組込みコンピュータARシリーズの機能を拡張する「高速メモリ共有カード」

Size: px

Start display at page:

Download "組込みコンピュータARシリーズの機能を拡張する「高速メモリ共有カード」"

きみつぐうづき
5 years ago
Views:

1 "High Speed Data Sharing Board" for Expanding the Functions of the Embedded Computer AR Series 草野雅文 * Masafumi Kusano 彦野厚志 ** Atsushi Hikono 朝倉辰伸 *** Tatsunobu Asakura * ProDeS グループエンベデッドプロダクト事業部第三技術部 ** PFU テクノコンサル株式会社技術センター技術開発プロジェクト *** ProDeS グループエンベデッドプロダクト事業部コアプロダクト開発部高速共有カードは, 組込みコンピュータ AR シリーズに搭載し, ケーブル接続することで, 複数の AR シリーズ装置の主記憶 ( ) データの転送や共有を行うオプションカードである.PFU がこれまで培ってきたハードウェア, ソフトウェア開発技術を活かした完全自社設計により, 高信頼性と量産安定を実現する AR シリーズオプションの第一弾製品である. The "high speed data sharing board" is an optional card that is installed in the embedded computer AR series and is connected with cables to transfer and share main memory data of multiple AR series units. This is one of the first optional products for the AR series that achieves high reliability and enables stable mass production using a design that was developed completely in-house based on PFU's knowledge of hardware and software development acquired over many years. 1 まえがき PFU は組込みコンピュータとして AR シリーズを幅 1) 広い製品ラインナップで展開してきた参. 組込みコンピュータは通常の PC とは異なり, 高信頼性や長期供給などが要求される. また, 半導体製造装置や工作機械などの分野では, システム全体の高機能化や高性能化に伴い, これらを制御する組込みコンピュータも高い性能が求められている.PFU はこれらのさらなる機能拡張や信頼性確保の要求に応えるため,AR シリーズ専用のオプションカードを開発した. 2 開発の背景と狙い 2.1 開発の背景組込みコンピュータで構成されるシステムに対し, 顧客が抱えている課題は様々である. 1) システム性能を上げたいが,LAN などの一般的なネットワークは使用率が高く, 通信負荷がシステム性能向上を妨げる要因となる場合がある. 2) 組込みシステムの制御では, 時間的な制約がある注 1) 処理を実行するためにリアルタイム OS を使用したコンピュータや, アプリケーションの動作環境として注 2) を使用したコンピュータが混在しており,OS に依存しないソリューションが必要となる. 3) 複数のコンピュータでシステム構成する場合, 万一, そのコンピュータのいずれかに問題が発生しても, 継続稼働と早期復旧を実現したい. 4) 拡張機能を実現するためのオプションカードは, 一般的に長期供給の仕組みがなく, 継続供給への懸注 1) 時間的な制約がある処理を実行するための機能や特性を備えたオペレーティングシステム. 組込みシステムの制御用としてよく用いられる. 注 2) は, 米国 Microsoft Corporation の, 米国, 日本およびその他の国における登録商標または商標である. PFU Tech. Rev., 26, 1,pp (09,2015) 13

これにより顧客は採用 OS を意識することなく, システム構築を行うことができる. (3) 信頼性を向上させる万一, 故障が発生した場合には, 故障箇所を使用せずに動作を続けることで, システムとしての継続稼働を可能とする. また, 自社設計により問題発生時の迅速な原因究明を可能とし,AR シリーズへの搭載評価を徹底的に行うことで装置としての可用性, 信頼性を確保する.

