RZ/T1 : Echtzeit-Steuerung für Industriegeräte
Die neue Produktgruppe ist für den Einsatz in vielen industriellen Anwendungen, wie z. B. AC-Servoantriebe, Motion Controller, Umrichter-Steuerungen und allgemeine Industriegeräte ausgelegt, die hohe Arbeitsgeschwindigkeit, Reaktionsvermögen und hervorragende Echtzeit-Leistung benötigen.
„Steigende Produktivitätsanforderungen in der Fertigung von heute machen Verbesserungen bei Leistung und Netzwerk-Connectivity nötig“, erklärt Niels Trapp, Senior Manager, Industrial & Communications Business Group, Renesas Electronics Europe. „Die neue RZ/T1-Gruppe ist genau für diesen Marktbedarf ausgelegt, da sie hohe Rechenleistung, Echtzeit-Steuerung und Multi-Protokoll-Funktionen für die Industrial-Ethernet-Kommunikation auf einem einzigen Chip vereint.“
Herkömmliche Mikroprozessor-(MPU)-Lösungen mit hoher Taktfrequenz und Cachespeicher eignen sich aufgrund des schwer vorhersagbaren Cachespeicher-Verhaltens nicht für die Echtzeit-Steuerung. Mikrocontroller (MCUs) mit On-Chip Flashspeicher werden ebenfalls für die Echtzeitsteuerung genutzt, gelangen aber aufgrund zunehmender Leistungsanforderungen oft an ihre Leistungsgrenzen.
Darüber hinaus werden deterministische Netzwerke mit offenen Standards - wie EtherCAT®, Ethernet/IP™, und PROFINET - in allen Arten von Industriegeräten immer mehr zur Regel. Die Unterstützung dieser Standards erfordert typischerweise den Einsatz eines separaten ASICs mit spezialisierten Kommunikationsfunktionen, was zu höheren Systemkosten und größerem Platzbedarf auf der Leiterplatte führt.
Die neue RZ/T1-Gruppe arbeitet mit einem ARM® Cortex®-R4F Core mit einer Taktfrequenz von bis zu 600 MHz. Die Bausteine sind mit zwei Bereichen aus eng miteinander verkoppeltem Speicher (TCM – Tightly Coupled Memory, siehe Anmerkung 1) konfiguriert, der direkt mit dem CPU-Kern verknüpft ist und damit einen Cachespeicher überflüssig macht. TCMs unterstützen kritische Routinen, wie zum Beispiel Interrupt-Handling oder Echtzeit-Tasks, und gewährleisten damit ein Höchstmaß an Reaktionsvermögen ohne Cache-Latenzen. Ebenfalls im RZ/T1 integriert ist die R-IN Engine, ein Hardware-Beschleuniger für die Industrial-Ethernet-Kommunikation. Diese Engine bietet die gleichen Multi-Protokoll-Funktionen wie die bewährte Renesas R-IN-Serie und unterstützt zahlreiche industrielle Ethernet-Kommunikationsstandards wie EtherCAT.
Die RZ/T1-Bausteine enthalten viele der Peripheriefunktionen aus den Produktfamilien RX und SH von Renesas. Dies erleichtert Systemherstellern die Entwicklung skalierbarer Industrie-Steuerungssysteme mit mehreren Renesas-Architekturen.
Die wichtigsten Merkmale der RZ/T1-Lösungen:
1) Cortex-R4F Core mit einer Taktfrequenz von bis zu 600 MHz sowie großer, eng verkoppelter und direkt mit dem CPU-Kern verknüpfter Speicher für hohe Rechenleistung und hervorragendes Reaktionsvermögen
Die RZ/T1-Gruppe basiert auf einem ARM® Cortex®-R4F Core (spezifiziert für 1,66 DMIPS/MHz), der für Echtzeit-Verarbeitung ausgelegt ist. Dieser kann bei Taktfrequenzen von bis zu 600 MHz arbeiten und ist mit einer Single/Double Precision FPU für effiziente mathematische Berechnungen ausgestattet. Im Baustein gibt es zwei dedizierte TCM-Bereiche – 512 K für Code und Rechenoperationen sowie 32 K für Daten. Beide Speicherbereiche bieten einen effektiven Zugriff von der CPU ohne Wait-States (siehe Anmerkung 2). Ein zusätzlicher, 1 MB großer RAM steht für die Anwendung bereit, um eine bessere Partitionierung und höhere Effizienz zu ermöglichen. Ein separater, in Hardware implementierter VIC (Vectored Interrupt Controller) gewährleistet ein hochleistungsfähiges Interrupt Handling mit geringer Latenz und verbessert damit die Echtzeit-Rechenleistung weiter. Diese Konfigurationserweiterungen erlauben den Aufbau von Systemen mit höchster Rechenleistung und hervorragendem Echtzeit-Reaktionsvermögen, die Systemen mit herkömmlichen MCUs und integriertem Flash-Speicher oder Mikroprozessoren mit Cachespeicher überlegen sind.
