EC-Win/LxWin ——Windows實時擴(kuò)展的新方案

在現(xiàn)有計算機(jī)操作系統(tǒng)中，Linux和Windows是應(yīng)用最為廣泛的操作系統(tǒng)，在工業(yè)自動化與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。Windows依靠其較為友好而強(qiáng)大的圖形化界面幫助使用者降低學(xué)習(xí)成本及提高人機(jī)交互性，但很遺憾的是，Windows操作系統(tǒng)通常難以在實時性要求高的工業(yè)應(yīng)用場景中使用。因此，Windows實時擴(kuò)展方案也就成為了部分用戶的迫切需求。

為幫助需要在Windows實現(xiàn)實時擴(kuò)展的從業(yè)人員，來自德國的Acontis公司帶來了成熟、可靠且高效的實時擴(kuò)展方案，針對不同且更細(xì)致的需求，給出了相應(yīng)的方案供用戶選擇。接下來本文將簡單介紹Acontis公司、講解其方案并表現(xiàn)其特點(diǎn)，助力相關(guān)項目的實現(xiàn)和落地。

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公司簡介

來自德國的Acontis公司是最早研究應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總線協(xié)議的一批方案服務(wù)提供商，該公司在2004年即加入了EtherCAT 技術(shù)協(xié)會（ETG）。在長期的支持與服務(wù)中，Acontis逐漸意識到Windows實時擴(kuò)展技術(shù)的必要性與其可觀的前景，因此研發(fā)推出了EC-Win這一個可以讓用戶在Windows系統(tǒng)上，實現(xiàn)專業(yè)、開放的實時EtherCAT平臺的解決方案。經(jīng)多年的研發(fā)積累和市場化應(yīng)用，Windows實時擴(kuò)展方案已成為其重要的技術(shù)服務(wù)之一，在業(yè)界受到了廣泛的關(guān)注，也收獲了良好的口碑。

盟通科技作為Acontis公司在中國區(qū)的唯一合作伙伴，促進(jìn)了EthehrCAT相關(guān)技術(shù)的推廣和分享，為進(jìn)一步的雙贏乃至多贏奠定了堅實基礎(chǔ)。盟通科技樂于幫助每一位有需要的用戶，來幫助實現(xiàn)EtherCAT技術(shù)與Windows實時擴(kuò)展等需求。

02

EC-Win：一款基于EtherCAT的實時方案

盟通科技推出了為Windows系統(tǒng)提供專業(yè)開放的實時EtherCAT平臺解決方案——EC-Win。其核心組件是強(qiáng)大的EC-Master主站，該主站經(jīng)過專門優(yōu)化和驗證，與可靠的Windows實時技術(shù)與虛擬機(jī)管理程序等配套技術(shù)完美匹配。

▲圖 1EC-Win結(jié)構(gòu)示意圖

EC-Win解決方案的硬件平臺采用了多核系統(tǒng)，方案中的Windows系統(tǒng)在獨(dú)立的CPU核心上運(yùn)行，EtherCAT主節(jié)點(diǎn)和實時應(yīng)用程序則在另外的核心運(yùn)行?？焖偾医?jīng)過優(yōu)化處理的Inter和Realtak網(wǎng)絡(luò)控制器驅(qū)動為方案的高實時性保駕護(hù)航；另一方面，EC-Win對虛擬機(jī)的集成確保了實時應(yīng)用程序與EtherCAT從站的同步、本地PC定時器與EtherCAT從站的分布時間同步，是EC-Win方案實時性的重要保障。為幫助用戶診斷和監(jiān)測，EC-Win推出了針對性的診斷工具EC-Lyser，全方位的保證方案的實時性。

EC-Win解決方案支持微軟的Visual Studio，用戶可以使用Visual Studio作為開發(fā)和調(diào)試的工具，將Windows應(yīng)用開發(fā)部分與實時應(yīng)用開發(fā)部分相整合，避免昂貴的擴(kuò)展控制卡、虛擬機(jī)管理程序或其他更加昂貴的的Windows實時擴(kuò)展方案。

EC-Win解決方案通過隔離的方法來處理實時應(yīng)用程序和非實時的Windows部分。與使用專有RTOS或全實時環(huán)境不同，此解決方案在隱藏的實時虛擬化解決方案之上嵌入了標(biāo)準(zhǔn)的實時環(huán)境。這個虛擬化環(huán)境是關(guān)鍵，與傳統(tǒng)的實時擴(kuò)展相比，它可以更好地讓實時應(yīng)用程序與Windows系統(tǒng)隔離。這樣一來可以有效防止發(fā)生系統(tǒng)故障等問題，更好地幫助用戶的開發(fā)工作。

▲圖2為EC-win原理架構(gòu)圖

總結(jié)下來，EC-Win具有以下特點(diǎn)：

● 集成式虛擬機(jī)管理程序：將Windows系統(tǒng)和實時部分（操作系統(tǒng)）完全隔離，有效避免Windows 系統(tǒng)故障（藍(lán)屏）。

●對實時部分提供標(biāo)準(zhǔn)支持：為搶占式多任務(wù)、線程、事件、信號量、互斥鎖等提供Win32編程示例。

●支持32位或64位模式：支持多種模式的Windows系統(tǒng)。

●快速高分辨率的系統(tǒng)定時器（分辨率低于 10 納秒）：其中斷頻率最高可達(dá)20kHz。

● Windows系統(tǒng)和實時部分均可運(yùn)行于多個CPU內(nèi)核（SMP：對稱多處理）：這對于四核或其他多核CPU尤其重要。

● Windows和實時部分之間采用虛擬TCP/IP網(wǎng)絡(luò)：因此，可以使用EtherCAT診斷的全部功能。

●支持Microsoft Visual Studio的舒適開發(fā)和調(diào)試環(huán)境：可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。

