國產(chǎn)開源Intel平臺(tái)開發(fā)板測試

工控老周

老同事公司開發(fā)了一款開發(fā)套件，說是在2020年底，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)白皮書1.0》中被評(píng)為推薦產(chǎn)品，要了一臺(tái)玩玩。

這塊開發(fā)板主要解決工控和邊緣計(jì)算領(lǐng)域的痛點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域，它的一個(gè)類似的小伙伴，Intel的NUC系列，銷量不錯(cuò)，質(zhì)量穩(wěn)定。但使用的大部分是科研院校及系統(tǒng)集成商，需要自己搭配硬件和安裝軟件，在工業(yè)場景下，軟件調(diào)試好，卻不能很好的產(chǎn)品外化。核心板系列可以看做工業(yè)類的NUC產(chǎn)品，且有開源和國產(chǎn)化加持。

開發(fā)套件到底怎么樣？做個(gè)開箱測試，感興趣的同學(xué)可以通過結(jié)尾鏈接免費(fèi)領(lǐng)取測試樣機(jī)。

開箱

開發(fā)套件為了滿足客戶開箱即用的需求，自帶電源、內(nèi)存和存儲(chǔ)SSD，這點(diǎn)和UP2和Minnow系列不同：

自帶的內(nèi)存是兩條金士頓4GB 2666MHz DDR4，和64GB的SSD。需要注意的是自帶的SSD是短款基于SATA的SSD，背板上留有兩條M.2的插座，可以自行配備NvME的SSD，來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間和提升性能。

Intel的NUC用作工控，有一個(gè)致命弱點(diǎn)：只有一個(gè)網(wǎng)口，這極大的限制了NUC的使用環(huán)境。如我搭建的自動(dòng)測試環(huán)境，本來希望用NUC來做控制主機(jī)。但NUC只有一個(gè)網(wǎng)口，而我需要主機(jī)一個(gè)口直連目標(biāo)服務(wù)器BMC的LAN口，還要一個(gè)口連接公司網(wǎng)絡(luò)，好做遠(yuǎn)程控制，NUC就不能滿足我的需求。研勤工控開發(fā)套件很好得解決了這個(gè)問題，它一次性提供了三個(gè)網(wǎng)口，加上背板的M.2可以外接一個(gè)Wifi口，一次性滿足絕大多數(shù)應(yīng)用需求：

開發(fā)板采用全透明設(shè)計(jì)，內(nèi)部器件細(xì)節(jié)一目了然，顏值挺高：

在CPU風(fēng)扇上方機(jī)身上和側(cè)面開有通風(fēng)孔，散熱沒有問題。開發(fā)板還有個(gè)特點(diǎn)，它的機(jī)箱螺絲都是內(nèi)六角的，這和它面向工控用戶，即開即用，并不推薦開箱有關(guān)。這和NUC極易開箱設(shè)計(jì)不同，不過難不倒我。馬上大卸八塊：

熟悉Minnowboard系列都知道，Minnowboard MAX（Minnow2）主板分為核心板，高速信號(hào)擴(kuò)展板和低速信號(hào)擴(kuò)展板，核心板是開源硬件，而擴(kuò)展板是閉源的。研勤開發(fā)套件也有這種設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)分為核心板和擴(kuò)展板：

它有兩塊主板通過高速套接口扣接而成，分開是這樣：

CPU、內(nèi)存等核心部分都在核心板上。用于工業(yè)，以穩(wěn)定為主，CPU選型需要比較成熟的型號(hào)，所以我手中的這款研勤工控開發(fā)套件選擇Whiskey Lake (WHL，Gen8)。用戶也可以挑選TGL等比較新的型號(hào)。整個(gè)核心板采用COM-E的Type6的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，十分小巧：

正面和背面各有一個(gè)SODIMM的內(nèi)存插槽，保證是雙通道的。雙通道設(shè)計(jì)可提供高實(shí)時(shí)控制，及提高人工智能算法的計(jì)算性能。外圍板較大：

外圍板接口相當(dāng)豐富。不但提供了主機(jī)背板的所有外圍接口，還提供了額外兩個(gè)M.2，一個(gè)SD卡接口，兩個(gè)COM接口（工控常用）和一個(gè)USB2.0口，主板上還看到了熟悉的小螃蟹。

核心板小巧，核心板和外圍板接口標(biāo)準(zhǔn)，這兩點(diǎn)可以讓普通工控用戶可以圍繞核心板做額外定制，按照應(yīng)用場景設(shè)計(jì)外圍板。更妙的是，核心板采用Open Hardware的開源硬件設(shè)計(jì)理念，在官網(wǎng)開源，這樣用戶完全可以照貓畫虎，很方便設(shè)計(jì)出符合用戶需求的工控邊緣計(jì)算整機(jī)。這和Minnow設(shè)計(jì)理念完全一樣，填補(bǔ)了Minnow系列單板終結(jié)開發(fā)后的空白，這點(diǎn)比UP2的設(shè)計(jì)理念和對(duì)業(yè)界的貢獻(xiàn)要好得多。開發(fā)套件里的這款主板已被Intel收錄為主要的工業(yè)級(jí)開發(fā)用的主板，并被授權(quán)使用Intel Inside logo。

