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Livre blanc • version 1.7 SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo simatic pc I • Quels sont les avantages du double cœur ? • La technique du double cœur comparée à celle des processeurs courants • Qu’apporte le double cœur aux SIMATIC PC et au logiciel SIMATIC ? www.siemens.com/simatic-pc A&D SE IPC SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 Remarque concernant le contenu: Ce livre blanc est conçu pour : - répondre à la question « Quels sont les avantages des processeurs double cœur » ? - montrer les caractéristiques spécifiques du Intel® Core™2 DUO - expliquer les termes techniques - décrire le comportement des processeurs double cœur avec le logiciel SIMATIC Nota : Les informations contenues dans le présent document sont purement descriptives. Il s’agit de caractéristiques de performance générales qui, lors de leur mise en œuvre, ne s’appliquent pas toujours exactement comme décrit ici et peuvent changer en raison d’un nouveau développement du produit. Il n’y a nulle obligation de conformité des caractéristiques décrites, sauf stipulation expresse par voie contractuelle. Edition Siemens AG Automation and Drives Postfach 2355 90713 Fürth Allemagne Plus d’assistance Vos interlocuteurs Siemens dans les sociétés et représentations à votre service SIMATIC PC sur Internet Informations sur le SIMATIC PC sur le site : www.siemens.com/simatic-pc Vous trouverez votre partenaire SIMATIC le plus proche à l’adresse : www.siemens.com/automation/partner Site de commerce électronique A&D Mall pour configurer et commander votre SIMATIC PC : www.siemens.com/automation/mall Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 2 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 Sommaire Introduction 4 1 5 Conception et fonction d’un processeur multicœur 1.1 Etapes de l’évolution du processeur 5 1.1.1 Processeurs simple cœur............................................................................................................. 5 1.1.2 Processeurs simple cœur en technologie HT ........................................................................... 5 1.1.3 Processeurs double cœur ............................................................................................................ 6 1.2 Technologie du processeur double cœur illustré par le processeur Intel® Core™2 Duo 6 1.2.1 Termes-clés de l’Intel® Core™2 Duo......................................................................................... 7 1.2.2 Evolution de Intel® Core™Duo vers Intel® Core™2 Duo ....................................................... 8 1.3 Avantages de la technologie multicœur 1.4 Modes d’exploitation des processeurs multicœur 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 2 11 Processeurs multicœur symétriques ........................................................................................ 11 Processeurs multicœur asymétriques ...................................................................................... 11 Une ère nouvelle : la virtualisation sur des systèmes multicœur ......................................... 12 Technologie 64 bits et ses incidences sur les applications ................................................... 13 Processeurs Intel® Core™2 Duo sur le SIMATIC PC 2.1 3 9 14 Processeurs, plates-formes et fonctionnalités du SIMATIC PC 14 Technologie du processeur Intel® Core™2 Duo avec WinAC SIMATIC 15 3.1 Exploitation de l’API logiciel SIMATIC WinAC RTX apte au temps réel sur des systèmes simple cœur et double cœur 15 4 Comparaison des performances du SIMATIC WinAC RTX et SIMATIC WinCC sur un processeur Core™2 Duo et simple cœur 17 4.1 Objectif des tests et plates-formes d’essai 17 4.2 Configurations logicielles utilisées 18 4.3 Tests et résultats des tests 19 4.3.1 Charge de la CPU ....................................................................................................................... 20 4.3.2 Temps de rafraîchissement........................................................................................................ 21 4.3.3 Temps de commutation et de rafraîchissement de l’image................................................... 