另外，EC-Win還提供了一個適配的管理程序來幫助用戶管理，其程序頁面如下圖，該程序具有諸如將兼容 EtherCAT 的硬件分配給實時環(huán)境；為實時環(huán)境分配其他硬件；Windows和實時環(huán)境的 CPU 分配和內(nèi)存配置可通過GUI完成等獨(dú)有功能。

▲圖3 EC-Win管理工具

03

LxWin：并行運(yùn)行Linux

——Windows擴(kuò)展新方案

如果說EC-Win是更偏向于于EtherCAT的實時方案的話，那么Lxwin則是更具有普適性的實時方案。

LxWin解決方案是將一個實時的Linux系統(tǒng)和Windows一起運(yùn)行在同一個系統(tǒng)上。LxWin同樣使用了一個分離的方法，把實時應(yīng)用和非實時的Windows部分隔開：LxWin在虛擬機(jī)環(huán)境中嵌入了一個Linux硬實時內(nèi)核，使用LxWin提供的虛擬機(jī)管理程序，可以并行運(yùn)行和實時管理Windows和極快的實時Linux系統(tǒng)。

作為LxWin解決方案的重要組成部分，Linux是在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的實時操作系統(tǒng)，由于Linux確定的硬實時行為、包含多樣的開發(fā)工具以及對硬件驅(qū)動程序和軟件的廣泛支持，領(lǐng)先的工業(yè)控制器制造商廣泛使用Linux作為實時開發(fā)環(huán)境，典型應(yīng)用是具有高實時要求的PLC、運(yùn)動控制和數(shù)字控制系統(tǒng)。

▲圖4 EC-Win介紹

如果客戶當(dāng)前使用的解決方案將Windows的GUI系統(tǒng)和基于Linux的控制器模塊分為2 個不同的部分，且需要將二者整合，那么，LxWin 是將此類解決方案整合到一個硬件上的特有方法。進(jìn)而使Eclipse或Microsoft Visual Studio（從VS 2015開始）可用于Linux的實時軟件開發(fā)中。

LxWin具有的最顯著的優(yōu)點(diǎn)有：

●硬件整合：節(jié)省第二個控制器系統(tǒng)或智能插件卡，提高了平均無故障時間。

●利用Linux的實時特性，可以實現(xiàn)微秒級的響應(yīng)時間。

●軟件兼容?？梢栽谕粋€系統(tǒng)上運(yùn)行Windows和Linux的應(yīng)用程序，包括支持EtherCAT等實時通信協(xié)議的軟件。

不同于LxWin直接將Linux作為是實時內(nèi)核，在當(dāng)前的實時開發(fā)領(lǐng)域，部分Windows實時擴(kuò)展方案是通過讓專有的實時環(huán)境與 Windows 并行（有時甚至嵌入到 Windows 中）來實現(xiàn)實時功能的擴(kuò)展。實時擴(kuò)展環(huán)境的開發(fā)者往往需要多方面綜合考慮專有環(huán)境的可用性。這對于使用者來說是一個不小的挑戰(zhàn)，因為用戶們可能需要重新學(xué)習(xí)并使用該 Windows 實時擴(kuò)展的專有環(huán)境來開發(fā)實時應(yīng)用程序。開發(fā)人員必須依靠實時內(nèi)核或環(huán)境的供應(yīng)商提供的功能來決定要實現(xiàn)的功能，有時可能會耗費(fèi)大量時間調(diào)試，甚至最終可能導(dǎo)致功能的缺失。

盟通科技推出的 LxWin 的優(yōu)勢就在于，開發(fā)人員根本不需要理會 Linux 內(nèi)核配置和構(gòu)建， LxWin 附帶的 Linux 內(nèi)核已經(jīng)提供補(bǔ)丁、配置和硬實時內(nèi)核的測試功能，最終可以實現(xiàn)非常短的Cycle time，最短可低至50微秒。Linux的優(yōu)勢除了作為實時內(nèi)核之外，Linux 本身帶來的可用優(yōu)勢也有很多，如：Socket 套接字接口，完整的 POSIX API，用戶空間/內(nèi)核空間隔離，多任務(wù)處理和多進(jìn)程等復(fù)雜功能。

當(dāng)今市場上，幾乎所有的硬件的驅(qū)動程序都適配 Linux系統(tǒng)，這意味著開發(fā)人員無需等待供應(yīng)商實現(xiàn)或發(fā)布特定的驅(qū)動程序。另外，借助 Linux 可以使用大量的軟件庫、協(xié)議棧和中間件（包括開源代碼和封閉源代碼的商業(yè)產(chǎn)品）：C++ STL、Boost、Corba、OPC / UA、DDS、AVB / TSN、EtherCAT、PROFINET、基于軟件的 PLC、運(yùn)動控制庫、CNC解決方案等等。

盟通科技推出LxWin 附帶的所有 Linux 組件代碼也是開源的。如有需要，客戶可以深入調(diào)試內(nèi)核，即 LxWin 的客戶可以獲得整個 Linux 源代碼的解決方案，以確保其對軟件的最大控制權(quán)。同EC-Win一樣，Lxwin完全支持研發(fā)人員使用 Microsoft Visual Studio進(jìn)行實時應(yīng)用程序的軟件開發(fā)和調(diào)試工作。

審核編輯 ：李倩