2 念がある. 具体的には, 生産終息時のストックや代替品評価の対応が負担となる. そこで, これらの課題を解決するため, 高速共有カードを開発することとした. 2.2 狙い顧客が抱える課題を解決するため, 以下の四つを狙いとした. (1) 通信における負荷を軽減する専用ハードウェア技術と独自方式により, に負荷をかけずにデータの高速転送や共有を実現することで, 顧客システムの性能向上を図ることができる. (2) システム構築を容易にする AR シリーズが対応している各種 OS 用のドライバを準備し, 異種 OS 間でのデータの転送や共有をすばやく容易に実現することを可能とする. これにより顧客は採用 OS を意識することなく, システム構築を行うことができる. (3) 信頼性を向上させる万一, 故障が発生した場合には, 故障箇所を使用せずに動作を続けることで, システムとしての継続稼働を可能とする. また, 自社設計により問題発生時の迅速な原因究明を可能とし,AR シリーズへの搭載評価を徹底的に行うことで装置としての可用性, 信頼性を確保する. (4) 供給性を確保する自社製造により,AR シリーズと同期した製品ライフ 3) サイクルマネジメント注を可能とすることで, 生産終息に対する顧客の負担を軽減する. 拡大する製品である. ハードウェアとソフトウェア ( ドライバ ) は自社設計, 自社製造であるため, カスタム要件への対応や問題発生時の早期解決が可能な上,AR シリーズのライフサイクルに合わせた供給も可能である. 図 -1に本製品の外観, 表 -1に仕様概要を示す. 3.2 特長 (1) データの高速転送及び共有データを高速に転送し共有する方式は次のとおりである. まず, ドライバが獲得したメイン内の領域を共有領域とする. そして, 送信側からデータの書き込みを行い, その後, ドライバが提供する API( ア注 4) プリケーションプログラミングインターフェース ) から共有 (Sync) を指示することで, 受信側のメインにデータ転送を行う. このようにシンプルなオペレーションで高速にメイン間のデータ共有を行うことができる. データ転送を行う中で, パケットの生成やエラー検出など転送の基本部分を専用ハードウェアで実現している. このことにより, 通信における負荷を低減している. (2) 自由な接続形態高速共有カードは二つの通信ポートを持 3 製品の概要と特長 3.1 概要高速共有カードは,AR シリーズ専用のオプションカードである. 複数の AR シリーズの間で, 軽負荷での高速データ転送及びデータ共有が可能である. AR シリーズの PCI Express スロットに搭載し, 二つの通信ポートを使って複数の AR シリーズ間を mini SAS ケーブルで接続することにより,3 種類の接続構成が可能である. また, 各種 OS に対応し, 自由な接続形態を特長としており,AR シリーズの用途をさらに注 3) 製品ライフサイクルマネジメントとは, 製品開発において, 設計, 製造, 出荷後の対応など, すべての工程で製品を総合的に管理する方法. 図 - 1 製品外観 (Fig.1-Product outlook) 注 4) あるプログラム ( ソフトウェア ) が保持する機能やデータを, 外部のプログラムから呼び出して利用するための規約のこと. 14 PFU Tech. Rev., 26, 1, (09,2015)

3 表 - 1 高速共有カード仕様概要機能ホストインターフェース内容 PCI Express x4 最大伝送速度 10Gbps 1 接続形態 1 対 1, デイジーチェーン, リング最大接続台数 16 ケーブルインターフェース Mini SAS ケーブル長最大 10m 対応機種 AR2100 モデル 100J( インテル 2 Atom 2 プロセッサ E3845 搭載機種のみ ), AR4400 モデル 100H/200H,AR8300 モデル 300J/310J,AR8300 モデル 320H 対応 OS 3 7 Professional SP1 32bit 版 /64bit 版, Embedded Standard 7 SP1 32bit 版 /64bit 版, 8.1 Pro 32bit 版 /64bit 版, Embedded 8 Standard 32bit 版 /64bit 版, Server R2 64bit 版, Server bit 版, Red Hat 5 Enterprise Linux bit 版 /64bit 版, Red Hat Enterprise Linux 7 64bit 版, Ubuntu LTS 32bit 版 /64bit 版 1 理論上の値であり, 実環境での速度ではない. 2 インテル, インテル Atom は, アメリカ合衆国およびその他の国における Intel Corporation の商標である. 3 対応機種により異なる. ドライバ及びサンプルコードを提供可能. 4 Server は, 米国 Microsoft Corporation の, 米国およびその他の国における登録商標または商標である. 5 Red Hat は,Red Hat, Inc. の米国およびその他の国における登録商標若しくは商標である. ち,1 対 1 接続, 装置を数珠つなぎに接続するデイジーチェーン接続, 装置を環状に接続するリング接続の三つの中から用途に合わせた接続形態を選択することが可能である. また, 接続形態を自動認識することと, それぞれの構成で最大 16 台まで接続することを可能としている. 図 -2に示すデイジーチェーン接続や, 図 -3に示すリング接続を使用すれば, 一般的なネットワークに使用されるスイッチの機能を専用ハードウェアが代行するため, 高価なスイッチなどを追加接続する必要がなく, システム全体として, よりシンプルで安価に構成することが可能となる. (3) 高信頼性ケーブル異常時には, 自動的に転送ルートを変更することにより継続動作を可能とし, 信頼性を高めている. 図 -4のように, リング接続で構成していた場合に, ある経路でケーブルや通信ポートの異常が発生すると, その異常を検知し, 別のルートからの転送に切り替える. これにより, システムダウンを起こすことなく, データ転送を継続することが可能となる. 転送データの信頼性を確保するため, 誤り検出方式のひとつである巡回冗長検査 (CRC) によりデータチェッ高速共有カード図 - 2 デイジーチェーン接続 (Fig.2-Daisy chain connection) 高速共有カード図 - 3 リング接続 (Fig.3-Ring connection) PFU Tech. Rev., 26, 1, (09,2015) 15