2) R-IN Engine, ein Hardware-Beschleuniger für Industrial-Ethernet-Kommunikation
Die RZ/T1-Gruppe bietet auch Bausteine, die mit der bewährten R-IN Engine von Renesas ausgestattet sind. Diese besteht aus einem Ethernet-Beschleuniger sowie einem Echtzeitbetriebssystem-Beschleuniger (HW-RTOS). Die R-IN Engine umfasst einen dedizierten, auf einer Taktfrequenz von 150 MHz laufenden CPU-Kern, implementiert die Funktionen eines Echtzeit-Betriebssystems in Hardware und übernimmt die Kommunikations- und Peripheriefunktionen für einen effizienten Betrieb auf Systemebene. Die R-IN Engine ist zur Unterstützung mehrerer Industrial-Ethernet-Datenkommunikations-Standards wie EtherCAT, Ethernet/IP und PROFINET ausgelegt. Das kürzlich gegründete R-IN Konsortium wird eine Reihe von Lösungen von Renesas und Partnern bereitstellen, mit denen sich der Zeitbedarf für die Entwicklung von Industriegeräten verringern lässt.
3) Peripheriefunktionen von bewährten Renesas MCUs bleiben aus Gründen der Skalierbarkeit erhalten; verbesserte, neue Peripherie- und Sicherheitsfunktionen für Industriegeräten kommen hinzu
Die MCU-Familien SH und RX von Renesas haben sich bei Industriegeräten umfassend bewährt. Die RZ/T1-Gruppe übernimmt viele dieser Peripheriefunktionen, wie etwa die etablierten Timer- und Kommunikationsfunktionen. Dies vereinfacht die Entwicklung, weil sich frühere Designs aus anderen Renesas-Architekturen nutzen lassen, was die Time-to-Market verkürzt. Um die anspruchsvollen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen für Industriegeräte zu erfüllen, verfügt der On-Chip-Speicher einschließlich der TCM-Blöcke über ECC-Funktionen. Weitere Sicherheitsfunktionen, wie z. B. ein Register-Schreibschutz zur Verhinderung des Überschreibens wichtiger Register bei Programm-Fehlfunktionen, eine Erkennungsfunktion für Takt-Ausfälle an Eingängen sowie eine unabhängige Watchdog-Timer-Funktion vereinfachen die Sicherheitszertifizierungen weiter.
4) Zusätzliche Encoder-Schnittstelle ermöglicht den Aufbau einer Single-Chip AC-Servolösung
Die RZ/T1-Gruppe bietet Echtzeit-Verarbeitung, Speicher mit geringer Latenz, High-Speed Analog- und Netzwerk-Connectivity, die den Anforderungen vieler AC-Servo-Drive-Anwendungen entsprechen. Zudem plant Renesas, Bausteine auf den Markt zu bringen, die als Erste der Branche eine Encoder-Schnittstelle mit Unterstützung für zahlreiche Motor-Feedback-Protokolle wie EnDat 2.2 sowie für Sensor- und Aktuator-Protokolle wie BiSS and SSI enthalten. Diese digitalen, bidirektionalen Encoder-Schnittstellen liefern präzise Positionswerte aus inkrementellen und absoluten Encodern. Diese Funktionen wurden bisher meist mit FPGAs oder ASICs implementiert. Eine Integration dieser Funktionen im RZ/T1 verringert die Anzahl der verwendeten Bauteile und senkt die Systemkosten.
RZ/T1 vereint hohe Verarbeitungsleistung, eine Echtzeitarchitektur für die Implementierungen eng gekoppelter Regelschleifen, Netzwerk-Connectivity-Funktionen für deterministische Kommunikation und eine Hochgeschwindigkeits-Encoderschnittstelle in einem einzigen Chip, und ist damit eine echte AC-Servolösung auf einem Single-Chip.