22 4.4 5 Conclusion 22 Liens vers le sources et une bibliographie complémentaire Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 3 / 23 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 Introduction Jusqu’à présent, pour accroître la puissance du système de calcul, le processeur était d’abord doté d’une fréquence d’horloge supérieure. Une fréquence d’horloge accrue s’accompagne toutefois d’une augmentation de la consommation de courant, ce qui renforce parallèlement la déperdition de chaleur, sous la forme d’une puissance thermique dissipée (TDP, Thermal Design Power). Il était quasiment impossible d’évacuer cette puissance dissipée, qui dépasse les 100 W avec les processeurs monocœur actuels, en utilisant les systèmes de refroidissement avec ventilateurs du marché, en raison de l’encombrement et des possibilités de ventilation des boîtiers définis. Les progrès réalisés dans la fabrication des processeurs ont abouti à la conception de processeurs de plus en plus petits (65 nanomètres, par un procédé de fabrication correspondant à l’état actuel de l’art !), moins gourmands en énergie et dégageant moins de chaleur ; cependant, augmenter le cadencement réduirait à néant cette diminution du TDP. Par ailleurs, la miniaturisation se heurte à des difficultés d’ordre technique et physique, parfois impossibles à résoudre. Multicœur Nouvelle courbe de puissance sur une architecture multicœur Pente plus droite, modularité optimisée 10X Aujourd’hui Monocœur 2010+ 2000 Plan Par rapport au processeur Intel® Pentium® 4 Figure 1 : Evolution de la puissance des processeurs Cette situation a conduit au développement de processeurs multicœur qui n’augmentent plus la puissance d’un système par un simple accroissement du cadencement, mais en intégrant plusieurs cœurs de processeur sur une puce. Multiplier les processeurs permet de traiter en parallèle les instructions de programme et d’accélérer ainsi le traitement des programmes. Cette technologie répond à la demande actuelle de programmes plus complexes et interdépendants (API logiciel et visualisation correspondante, p.ex.). Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 4 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 1 Conception et fonction d’un processeur multicœur 1.1 Etapes de l’évolution du processeur 1.1.1 Processeurs simple cœur Singlecor Les processeurs simple cœur jusqu’en 2002 : un PC était doté d’un seul processeur, en quelque sorte le cœur, qui représentait le moteur de l’ordinateur. La vitesse de traitement alors en mégahertz, se chiffre aujourd’hui en gigahertz. Ces processeurs courants présentent un principal inconvénient, aussi élevé que soit leur cadencement, ils ne sont capables de traiter qu’une seule tâche (thread) à la fois. Il est possible depuis les années 80, de regrouper deux ou plusieurs processeurs sur des systèmes multiprocesseur, à condition de posséder le matériel requis (carte mère). Le Pentium a été le premier processeur d’Intel qui a permis de réaliser de cette manière des systèmes multicœur, également conçus pour les utilisateurs privés. Ces calculateurs n’avaient cependant pas la rapidité escomptée en additionnant les différents cadencements (deux processeurs 3 GHz sur une carte mère n’atteignaient pas une puissance de 6 GHz). A cette époque, l’interface mémoire était dans l’impasse, car elle n’était pas encore assez rapide pour fournir un volume suffisant de données aux deux processeurs. Comme les systèmes multiprocesseur étaient encore peu répandus, les programmes n’étaient pas conçus pour exploiter les cœurs existants. 1.1.2 Processeurs simple cœur en technologie HT Les processeurs Intel® Pentium® 4 supportent la technologie Hyper-Threading1 depuis 2002 et grâce à elle, ils sont détectés par le système d’exploitation comme des processeurs à deux cœurs. Cependant, comme les tâches sont toujours exécutées avec un seul cœur réel, le HT ne permet pas, tant s’en faut, d’obtenir la même augmentation de puissance qu’avec deux processeurs. 1 La technologie Hyper-Threading (technologie HT) simule un autre processeur et accepte de ce fait deux tâches du système d’exploitation, comme un vrai processeur double cœur, et les achemine ensuite dans l’unité de calcul du cœur. Si les programmes sont optimisés pour un traitement multitâche, le Hyper-Threading peut apporter une accélération de 20 %. Cette technologie équipe également quelques processeurs multicœur. Un processeur double cœur en HT dispose dans ce cas, de 4 cœurs. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 5 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 1.1.3 Processeurs double cœur Les processeurs double cœur sont logés dans un boîtier contenant deux CPU à part entière. Dans le meilleur cas et dans certaines applications, les processeurs bicœur doublent leur vitesse de traitement par rapport aux variantes monocœur. Dans le cas le plus défavorable, c'està-dire lorsque le programme est écrit de telle sorte qu’il supporte le traitement d’une seule tâche, l’accroissement de la puissance est tout de même perceptible. Seule une augmentation de la fréquence d’horloge pourrait optimiser ce programme. Les réserves de puissance du second cœur étant malgré tout disponibles, l’utilisateur peut lancer d’autres applications. 1.2 Technologie du processeur double cœur illustré par le processeur Intel® Core™2 Duo Un processeur bicœur comprend une seule puce regroupant deux unités de calcul, appelées cœurs (core). Avec le processeur Intel® Core™2 Duo, les deux cœurs accèdent à la mémoire commune, la mémoire cache de second niveau ou cache L22. Dans l’idéal, celle-ci contient les prochaines données nécessaires au processeur, qui sont calculées à l’aide d’un programme de prédiction de saut. Dans le cas du Intel® Core™2 Duo, les deux noyaux de calcul accèdent à un grand cache L2 commun de 2 Mo ou 4 Mo, à gestion dynamique, doté d’une fonctionnalité Intel® Smart cache (voir page suivante) qui renforce encore l’accélération. Tous les processeurs Intel® Core™2 Duo actuels bénéficient de la technologie d’économie d’énergie (EIST ou Enhanced Intel® SpeedStep Technology) qui adapte la cadence du processeur de manière dynamique aux besoins instantanés. Sur le SIMATIC PC Siemens, cette fonction est désactivée, car ici la puissance maximale du processeur est garantie ! La fonction XD-bit (Executable disable bit) également implémentée, interdit l’exécution des logiciels malveillants (certains types de virus et de chevaux de Troie). Les conditions préalables sont son activation dans le BIOS par le client et un système d’exploitation supportant cette fonction, notamment Windows XP avec Service Pack 2. 2 Cache L2 ou Level 2 : il s’agit d’une mémoire particulièrement rapide qui est encore sur le processeur mais n’est plus dans le cœur même du processeur (comme le cache Level 1). Cette mémoire sert à déposer les dernières données utilisées, auxquelles il faudra très probablement accéder à nouveau. L’accès à la mémoire principale « lente » est ainsi minimisée. Dans l’idéal, le processeur prélève de cette mémoire, toutes les données nécessaires au traitement. La mémoire cache en général est mise en œuvre partout où la vitesse d’accès à la mémoire influe de manière significative sur les performances d’un système. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 6 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 1.2.1 Termes-clés de l’Intel® Core™2 Duo • • • Intel® Wide Dynamic Execution Avec la microarchitecture Core, Intel a amélioré les capacités d’exécution dynamique du code. Wide Dynamic Execution autorise jusqu’à quatre instructions par cycle d’horloge et par cœur, contre trois précédemment. Un prédiction de saut optimisée et de plus grands tampons assurent une alimentation continue des unités d’exécution. La fonction « macrofusion » est utilisée pour regrouper les séquences d’instructions fréquentes, pendant la phase de décodage, en une instruction orientée process, appelée micro-opération. Le nombre d’instructions par cycle d’horloge s’en trouve accru. Par ailleurs, la fonction de fusion des microopérations a été étendue à un plus grand nombre de micro-opérations. D’une manière générale, cette technologie augmente la capacité du processeur. Parallèlement, la charge de travail diminue, puisqu’il faut moins de cycles de processeur pour traiter entièrement un programme. Intel® Intelligent Power Capability Une division particulièrement fine de la puce en sous-plages et fonctions, accessibles très rapidement, pour une adaptation précise aux exigences instantanées. La micro-architecture Core n’active que les plages de la puce effectivement nécessaires, les autres plages restant inactives. Ce qui se traduit par une économie d’énergie et une réduction de la dissipation thermique à faible charge. De nombreux bus et