4 階層フトェアアプリケーシン層アプリケーシンフトェア階層トランスート層レーテングケーブル異常時継続動作可能インターット層システ異常ードェア階層ットークインターフェース層ドライバ図 - 5 TCP/IP 階層モデル図 - 4 転送ルート変更による継続動作 (Fig.5-TCP/IP hierarchical model) (Fig.4-Continuous operation by switching the transmission route) クを行っている. エラー発生時には, ハードウェアが誤りを検出するとソフトウェアを介さずに自動的にデータの再送処理を行っている. (4) 拡張性ドライバは完全自社設計のため,AR シリーズが対応する各種 OS のドライバを準備する. そのため, 顧客は従来採用していた OS を使用することで, アプリケーション資産の有効活用が可能になる. また, 以下のような顧客のカスタム要求への対応も可能である. 1) ドライバへの機能追加や仕様変更 2) 未サポート OS への移植 4 製品開発のポイント高速共有カードを実現する上で専用ハードウェア及びドライバを自社開発することにより, 様々な課題について対応を行っている. 4.1 負荷を軽減する高速通信の実現高速通信を実現するためには,PCI Express やケーブルの高速伝送といったハードウェアやインターフェースの高速化が必要となる. 一方,TCP/IP などの一般的な通信手順でみられるように, 通信を高速化すると, ソフトウェア階層 ( 図 -5 参照 ) での処理が増加し, への負荷が高くなる. 結果として高速通信を利用してシステムを構築した場合, 通信に多くの資源を使い, 本来実行したい処理に使用できる資源が減ってしまうという問題が発生する. 高速共有カードではこの問題を解決するために, 特にに負荷がかかるデータの転送処理に対してできるだけハードウェアが主体となって処理することで問題解決を行っている. TCP/IP のようにソフトウェア階層を複数跨いで転送している方式においては, メイン内でソフトウェアがデータを複数回コピーすることが必要となるため, に負荷をかけるとともに, 帯域を使用してしまう. 高速共有カードは, 図 -6のようにドライバ処理でメインから直接専用ハードウェアを介してケーブルまでデータを転送する方式をとっている. この方式によりメイン内でのコピー回数を削減している. また, 専用ハードウェア内にアドレス変換機能を持っており,OS が管理するページ単位ごとに, 内でばらばらに配置されている転送データを,1 回の転送指示で転送可能である. 転送指示は仮想アドレスを指定し, アドレス変換機能を使うことにより物理アドレスに変換して転送を行う. アドレス変換機能は, 専用ハードウェアの内に変換テーブルを持ち, 読み出しについては先読み機能を付けることにより待ち時間を無くし, 連続で高速な転送を行うことを可能とする. その結果, 転送処理におけるソフトウェアの介在の回数及び負荷を削減している. このような転送方式により負荷を軽減し, 高速通信を実現している. 4.2 効率的なデータ転送方式高速共有カードにおいては, 構成としてデイジーチェーン接続やリング接続をとることが可能である. これらの構成は, 隣り合う装置への転送を繰り返して行うことですべての装置にデータを転送する方式のため, 自装置以外へ転送されるデータも通過していくこととなり, 不要なデータ転送に時間を費やすことになる. この構成において, 効率的にデータ転送する手段として, すべての装置に同時にデータ転送するブロードキャスト 16 PFU Tech. Rev., 26, 1, (09,2015)

