Author:
Reading time: 7 minutes
Philips Business Communications in Hilversum heeft als een van de eerste bedrijven in de productontwikkeling gebruik gemaakt van het veldprogrammeerbare Excalibur-concept in combinatie met de Nios-softcoreprocessor van Altera. De specialist in bedrijfstelefooncentrales brengt als eerste een protocolhandler voor ISDN uit op basis van de nieuwe technologie. Door een programmeerbaar platform te gebruiken en een groot deel van de functies te beschrijven in VHDL en dit vervolgens met een softcoreprocessor te integreren kan Philips de ontwikkeltijd van nieuwe systemen drastisch verkorten. Voorheen draaide het ontwerpen om het samenstellen en kiezen van de discrete logische componenten, microprocessoren en FPGA‘s om het geheel aan elkaar te ’lijmen‘. In het nieuwe concept is een aanzienlijk deel van de systeemfunctionaliteit vastgelegd in een bibliotheek met VHDL-bouwblokken. Daarmee is 80 procent van de technologie direct herbruikbaar in nieuwe producten. Systeemontwikkeling is daarmee vooral een zaak geworden van de juiste tooling. ’In komende productontwikkelingen kun je dan al gauw een half jaar winnen‘, schat René Maas, projectmanager en systeemarchitect bij Philips Business Communications in Hilversum.
Bij Philips Business Communications in Hilversum nemen FPGA‘s voortaan een centrale plaats in binnen de systeemontwikkeling. Het gebruik van veldprogrammeerbare logica in combinatie met een Nios-softcore van Altera levert de divisie talrijke voordelen op. Zo verkort de ontwikkeltijd drastisch en kunnen systeemdelen tot op hardwareniveau in het veld worden aangepast. Ook hoeft het bedrijf zich minder zorgen te maken over de leverbaarheid van discrete componenten tijdens de lange levensduur van zijn centrales.
Philips Business Communications ontwikkelt de hardware en embedded software voor de eigen iS3000-serie telecom-, internet- en datacombedrijfscentrales en voor OEM-klanten. De bediening en instelling van deze apparatuur gaat inmiddels volledig op afstand of via internetkoppelingen. Voor een thuiswerker is bijvoorbeeld via de webbrowser in te stellen hoe follow me moet verlopen. Ook is bellen via internet of intranet mogelijk.
De iS3000-serie is een platform voor PBX-telecomcentrales (private branche exchange) dat modulair is opgezet en een hele reeks van kleine tot omvangrijke apparaten bevat. De modules bevatten een gemeenschappelijke hardware- en softwarearchitectuur. Dit soort systemen is opgebouwd uit meerdere lagen. Het hoogste niveau, het centrale besturingsniveau, zorgt voor taken als het doorsturen van telefoongesprekken. Op deze laag is bijvoorbeeld de kennis van het netwerk en de topologie aanwezig. Afhankelijk van de applicatie bestaat deze laag uit de Motorola 68000-serie of dedicated telecomprocessoren van Philips.
Onder het centrale besturingsniveau vallen perifere boards met specifieke interfaces zoals voor ISDN, internetconnectie, draadloze telefonie (DECT) of voor analoge telefoongesprekken. ’Daarbij gaat het om interfaces die generieke oplossingen moeten bieden‘, zegt René Maas, projectmanager en systeemarchitect bij Philips Business Communications in Hilversum. ’Onze systemen worden in de hele wereld toegepast met veelal verschillende signaleringen en protocolvarianten. Met name in de analoge wereld zijn dat er nogal wat, dus dat vraagt om flexibiliteit die wij in software en hardware kunnen bieden.‘
Het systeemontwerp voor een nieuwe ISDN-kaart greep Philips Business Communications aan om het gebruik van de Nios-softcoreprocessor van Altera te verkennen. Philips heeft al jarenlang ervaring met het gebruik van VDHL voor het ontwikkelen van Asics (application specific integrated circuits) en FPGA‘s (field programmable gate arrays). In het verleden ontwierp het bedrijf bijvoorbeeld Asics voor gebruik in fouttolerante systemen met vier processoren. Complexe Asics zorgden er daarbij voor dat een processor gedefinieerd buitenspel kon worden gezet bij disfunctioneren, zonder dat de betrouwbaarheid en beschikbaarheid van het systeem daarbij achteruitging. ’De kennis om hardware te beschrijven in VHDL hebben we daar het eerst toegepast‘, zegt Maas. ’De overgang naar FPGA‘s is een logische volgende stap. Je moet namelijk steeds grotere aantallen produceren om de ontwikkelkosten van een Asic te kunnen rechtvaardigen. Voor professionele systemen zoals wij die maken, zijn Asics niet zo gauw de moeite waard. Met FPGA‘s gaan we naar nieuwe mogelijkheden.‘
Voorheen gebruikte Philips Business Communications ISDN-kaarten met dedicated processoren en veel losse logische componenten. ’Specifieke onderdelen kochten we in, dat gingen we niet opnieuw ontwerpen‘, zegt Maas. ’Maar om die onderdelen aan elkaar te knopen hadden we veel glue logic nodig. Dat deden we met dedicated PLD‘s of met losse gates en losse IC‘s, maar daarmee had je al snel een heel volle printplaat.‘
De interesse om functionaliteit te integreren in FPGA‘s werd versterkt in de periode voor de telecom-recessie. In die periode volgde nieuwe series componenten elkaar snel op. ’Dan ben je verplicht om snel mee te gaan‘, zegt Maas. ’Maar wij bouwen professionele systemen waarbij we minstens zeven jaar service leveren. Daar heb je dus een heel andere levenscyclus. Het is niet prettig om zo lang afhankelijk te blijven van componenten die soms binnen een paar jaar al niet meer worden geproduceerd.‘
