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2-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Wireless

Wireless Betriebssystem-Erwägungen bei Funk-Applikationen von Zynq SoCs Bild 1. Die Architektur der Zynq All Programmable SoCs. Mit der explosiven Ausweitung des drahtlosen Datenverkehrs verstärkt sich der Druck auf die IT-Industrie zur Verbesserung der digitalen Signalverarbeitungs- und Funksysteme. Derzeit liegt der Fokus auf 4G LTE. 4G-Netzwerke werden in großem Maßstab rund um die Welt installiert. Außerdem sieht man bereits die ersten Forschungs- und Entwicklungsergebnisse für 5G-Netzwerke mit der 1000-fachen Kapazität der 4G-Netze. Diese rasante Yuan Gu Senior Corporate Global Accountmanager bei Xilinx Technologieentwicklung zeitigt neue und schnell evolvierende Anforderungen an die Systemlieferanten – bessere Systemintegration und höhere System-Performance, niedrigere Materialkosten (BOM), größere Design-Flexibilität, schnellere Time-to-Market und vieles anderes mehr. Traditionelle ASIC-basierte Bausteine unterstützen Hardware- Lösungen, die zwar die Anforderungen hinsichtlich Leistung und Kosten erfüllen, andererseits aber hohe Einmalkosten (NRE), geringe Flexibilität und lange Entwicklungszeiten bis zur Marktreife bedingen. Um die neuen Anforderungen zu erfüllen und die damit verbundenen Herausforderungen anzugehen, hat Xilinx seine All Programmable SoC (APSoC) Architektur industrieweit eingeführt und sie erfolgreich in der Zynq-7000 Produktfamilie implementiert. Auf der Basis der APSoC-Architektur ermöglichen die Zynq- 7000-Bausteine breite Produkt-Differenzierungen auf der Systemebene, bessere Integration und Flexibilität durch Hardware-Lösungen, sowie Softwareund I/O-Programmierbarkeit (Bild 1). Seit ihrer ersten Ankündigung im Dezember 2011 hat die Zynq-7000-Baustein-Serie in breiten Marktsegmenten wie Telekommunikation, Datenzentren, automotiven und industriellen Anwendungen, sowie im Bereich Aerospace und Defense Eingang gefunden. In der Telekommunikation, speziell in drahtlosen Applikationen, bieten die Zynq-7000-Bausteine besonders markante Vorteile: Ihre integrierte, programmierbare Logik (PL) ist bestens optimiert für die digitale Signalverarbeitung, und das ARM Cortex A9-basierte Prozessor-Subsystem (PS) ermöglicht die äußerst effektive Implementierung von Steuerfunktionen für das typische drahtlose Equipment, wie z.B. entfernte Funkstationen und drahtlose Backhaul-Einheiten. Bei der Erstellung einer drahtlosen Applikation auf der Basis von Zynq APSoC-Bausteinen ist es notwendig, ein geeignetes Betriebssystem (operating system, OS) auszuwählen, das den Anforderungen dieser Applikation gerecht wird. Dies involviert mehrere Schlüsselfaktoren im Hinblick auf die vorgesehenen, oft recht unterschiedlichen drahtlosen Applikationen, die man beachten sollte: 1. Carrier-grade Betrieb: Hohe Systemzuverlässigkeit (99,999%) ist die geltende Anforderung für Systeme auf Betreiberniveau. Sie definiert den Grad der Verfügbarkeit, die für die betrachtete Einheit notwendig ist. Im Betrieb bedeutet dies, dass die Unterstützung der Systemeigenschaften, wie Kalt/Warm-Restartfähigkeit, die Überwachung, Detektion und das angemessene Handling auftretender Störungen sowie die geforderte Redundanz gewährleistet sind. 2. Echtzeitverarbeitung: Echtzeit in diesem Kontext bedeutet eine vorhersagbare Ansprechzeit, also nicht nur die Aussage „sehr schnell“. Eine entfernte Funkstation stellt andere Anforderungen bezüglich der Echtzeitverarbeitung als die drahtlose Backhaul- Verarbeitung. Das Funk-Equip- 24 hf-praxis 2/2015