champs du processeur sont en outre fragmentés afin de n’utiliser que les largeurs de bande nécessaires. Des techniques éprouvées sont mises en œuvre, telles que Enhanced Intel® SpeedStep® et les états de sommeil particulièrement profond du processeur. Intel® Advanced Smart Cache Cette variante de cache est optimisée pour l’exploitation dans les processeurs multicœur. Pour cela, la totalité du cache L2 (selon le processeur Intel® Core™2 Duo, il peut atteindre 4 Mo) est utilisée en commun par les unités de calcul. L’allocation s’effectue de manière dynamique en fonction de la charge. Un cœur peut ainsi disposer de la totalité de la mémoire s’il a une très forte charge, tandis qu’en cas de charge uniforme des cœurs, ceux-ci peuvent tous deux travailler sur des parties équivalentes. La taille de cache utilisée par chaque cœur varie donc au rythme des besoins, et peut atteindre 100 %. Par ailleurs, un cœur est aussi en mesure d’accéder aux données se trouvant sur l’autre cœur lorsque les données traitées sont identiques. La synchronisation du cache via le front side bus du processeur est ainsi supprimée. Enfin, avec Advanced Smart Cache, la largeur de bande destinée au processeur augmente, ce qui améliore aussi ses performances. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 7 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC • • “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 Intel® Smart Memory Access Cette caractéristique accroît les performances du système, à l’aide de diverses techniques, en optimisant l’utilisation de la largeur de bande disponible pour la mémoire. La technologie appelée « Memory Disambiguation » optimise les accès mémoire. Elle consiste à tenter de prédire et calculer les accès mémoires devant être effectuées prioritairement. A l’aide de systèmes de préchargement ou « prefetcher », le processeur effectue une analyse prédictive des accès mémoire. Si le préchargement est correct, les données sont rapidement disponibles dans le cache L2 et le processeur peut poursuivre le traitement, sans latence et sans obligation de charger d’abord les données de la mémoire de travail « lente ».Intel® Advanced Digital Media Boost Pour accélérer les applications multimedia, la micro-architecture Core traite des instructions SSE3 sur 128 bits en un cycle d’horloge seulement. Jusqu’à présent, les instructions SSE 128 bits étaient généralement traitées en deux étapes, à savoir d’abord les derniers 64 bits, puis les 64 premiers. Avec un seul cycle d’horloge pour une instruction SSE 128 bits, le débit des applications utilisant les SSE augmente de manière significative. Parmi elles, citons les applications telles que le traitement vidéo, image et son, le cryptage et les applications recourant aux techniques mathématiques. 1.2.2 Evolution de Intel® Core™Duo vers Intel® Core™2 Duo Le processeur Intel® Core™2 Duo est une version perfectionnée du Intel® Core™Duo. Le processeur Intel® Core™2 Duo offre une puissance accrue de 12% par rapport au Intel® Core™Duo, toutefois avec une consommation d’énergie légèrement supérieure. Les processeurs Intel® Core™2 Duo pour notebook, équipant actuellement les SIMATIC PC Siemens, ont une consommation TDP = 34 W, tandis qu’un Intel® Core™Duo en variante notebook a un TDP de 31 W. La technologie Intel® Core™2 Duo supporte l’architecture 64 bits Intel®64, également connue sous le nom de EM64T, alors que la version antérieure n’offrait pas encore cette fonctionnalité. L’autre nouveauté de l’architecture Intel® Core™2 Duo est la fonction de macro-fusion décrite plus haut, destinée à la création de micro-opérations dont devrait bénéficier une instruction sur dix environ. 3 SSE = Streaming SIMD (single instruction multiple data) Extension : jeu d’instructions pour un traitement accéléré des programmes par mise en parallèle. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 8 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 1.3 Avantages de la technologie multicœur Logiciel : Le potentiel de puissance ne peut être mis en œuvre pleinement que si le système d’exploitation utilisé et le logiciel sont programmés pour recourir aux cœurs existants. De nombreuses applications, essentiellement anciennes, s’appuient cependant encore sur un seul cœur. Tant que cette unique application est exploitée sur un PC, les processeurs multicœur ne lui apportent aucun bénéfice. La fréquence d’horloge plus élevée du processeur monocœur constitue ici un avantage. Cependant, dès que plusieurs programmes/tâches (thread) sont exécutés en parallèle, le nombre de processeurs est perceptible. La possibilité pour les applications de répartir leurs calculs sur plusieurs processeurs dépend de leur aptitude au traitement multitâche. On désigne par ce terme, la capacité d’un logiciel à partager les fonctions et à les laisser s’exécuter parallèlement sous forme de tâches. Windows NT est capable d’adresser plusieurs processeurs depuis 1993 et parmi les systèmes d’exploitation actuels, Windows XP à partir de SP2 et son successeur Vista sont conçus pour fonctionner sur des systèmes multicœur. Figure 2 : sur les processeurs double cœur, l’hyper-Threading permet de saisir 4 tâches en parallèle Même lorsque les applications sur un seul ordinateur ne sont pas conçues pour le multitâche, l’exécution simultanée de plusieurs programmes présentent cependant des avantages. L’antivirus peut par exemple, s’exécuter sur un cœur tandis qu’un document Word ou une vidéo est lue sans délai de latence, sur l’autre cœur. Les utilisateurs peuvent ainsi disposer de solutions globales économiques, la commande et la visualisation étant intégrée dans le même système. De nouvelles solutions peuvent être envisagées dans lesquelles un cœur avec commande temps réel intégrée est actif et donc exploitable, tandis que l’autre cœur, sur lequel s’exécute un logiciel de visualisation, peut être réinitialisé. Parmi les nombreuses autres applications, on peut citer l’accès à distance (remote access) pour la télémaintenance avec pare-feu et une connexion Industrial Ethernet via un autre cœur. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 9 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 Matériel : La réunion de deux ou plusieurs cœurs de processeur sur un unique die4 offre les avantages du système multicœur tout en conservant l’infrastructure du système monocœur. Cette nouvelle technique permet, avec le même nombre d’unités de calcul, d’augmenter la puissance de calcul et de réaliser ainsi des solutions plus complexes et plus exigeantes. Le recours aux processeurs Intel® Core™2 Duo et à des versions à économie d’énergie s’est traduit par une augmentation significative de la puissance, avec une montée non linéaire de la dissipation thermique et de la consommation. Avec la diminution de la puissance consommée des processeurs Intel® Core™2 Duo de toutedernière génération, les systèmes de refroidissement plus petits, plus légers et cependant plus efficaces font leur apparition, en s’intégrant optimalement dans les boîtiers existants et en assurant la compatibilité de montage. Une faible dissipation thermique est une obligation pour les systèmes compacts. En outre, un processeur bien ventilé offre une durée de vie nettement supérieure au processeur exploité dans sa plage limite. Les calculateurs aussi peuvent fonctionner à des températures ambiantes considérablement plus élevées en conservant la même durée de vie, ce qui élargit leur domaine d’application. 4 Un « die » est une puce à semi-conducteur qui contient le microprocesseur (cœur) (voir figure) : le die d’un processeur double cœur est doté de deux cœurs Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 10 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 1.4 Modes d’exploitation des processeurs multicœur 1.4.1 Processeurs multicœur symétriques Dans les systèmes de processeurs multicœur symétriques (SMP), tous les cœurs du processeur ont les mêmes droits. Un programme peut être exécuté sur n’importe quel cœur, puisque celui-ci accède à l’ensemble des ressources matérielles. Ce type d’architecture est un standard pour tous les microprocesseurs depuis quasiment 20 ans. Sa manipulation simple est un avantage pour l’utilisateur qui n’a généralement pas de réglage ni de modification à effectuer sur les programmes. L’inconvénient de cette architecture réside dans la forte sollicitation du bus mémoire, chargé de fournir les données destinées aux processeurs. Elle présente un autre inconvénient, les sauts de la CPU (CPU-Hopping) par lesquels les différents process d’un programme sont alternativement répartis sur un autre cœur, occasionnant des pertes de performance dues aux divers accès au cache. Plus le processeur compte de cœurs, plus les inconvénients sont prononcés. 