Het gebruikt van programmeerbare logica biedt Philips de mogelijkheid om in eigen beheer ontwikkelde functionaliteit snel over te dragen op nieuwe generaties producten. Maas: ’Voorheen moesten we chips aan het einde van hun levenscyclus vervangen. Met FPGA‘s kunnen we nu intellectueel eigendom vastleggen in VHDL en steeds opnieuw gebruiken. Daarmee krijg je kortere ontwerpcyclussen en flexibiliteit. Als er specificaties veranderen door nieuwe commerciële inzichten kunnen we de hardwired elektronica nu ook eenvoudig aanpassen. Ook in het testtraject zijn fouten eenvoudiger op te lossen.‘
Bij Philips Business Communication had men al jarenlang ervaring met VHDL in combinatie met embedded systemen. De divisie ontwikkelde embedded software voor de microprocessoren en Asics voor systeemspecifieke zaken. ’Het beschikbaar komen van een programmeerbare kern sloot aan bij ons ontwikkelproces‘, zegt Maas. ’In essentie is het gedrag niet anders anders dan dat van een hardcoreprocessor. Het voordeel is echter dat een softcore veel flexibeler te integreren is met de functies die je al in huis hebt. Daarmee kun je de prestaties precies afstemmen op je behoeftes. Als je bijvoorbeeld de systeemsnelheid wilt opkrikken, dan pas je eenvoudigweg een snellere FPGA-technologie toe. Verder is de Nios-softcore bijzonder eenvoudig te configureren met behulp van de tooling. Met een klik van de muis heb je bijvoorbeeld al een 16-bits of 32-bits processor, afhankelijk van wat je nodig hebt. Je kunt in de FPGA ook meerdere softcores integreren.‘
ARM levert in zijn Excalibur-lijn FPGA‘s ook veldprogrammeerbare logica met een hardcoremicroprocessor van ARM. Hiermee zijn hogere presaties mogelijk. Maas sluit niet uit dat Philips hier in de toekomst gebruik van zal maken.
Nu het systeem voor een groot deel in herprogrammeerbare logica vastligt, kan dat de ontwikkeltijd van een herontwerp of een nieuwe generatie producten drastisch verkorten. ’Deze eerste keer was natuurlijk een ontdekkingstocht‘, zegt Maas. ’Maar bij een volgende slag kunnen we dan al gauw een half jaar winnen. De Nios kennen we nu, ons RTOS draait, dus de integratieslag op de FPGA gaat de volgende keer sneller. De spin-off naar volgende projecten zal heel hoog zijn. De architectuur die we nu hebben opgezet is voor 80 procent herbruikbaar voor volgende ontwikkelingen. Voorheen was de herbruikbaarheid beperkt. De processor was dedicated. Nu is alles nog meer op tooling gebaseerd, je kunt de zaken veel beter integreren. We moeten natuurlijk nog wel steeds een PCB ontwikkelen, maar je hebt een bibliotheek met bewezen hardware- en softwaremodules die je zo weer kunt gebruiken.‘
Het realtime besturingssysteem voor de centrales bouwde Philips Business Communications vijf jaar geleden zelf. ’We hebben in het verleden een aantal RTOS‘en bekeken, maar die sloten niet aan op onze eisen‘, zegt Maas. ’Met een eigen besturingssysteem hebben we dat nu wel gerealiseerd. We hebben onder meer een zeer flexibele omgeving voor de protocolhandler nodig. De architectuur van de ISDN-protocolhandler bevat de eerste drie lagen van het OSI-model. Met vijftien generieke protocolstacks per protocolhandler praat je over een behoorlijke combinatie embedded software. We willen de protocolstacks per laag eenvoudig kunnen veranderen. Die stacks kunnen bijvoorbeeld per land verschillen. Dat soort specifieke eisen waren moeilijk te verenigen met een commercieel RTOS.‘
Hoewel onder meer het RTOS Nucleus van Accelerated Technologies (nu Mentor Graphics) op Nios draait, koos Philips er opnieuw voor om zijn eigen RTOS geschikt te maken voor deze softcore. ’We wilden het risico beperken‘, legt Maas de keuze uit. ’De softcore is vrij nieuw. Nog maar een klein aantal klanten past deze techniek in zo‘n complex product toe. Daarom hebben we voor een bewezen technologie gekozen in de vorm van ons eigen RTOS.‘
Met de keuze voor herconfigureerbare hardware heeft Philips Business Communications nu ook de mogelijkheid om de systemen in het veld op hardware-niveau aan te passen. Maas: ’Onze boards hebben een ingebouwde protocol analyser. We zijn daarmee in staat om in het veld traces op te nemen. Met protocol tracing kijk je wat er fout gaat als twee entiteiten informatie uitwisselen. Als twee bellers geen contact krijgen kunnen we exact nagaan waarom ze geen contact krijgen. Dat kan ons servicecentrum in Hilversum op afstand zien via remote services. Nu kunnen we niet alleen de software updaten, maar ook de hardware. Dat was in het verleden niet mogelijk. Programmeerbare logica biedt nu de mogelijkheid om zelfs de programmeerbare kern opnieuw te downloaden. Onze strenge ontwerpeisen voorkomen dat we de hardware moeten updaten, maar het is prettig dat die mogelijkheid er wel is.‘
René Maas geeft een technische lezing over dit ontwerp in de systeemsessie van Bits&Chips 2002 Embedded Conference op 16 april 2002 in het Evoluon.