5 AR シリーズ AR シリーズアプリケーシンアプリケーシンドライバードェアドライバードェア常時の転送高速共有カードケーブル接続高速共有カード図 - 6 データ転送イメージ (Fig.6-Data transfer overview) と, 特定の装置を指定してデータ転送するユニキャストの双方の転送の機能を持たせることで対応した. 複数装置とデータを共有する場合には, ブロードキャスト転送によって, 高速にデータ転送を行うことができる. 一方で, 特定装置だけとデータを共有する場合には, ユニキャスト転送を行うことができるので, システム全体として伝送路を効率的に使う転送方法を選択することが可能である. 4.3 信頼性向上への対応高速共有カード間はケーブルで接続するため, システムを構成する場合に接続台数が増えると, それに比例してケーブルの切断や抜けなどの異常が発生するおそれが増える. このような異常が発生した場合でも, システム全体としては通信や運用を続けることが求められる. また, 異常が発生した場合に, いかに早く異常を検知して, 復旧までの時間を短くするかも課題となる. この問題を解決する方法として高速共有カー, ドではリング接続でのシステム構築がある. リング接続の構成では, ある装置から別の装置にデータ転送を行う場合, 右回りと左回りの二つの経路が存在し, 通常時はどちらか片方の経路を使用して転送を行っている. 各装置の専用ハードウェアでは, 通信路のリンク状態, 転送時のデータの誤り検出, 転送先へのデータ到達応答確認など複数の手段により, 伝送が正常に行われているかを確認し, 早期に異常を検知できるようにしている. この状態でケーブル異常などが発生した場合は, ケーブルの両端の高速共有カードが異常を検知し, カード内で通信を折り返して, 逆回りで通信先にデータ転送を行い, 通信を継続させる ( 図 -7 参照 ). また, この機能を専用ハードウェアにより実現することで, 自動的に瞬時の切り替えを行うことが可能となり, 上位のアプリケーション層においては, タイムラグなし異常に通信を継続して行える. 5 活用事例半導体製造や工業機械の分野での活用事例を以下に示す. 5.1 データ分散処理の高速転送と共有 (1) パイプライン型図 - 7 異常検知時の転送切り替え (Fig.7-Transmission switching when an error is detected) ケーブル異常時継続動作可能半導体製造の分野では, 製造過程のデータを分析するため, 異なる OS(Linux となど ) により処理を行う場合がある. 本製品を搭載した AR シリーズを使用することで, 複数のデータ処理を分散して実行するシステムの構築を容易に行うことが可能になる. 例えば, 図 -8のように半導体製造工程を監視するカメラからの大量画像データや, 温度センサーからの定期データを Linux アプリケーションで受け取り, 処理 A を実行した後に, アプリケーションで処理 B, 処理 C を連続実行する場合, への通信負荷を軽減するため, 各装置のデータ処理は高速化され, システム全体の性能向上が可能になる. PFU Tech. Rev., 26, 1, (09,2015) 17

6 データカメラセンサーデータ処理 A Linux 処理処理 C データを共有処理 A 図 - 8 パイプライン型分散処理 (Fig.8-Pipeline decentralized processing) カメラデータ処理 (2) パラレル型半導体製造の分野では, ラインを流れる製造物をリアルタイムで撮影し, その画像データをもとに製造物の良否判定を行っていくことがある. ここでは, 大量データの高速処理が必要になる. 本製品を搭載した AR シリーズを使用することで, データを複数装置ので共有し, 各装置で別々の処理を同時実行するシステムの構築が可能になる. 例えば, 図 -9のようにカメラからの大量画像データを Linux アプリケーションで受け取り, 各装置のでデータを共有し, アプリケーションで画像データに対して処理 A, 処理 B, 処理 C と別々の処理を同時実行する場合, 軽負荷でのデータ共有により, 各処理が高速化され, システム全体の性能向上が可能になる. Linux 図 - 9 パラレル型分散処理 (Fig.9-Parallel decentralized processing) 制御情報を転送 Linux 処理 PC1 処理 PC2 処理 C アー動メカ制御データ送 5.2 制御情報の配信工業機械の分野では, 複数装置の制御を同時に行う場合がある. 本製品を搭載した AR シリーズを使用することで, 複数処理を高速に同時実行するシステム構築が可能になる. 例えば, 図 -10のようにコントローラーから各装置に制御情報を転送し, ロボットアーム駆動やメカ制御を行う場合, 特定装置だけとデータを共有するユニキャスト転送を行うことにより, 各装置のは通信負荷が軽減され, 本来実行したいアーム駆動やメカ制御の処理に集中できるため, システム性能の向上が可能になる. また, 各装置の性能最適化により, システムのコスト削減や小型化も可能となる処理 PC3 データ送図 - 10 制御情報の配信 (Fig.10-Control information distribution) 6 むすび高速共有カードは,AR シリーズの機能を拡張するオプションであり,PFU のハードウェア技術とソフトウェア技術によりデータの高速転送及び共有と, 高信頼性の確保を実現した. 今後も組込み市場のニーズに応えるため, オプションカード製品の拡充を図っていく. 参考文献参 1) 組込みコンピュータホームページ 18 PFU Tech. Rev., 26, 1, (09,2015)

LANカード（PG-2871）取扱説明書

LANカード（PG-2871）取扱説明書 B7FY-2821-01 Z0-00 PG-2871 はじめにこのたびは弊社の LAN カード (PG-2871) をお買い上げいただき誠にありがとうございます本書は LAN カード ( 以降本製品 ) の仕様について説明します LAN ドライバの詳細設定については最新の LAN ドライバのマニュアルを参照してください 2010 年 8 月目次 1 LANカードの仕様........................................