1.4.2 Processeurs multicœur asymétriques Avec les processeurs multicœur asymétriques (ASMP), des ressources matérielles propres sont allouées aux différents cœurs. Le système d’exploitation, qui répartit les tâches entrantes sur les différents processeurs, tourne généralement sur le processeur. On peut se représenter l’architecture matérielle comme un système doté d’un processeur principal et de coprocesseurs montés en aval pour différentes tâches. L’avantage de cette solution est un système optimisé en rapidité et puissance de calcul. L’inconvénient sont les opérations complexes et coûteuses pour adapter les programmes ainsi que la fonctionnalité restreinte par le matériel imposé. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 11 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 1.4.3 Une ère nouvelle : la virtualisation sur des systèmes multicœur La virtualisation signifie que plusieurs systèmes d’exploitation peuvent tourner simultanément sur un ordinateur, mais de manière indépendante. Il existe deux types différents de virtualisation: par logiciel de virtualisation (p. ex. VMware, DataSynapse Gridserver) par virtualisation au niveau matériel (p. ex. Intel® Pentium® D, Intel® Core™Duo, Intel® Core™2 Duo) Logiciel de virtualisation: La virtualisation au niveau logiciel utilise une partie de la capacité de calcul du processeur pour simuler les interfaces et les périphériques matériels, ce qui rend la virtualisation logicielle lente. Le recours à des systèmes d’exploitation standard comme Windows XP est malgré tout possible. Différents systèmes d’exploitation peuvent aussi être chargés sur un ordinateur. On peut envisager des solutions, dans lesquelles un système d’exploitation temps réel fonctionne sur un cœur, et Windows sur l’autre. Les processeurs incorporés dans les SIMATIC PC, versions haut de gamme (T7400 et E6600) gèrent la technologie de virtualisation Intel® (Virtualizing Technology). Elle accélère l’émulation des systèmes d’exploitation tels que Windows dont l’accès au code source n’est pas ouvert. Virtualisation matérielle: La virtualisation au niveau matériel est plus performante, car elle nécessite uniquement l’installation d’un logiciel rudimentaire, appelé système hôte5 (Virtual machine Monitor, VMM ; p. ex. Xen de Linux) avec les principales fonctions de coordination. Ce VMM peut prélever à tout moment des ressources matérielles sur un système d’exploitation et les allouer à un autre système d’exploitation virtualisé. L’avantage de la virtualisation au niveau process réside dans le fait qu’un système d’exploitation peut être chargé ou supprimé de l’ordinateur en cas de défaut, sans aucun délai de latence. Si l’un d’eux est infesté par des pirates ou des virus, il peut être supprimé et rechargé par une nouvelle instance. Par ailleurs, les systèmes d’exploitation à installer doivent être à leur tour adaptés au logiciel VMM. Exemples de solutions de virtualisation envisageables La virtualisation offre aux utilisateurs des solutions globales économiques, en intégrant par exemple la commande et la visualisation dans le même système. De nouvelles solutions peuvent être envisagées, dans lesquelles un cœur avec une commande temps réel intégrée est actif et donc exploitable, tandis que l’autre cœur, sur lequel s’exécute un logiciel de visualisation, peut être réinitialisé. 5 C’est-à-dire un « système d’exploitation pour systèmes d’exploitation » Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 12 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 Ou encore un programmeur programme un nouvel outil pour une application. L’environnement de développement s’exécute sur un cœur, tandis que le programme utilisateur fonctionne sur un autre cœur, de telle sorte que le développeur peut tester immédiatement son nouveau module. Parmi les nombreuses autres applications, on peut citer l’accès à distance (remote access), pour la télémaintenance avec pare-feu et une connexion Industrial Ethernet via un autre cœur. 1.4.4 Technologie 64 bits et ses incidences sur les applications La technologie 64 bits est depuis quelque temps un standard pour les serveurs alors que dans le secteur industriel, les applications 32 bits et les systèmes d’exploitation sont largement