軟件和性能

Windows 10下軟件性能

好了，我們把機(jī)器組合起來，收集一下運(yùn)行數(shù)據(jù)吧。我的這款自帶Windows 10，開機(jī)速度很快。

因?yàn)槭遣捎?/font>WHL賽揚(yáng)SKU，主頻比較低，只有1.8GHz，2核2線程，采用核顯GT1，這和它面向工控有關(guān)。SATA接口的SSD傳輸速度尚可：

至于3D能力，由于核顯、低主頻、少內(nèi)核，成績就很慘了：

研勤工控開發(fā)套件的一個(gè)最主要目標(biāo)使用場景是工業(yè)過程控制，實(shí)時(shí)性其實(shí)是它更看重的指標(biāo)。衡量一個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo), 是系統(tǒng)從接收一個(gè)任務(wù), 到完成改任務(wù)所需要的時(shí)間, 其時(shí)間變化稱為抖動(dòng),。依抖動(dòng)將實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為, 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng), 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有更少的抖動(dòng)。研勤工控開發(fā)板推薦搭配Xenomai實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它才能滿足工控系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性。從這方面來講，不僅僅是一系列單板，而且是一整個(gè)開發(fā)套件。

Xenomai實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和性能

Xenomai是一個(gè)基于Linux平臺(tái)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)框架，其基本思路是在硬件和標(biāo)準(zhǔn)Linux之間引入一個(gè)精簡的高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)內(nèi)核, 通過i-pipe完成硬件中斷處理和任務(wù)第一級(jí)分配。硬實(shí)時(shí)任務(wù)由高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)內(nèi)核完成, 普通任務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)Linux處理. 同時(shí)Xenomai還提供一個(gè)硬實(shí)時(shí)開發(fā)框架方便應(yīng)用開發(fā), 另外也提供一個(gè)接口適配層,可以適配例如VxWorks, pSOS等應(yīng)用. Xenomai基本系統(tǒng)架構(gòu)如下圖：

開發(fā)套件支持Xenomai框架的硬實(shí)時(shí)解決方案, 提供基于Linux 4.19 長支持周期內(nèi)核為基礎(chǔ)的Xenomai內(nèi)核安裝包, 內(nèi)核安裝包以deb文件格式提供：

分別是內(nèi)核deb文件, 內(nèi)核調(diào)試信息deb文件, 內(nèi)核頭文件deb文件和libcdeb文件。如果需要使用Xenomai框架，首先在發(fā)套件安裝Ubuntu 18.04 桌面版。整個(gè)安裝過程非常簡單和順利, 安裝完畢重啟機(jī)器進(jìn)入系統(tǒng)后, 拷貝上述三個(gè)文件, 使用dpkg安裝后重啟操作系統(tǒng), 再次啟動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)在Grub啟動(dòng)高級(jí)菜單中增加了”Linux 4.19.59-xenomai”啟動(dòng)項(xiàng)目, 選擇此項(xiàng)目啟動(dòng)系統(tǒng), 系統(tǒng)啟動(dòng)后, 可以通過系統(tǒng)日志文件檢查Xenomai框架已經(jīng)成功運(yùn)行。

安裝完畢, 現(xiàn)在可以測試一下開發(fā)套件硬件在Xenomai系統(tǒng)下的實(shí)時(shí)性指標(biāo)了, 測試使用Xenomai 3.1官方應(yīng)用包的latency測試程序。以250微秒為測試程序運(yùn)行周期, 連續(xù)運(yùn)行48小時(shí), 檢查latency測試程序的最大抖動(dòng)。同時(shí)為了模擬系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境, 系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行Qt圖形測試應(yīng)用和使用stress應(yīng)用程序?yàn)橄到y(tǒng)CPU, 內(nèi)存, SSD存儲(chǔ)增加運(yùn)行負(fù)荷。

以下為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)截圖：

系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行48小時(shí), 在這種系統(tǒng)負(fù)荷下, latency測試程序的最大抖動(dòng)時(shí)間控制在10微秒以內(nèi)，這個(gè)抖動(dòng)成績非常優(yōu)秀， 完全達(dá)到了一個(gè)生產(chǎn)過程控制器的實(shí)時(shí)性需求。

結(jié)論

國內(nèi)Intel平臺(tái)開源硬件缺位這么長時(shí)間，研勤工控開發(fā)套件的出現(xiàn)正逢其時(shí)。我這里也用它搭建了百敖的分布式自動(dòng)測試平臺(tái)。它不僅僅是一系列開源單板，還是一套開發(fā)套件，幫助實(shí)現(xiàn)在Intel平臺(tái)的工業(yè)使用情境下，實(shí)時(shí)性的要求。其他還有很多特色服務(wù)，如滿足單板CPU可以定制、BIOS可定制等定制化需求，并可在９０天內(nèi)完成交貨，適用于小批量的邊緣計(jì)算設(shè)備，強(qiáng)烈推薦大家試試。對(duì)產(chǎn)品感興趣可掃下方二維碼，免費(fèi)獲取測試樣機(jī)。

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