Wireless ment ist verarbeitungs-intensiv hinsichtlich des Datenanfalls, und die Prozessoren für die Signalverarbeitung müssen stringente Zeit-Budgets einhalten. 3. Diagnostik: Zur Unterstützung der Diagnostik im Feld und nach einem Ausfall (post mortem) sind umfangreiche Messungen der Performance nötig, und es müssen Logs erstellt und gespeichert werden. Deshalb ist es von besonderer Wichtigkeit, dass eine Reihe von Schlüssel- Indizes einer drahtlosen Applikation im Betrieb überwacht und verwaltet werden. Dazu zählen die Messung der Performance und deren Statistik, CPU-Ausnutzung und Störungs-Monitoring, die Taskwechsel-Funktion des Betriebssystems, Event- History und anderes mehr. 4. Tools und Protokoll-Integration: Eine umfassende Integration des Debugging und der Diagnose-Umgebung neben den spezifischen Netzwerk-Protokoll-Stacks, wie sie von manchen Betriebssystemanbietern zur Verfügung gestellt werden, ist bei der Entwicklung und Wartung effizienter Systeme von großem Vorteil. Das Zynq SoC integriert zwei ARM Cortex-A9-Kerne. Das heißt, die Software-Entwickler müssen zwischen den unterstützten Multiprozessor-Architekturen wählen: - SMP (Symmetric Multi-Processing) oder - AMP (Asymmetric Multi-Processing). Wie aus Bild 2 ersichtlich, ist SMP eine Systemarchitektur, in der zwei oder mehr identische Prozessoren auf gemeinsame Ressourcen mit nur einer OS- Instanzierung zugreifen. Theoretisch behandelt die SMP-Architektur alle Prozessoren unter derselben OS-Instanz gleich. Im Gegensatz dazu arbeiten in der AMP-Architektur die Prozessoren – mit oder ohne OS-Instanz – separat und ohne gegenseitige Erkennung. Der Kern, der ohne Betriebssystem läuft, kann einen Mikrocode ausführen. Dies wird als “bare metal”-Instanz (physische Maschine ohne Virtualisierung) bezeichnet. Im Allgemeinen bietet SMP eine einheitliche OS-Plattform für Applikationen auf einer höheren Ebene. Ein Software-Architekt muss sich also nicht mit der Ressourcenteilung auf beide Kerne und deren Kommunikationen befassen, wenn er eine Applikation auf diesem Betriebssystem erstellt. Außerdem bedingt SMP einen gewissen Performance- Overhead, der die Leistung von zeitkritischen drahtlosen Applikationen beeinflussen kann. Im Vergleich mit SMP hat die leichtgewichtige AMP-Software mit einer OS-Instanz wenig oder keinen Overhead. Doch sie benötigt ein sorgfältig konzipiertes Kundensoftware-Design mit geteilten Prozessor-Ressourcen und Kommunikation zwischen den Prozessoren. Mehrere drahtlose Schlüssel- Applikationen lassen sich sehr effizient in einem der Zynq APSoC-Bausteine implementieren. Dazu zählen Funkeinheiten und drahtlose Backhaul- Systeme. Jede drahtlose Applikation stellt unterschiedliche Anforderungen an die Performance und braucht das Betriebssystem zur Unterstützung verschiedener Eigenschaften. Die Funk-Applikation ist ein gutes Beispiel für den Einsatz des Zynq-Bausteins zur Implementierung einer voll integrierten Hardware- und Software- Lösung, die die gesamte Verarbeitung im digitalen Front-End übernimmt. Das digitale Front-end ist der Hauptbestandteil einer typischen Applikation in einer entfernten Funkstation (remote radio head, RRH) für drahtlose 4G-Netzwerke. Hier lassen sich die Systemanforderungen aufteilen in Signalverarbeitung und Steuerung. Im Bereich der Signalverarbeitung kann man Zynq zur Implementierung von Filtern mit hoher Abtastrate für die digitale Auf- und Abwärts-Konvertierung einsetzen, und ebenso zur Reduzierung des Scheitelfaktors und für die digitale Vorverzerrung (pre-distortion, DPD). DPD NI (formerly AWR), der Innovations führer bei Hochfrequenz-EDA-Software, liefert Software, welche die Entwicklung von High-Tech-Produkten beschleunigt. Mit NI AWR Software als Ihre Hochfrequenz-Design- Plattform können Sie neuartige, preiswerte HF und RF Produkte schneller und zuverlässiger entwickeln. Finden Sie heraus, was NI AWR Software für Sie tun kann: ■ Microwave Office für die Entwicklung von MMICs, Modulen und HF -Leiterplatten. ■ Visual System Simulator für die Konzeptionierung von Kommunikationsarchitekturen. ■ Analog Office für das Design von RFICs. ■ AXIEM für 3D-Planar-Elektromagnetik-Analyse. ■ Analyst für 3D-FEM-Elektromagnetik-Analyse. NI Germany | AWR Group | Olivier Pelhâtre | Tel: +49 170 916 4110 ©2014 National Instruments. All rights reserved. Analog Office, AXIEM, AWR, Microwave Office, National Instruments, NI, and ni.com are trademarks of National Instruments. Other product and company names listed are trademarks or trade names of their respective companies. hf-praxis 2/2015 25

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