugriffswege zum Kommunikationsprozessor und zu den Slaves existieren. Darüber hinaus ist eine Schnittstelle zum Zugriff auf die Ein- und Ausgabeports der Sensor- und Aktorbaugruppen vorhan-den (Port-IO). Auf Grund der kritischen Geschwindigkeitsanforderungen und der relativ großen Lei-terzuglängen erwiesen sich widerstandsangepasste, impedanzkontrollierte Leiterzüge und auch Bus-treiber als notwendig [3]. Gewählt wurde eine beidseitige Parallelterminierung mit geteiltem Ab-schlusswiderstand [4]. 3. Problemangepasste Gestaltung des Kommunikationssystems Die Verbindung zwischen dem Master und dem Kommunikationsprozessor ist als Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem EMIF und einem HPI ausgeführt [5] und weist diesbezüglich keine Besonderheiten auf. Da der Master hier als passiver Teilnehmer auftritt, wird sein Prozessorkern von dieser Kommunikationslast nicht wesentlich beeinflusst. 6701Slave 0HPI6701Slave 1HPI6701Slave 2HPI6701Slave 3HPI6701CommEMIF6701MasterEMIFHPIPort I/OUSB 2.0Abb. 1: Grundstruktur Die vier Slaves sind jedoch mittels einer Busstruktur mit dem Masterprozessor verbunden. Dabei tritt letzterer als Busmaster auf, während sich alle Slaves als passive Teilnehmer verhalten. Dadurch ist es möglich, auf sämtlichen Slaves Endlosschleifen mit den Berechnungsalgorithmen laufen zu lassen, ohne zusätzliche Kommunikationskomponenten mit entsprechendem Overhead (z.B. durch Kontextwechsel) implementieren zu müssen. In dieser Konfiguration kann in den Slaves ein Maxi-mum an Verarbeitungsdurchsatz erreicht werden. Die Busstruktur für die Verbindung des Masterprozessors mit den Slaves musste speziell entworfen werden, da das verwendete DSP-System keine eigenen Vorkehrungen für den Aufbau solcher Multiprozessorsysteme anbietet. Da die Slaves aus Sicht des Masters in der Art von Speicherberei-chen erscheinen, werden sie durch Adressbereiche analog der Adressierung von Speicherbaugrup-pen unterschieden. Um Zeitvorteile bei der Ansteuerung der Treiberbausteine zu erreichen, wurden für das Schreiben und für das Lesen jeweils unterschiedliche Adressbereiche festgelegt.  Als besondere Funktion wurde zusätzlich zum individuellen Ansprechen der Slaves eine Broadcast-Funktion realisiert. Unter Nutzung eines separaten Adressbereiches kann der Master gleichzeitige Schreibvorgänge auf alle Slaves ausführen. Das führt zu starker Einsparung an Kommunikations-Abb. 2: Verknüpfung von Steuersignalen für den broadcastfähigen Bus  ... ... ... ED[15:0] EA4 6701 EMIF (Master) 6701 HPI (Slave 0) EA3 HD[15:0] EA2 /BE1 /BE0 /WR /RD /CE /WAIT HCNTL1 HCNTL0 HHWIL /HBE1 /HBE0 HR/W, HDS2 /HDS /HCS /HRDY NOR 6701 HPI (Slave 1) HD[15:0] HCNTL1 HCNTL0 HHWIL /HBE1 /HBE0 HR/W, HDS2 /HDS /HCS /HRDY ... C6701 HPI (Slave n-1) HD[15:0] HCNTL1 HCNTL0 HHWIL /HBE1 /HBE0 HR/W, HDS2 /HDS /HCS /HRDY /HINT /HINT /HINT /INT i Interrupt EA[5:log2(n)+5] Decode Abb. 3: Ansicht der Leiterplatte (Module v. r. n. l.: Comm, Master, Slaves 0 bis 3) zeit, falls alle Slaves mit identischen Daten zu versorgen sind. In der vorliegenden Applikation ist dieser Fall von großer Relevanz, da in jedem Takt die kompletten Messdaten der Sensorik aufgrund der Verkopplung der Regelkreise von allen Reglern benötigt werden. Die berechneten Regelgrößen werden dagegen durch den Master einzeln von den Slaves abgeholt. Abb. 2 zeigt schematisch die Verknüpfung der relevanten Steuersignale. Die Auswahlsignale für die Slaves werden durch eine gewöhnliche Adressdekodierung aus der vom Master ausgegebenen Spei-cheradresse erzeugt. Tritt in einem Slave während eines Zugriffs des Masters eine Verzögerung auf (z.B. durch einen internen Zugriffskonflikt), wird mit Hilfe eines Wait-Signals der Zyklus entspre-chend verlängert. Dieser Fall hat allerdings eine geringe Wahrscheinlichkeit, so dass er in der ge-samten Zeitbilanz nicht stört. Für den Broadcast-Modus muss eine entsprechende Verknüpfung der Wartesignale der einzelnen Slaves gebildet werden, so dass die Länge des Buszyklus stets durch den Tab. 1: Gemessene Übertragungsraten Richtung und Modus Datenrate (MByte/s) Lesen von einem Slave (Einzelzugriffe) 6,1 Lesen von einem Slave (Burst-Mode) 13,3 Schreiben auf einen Slave (Burst-Mode) 14,5 Broadcast zu allen Slaves (Burst-Mode) 14,5 langsamsten Teilnehmer bestimmt wird. Ein zusätzliches Interrupt-Signal kann bei Notwendigkeit zur Signalisierung besonderer Zustände der Slaves zum Master dienen, wobei aufgrund der begrenz-ten Anzahl externer Interrupteingänge eine Zusammenfassung zu einem Sammelinterrupt erfolgen muss. 4. Resultate und Zusammenfassung Das beschriebene Rechnersystem wurde unter Laborbedingungen realisiert und experimentell unter-sucht. Abb. 3 zeigt eine Ansicht der realisierten Leiterplatte. Die Prozessoren befinden sich auf Pig-gyback-Modulen des Typs D.Module.C6701 [6] vom Hersteller D.SignT GbR. Für den Funktions-test wurde Kommunikationssoftware mit an den MPI-Standard [7] angelehnten Elementarprozedu-ren implementiert. Durch Nutzung von DMA-Funktionen [1] sowie durch Unterstützung des Burst-Modes des HPI [5] konnte die Effektivität optimiert werden. Tab. 1 zeigt die erreichten Übertra-gungsraten für die Datenübertragung zwischen dem Master und den Slaves. Es zeigt sich, dass der Broadcast-Modus dasselbe Zeitverhalten aufweist wie das Schreiben zu einem einzelnen Slave. Da hierbei die Daten aber gleichzeitig zu allen Slaves transportiert werden, lassen sich erhebliche Zeit-vorteile erreichen. 5. Ausblick Künftige Entwicklungen betreffen die algorithmische Optimierung mit Bezug zur Zielapplikation, d.h. die Anpassung der Kommunikationsprozeduren an die Spezifik der eingesetzten Applikations-software. Weiterhin soll eine im Konzept bereits vorbereitete Erweiterung auf eine skalierbare An-zahl von Prozessoren ausgeführt werden. Die entworfene Hardware soll für die Verwendung anderer Prozessormodelle innerhalb der verwendeten Prozessorfamilie adaptiert werden. Von Interesse ist hier z.B. der Typ TMS320C6713, der eine verbesserte Verarbeitungsleistung und insbesondere eine flexiblere DMA-Funktion bietet, allerdings auch einige Unterschiede im Bereich der HPI-Bedienung aufweist. Schließlich soll das schnelle multikanalfähige serielle Interface der benutzten DSPs (McBSP, [1]) als zusätzlicher Kommunikationsweg innerhalb des Systems nutzbar gemacht werden, da es bei geringem Bedarf an Verbindungsleitungen eine relativ schnelle Datenübertragung bietet und das gleichberechtigte Versenden und Empfangen von Nachrichten durch alle beteiligten Prozes-soren ermöglicht. Diese Arbeit wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonder-forschungsbereiches SFB 622. Referenzen: [1] Naim Dahnoun: Digital Signal Processing Implementation Using the TMS320C6000 DSP Platform. Prentice Hall 2000, ISBN 0-201-61916-4. [2] Tino Hausotte: Nanopositionier- und Nanomessmaschine. ISLE Verlag 2002, ISBN 3-932633-71-7. [3] Alexander Pacholik: Konzeption und Realisierung eines Multi-DSP-Systems und seiner Schnittstellen. Diplomarbeit TU Ilmenau (IA) 2004. [4] Howard Johnson: “High-Speed Digital Design”. Prentice Hall 1993. ISBN 0-13-395724-1. [5] Zoran Nikolic: TMS320C6000 EMIF to TMS320C6000 Host Port Interface. Application Report SPRA536B, Texas Instruments Inc., 2003. [6] D.Module.C6701. Technical Data Sheet. Revision 2.1, June 2002. Firmenschrift D.SignT GbR Kerken, 2002. [7] Message Passing Interface Forum: MPI, a Message-Passing Interface Standard. University of Tennessee, Knoxville, Tennessee, 1994.   Autorenangaben: Dr.-Ing. Bernd Däne Dipl.-Inf. Falk Berger Dipl.-Ing. Alexander Pacholik TU Ilmenau, PSF 100565 98684 Ilmenau, Germany Tel.: +49-3677-69-2825 Fax: +49-3677-69-1614 E-Mail: (bernd.daene|falk.berger|alexander.pacholik)@tu-ilmenau.de  

Ein eingebettetes Multiprozessorsystem für die Steuerung von Nanomess- und Positioniermaschinen

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Ein eingebettetes Multiprozessorsystem für die Steuerung von Nanomess- und Positioniermaschinen

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