répandus. L’architecture Intel® Core™2 Duo autorise l’exécution d’applications 64 bits. Pour exploiter pleinement l’architecture 64 bits, un système d’exploitation la supportant également, comme les versions 64 bits de Windows XP ou Vista, est requis. Une architecture 64 bits signifie que les variables et les adresses sont étendues à 64 bits. L’architecture 32 bits impose une autre restriction, la mémoire RAM maximale de 4 Go, adressables linéairement. Si la RAM dépasse 4 Go dans un ordinateur, la mémoire excédant les 4 Go ne peut plus être adressée. L’architecture 64 bits supprime cette limitation, de sorte que le système d’exploitation est en mesure d’utiliser plus de 4 Go de mémoire (théoriquement jusqu’à 16 Eo6) Cette nouvelle architecture présente des avantages plus particulièrement pour les applications qui sollicitent intensivement la mémoire et/ou les données et pour les programmes chargés d’effectuer des calculs complexes avec des valeurs numériques élevées. Pour exploiter la variante 64 bits de Windows, il faut s’assurer que tous les pilotes sont aussi en 64 bits, sous peine de ne pouvoir les installer. 6 Un exaoctet contient 1018 octets, 16 Eo représentent donc 16 milliards de Go Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 13 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 2 Processeurs Intel® Core™2 Duo sur le SIMATIC PC 2.1 Processeurs, plates-formes et fonctionnalités du SIMATIC PC SIMATIC PC Box PC 627B / 827B Panel PC 677B Fréqu Cache Processeur ence L2 (GHz) FrontSideBus (MHz) Puce Graphiqu TDP e (W) VT 64 HT bits T5500 1,66 2 Mo 667 Intel® 945 GM Express Intel® GMA950 34 - 3 - T7400 2,16 4 Mo 667 Intel® 945 GM Express Intel® GMA950 34 3 3 - E4300 1,8 2 Mo 800 Intel® 945 G Express Intel® GMA950 65 - 3 - E6600 2,4 4 Mo 1066 Intel® 945 G Express Intel® GMA950 65 3 3 - T5500 1,66 2 Mo 667 Intel® 945 GM Express Intel® GMA950 34 - 3 - T7400 2,16 4 Mo 667 Intel® 945 GM Express Intel® GMA950 34 3 3 - Rack PC 547B Rack PC 847B Figure 3 : SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 14 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 3 Technologie du processeur Intel® Core™2 Duo avec WinAC SIMATIC Comme décrit au chapitre 1.3, les systèmes d’exploitation actuels peuvent tirer profit des capacités de la technologie des processeurs double cœur. Pour atteindre la vitesse maximale, les programmes exécutés doivent toutefois pouvoir être mis en parallèle de manière appropriée. En environnement industriel cependant, la performance maximale n’est pas le seul critère important, une performance « minimale » garantie est également indispensable pour assurer le comportement prédictif d’un système. Si l’API logiciel SIMATIC WinAC RTX est mis en œuvre avec un processeur double cœur, le système obtenu permet de garantir une puissance prédéterminée, disponible à la fois pour le SIMATIC WinAC RTX et pour la partie Windows XP. 3.1 Exploitation de l’API logiciel SIMATIC WinAC RTX apte au temps réel sur des systèmes simple cœur et double cœur L’installation du SIMATIC WinAC RTX sur un système double cœur et sur un système simple cœur se distingue par les points suivants (voir figures page suivante) SIMATIC WinAC RTX sur un système simple cœur Sur un système monocœur standard SIMATIC WinAC RTX , l’extension temps réel prélève la puissance nécessaire (90 % max.) pour traiter le code. Pour satisfaire aux exigences du temps réel, le travail doit s’effectuer avec une réserve de sécurité. Celleci peut être sensiblement restreinte (de manière permanente ou temporaire) par la puissance de Windows. SIMATIC WinAC RTX en mode dédié (« Dedicated Mode ») sur un système double cœur Si SIMATIC WinAC RTX est installé sur un système Intel® Core™2 Duo avec Windows XP, l’extension temps réel de SIMATIC WinAC RTX réserve en standard, un cœur complet du processeur. Un cœur CPU reste visible et donc disponible pour le système d’exploitation Windows. Aucune réserve de sécurité n’est ici requise grâce à l’allocation d’un cœur propre pour chacun. L’application temps réel et la visualisation disposent ici chacune d’une puissance de 50%. SIMATIC WinAC RTX en mode partagé (« shared mode ») sur un système double cœur Si Windows a besoin de ressources supplémentaires, le cœur RTX Ardence, utilisé par SIMATIC WinAC RTX, est configuré de manière à n’utiliser qu’une partie du cœur de la CPU, de sorte que Windows peut à nouveau détecter, et donc utiliser, les deux cœurs de la CPU. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 15 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 90 % Single Core Ardence RTX Wind H MI WinAC RTX Core 1 Dual Core Dedicated Mode (default) 90 % Ardence RTX 100 % Core 2 Windows WinAC RTX HMI Figure 4: la figure montre la sollicitation maximale d’un système simple cœur et d’un système double cœur par SIMATIC WinAC RTX 0% Single Core 100 % Ardence RTX WinAC RTX gets the necessary CPU Time Windows WinAC RTX High CPU Loads due to WinAC RTX can significantly slow down Windows' execution and response times. HMI Core 1 Dual Core Ardence RTX RTX „Dedicated Mode“ WinAC RTX (Default) Windows Ardence RTX automatically uses one CPU core Core 1 Dual Core RTX „Shared Mode“ 100 % 100 % Core 2 Appl. HMI 100 % Core 2 Ardence RTX WinAC RTX 100 % Windows HMI Appl. n Appl. m Core Load Figure 5: Les différentes possibilités d'installation du SIMATIC WinAC RTX ainsi que la performance du système d'opération qui est encore libre. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 16 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Gestionnaire matériel Windows d’un système bicœur avec SIMATIC WinAC RTX sur une installation standard («dedicated»)->on ne voit qu’un seul cœur Jan. 2008 Gestionnaire matériel Windows d’un système bicœur sans SIMATIC WinAC RTX ou avec SIMATIC WinAC RTX en mode «shared»Æ les deux cœurs CPU sont disponibles Figure 6 : Processeur avec WinAC installé représenté différemment dans le gestionnaire matériel Windows Par rapport au système de processeur simple cœur, chaque système d’exploitation, Ardence RTX de SIMATIC WinAC RTX d’une part et Windows XP de l’autre, est assuré de disposer de son propre cœur de processeur. Le système d’exploitation possède ainsi les réserves suffisantes pour éviter tout engorgement, provoqué notamment par un logiciel de visualisation doté d’un système d’archivage ou une application de traitement d’image gourmande en puissance. 4 Comparaison des performances du SIMATIC WinAC RTX et SIMATIC WinCC sur un processeur Core™2 Duo et simple cœur 4.1 Objectif des tests et plates-formes d’essai Pour montrer les différences entre le simple cœur et le double cœur, ou les réserves de puissance d’un système Intel® Core™2 Duo, la base mise en œuvre était constituée d’un API logiciel et d’un système de visualisation, constellation logicielle typique pour les solutions d’automatisation sur base PC. Le matériel a été raccordé via PROFIBUS. En tant qu’API S7 sur base PC, le SIMATIC WinAC RTX fournit au logiciel de visualisation SIMATIC WinCC flexible, les données et les variables acquises. D’autres applications ou un autre matériel intégré côté Windows ne sont pas rares aujourd’hui et sont amenés à se développer à l’avenir. Comme les diverses applications nécessitent des constellations et de ce fait, des exigences très différentes en matière de puissance, la présentation de résultats détaillés manquerait de pertinence pour la pratique. Par conséquent, nous y avons renoncé au profit d’une présentation simplifiée. En conséquence, la description des configurations utilisées est succincte. En raison de la focalisation sur la « performance minimale » côté Windows, SIMATIC WinAC RTX a été exploité en « installation standard », c'est-à-dire en « mode dédié » (voir chap. 3.1). Etant donné les constellations logicielles et matérielles, les mesures comparatives effectuées ici ne peuvent être considérées qu’en les relativisant par rapport aux appareils comparés. Une valeur individuelle est peu pertinente en soi, car dans toutes les mesures sont inclus les temps de cycle de SIMATIC WinAC RTX, l’échange de données entre SIMATIC WinAC RTX et SIMATIC WinCC flexible, etc. Les temps indiqués sont des valeurs pondérées. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 17 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 La comparaison porte sur les plates-formes de test constituées de trois systèmes SIMATIC PC, l’un comportant une CPU simple cœur et les deux autres dotés chacun d’une CPU double cœur différente. • Plate-forme simple cœur SIMATIC Panel PC 677 / Box PC 627 : Processeur Intel® Pentium® M 760 à 2,0 GHz • Plate-forme double cœur SIMATIC Box PC 627B / Panel PC 677B : Processeur Intel® Core™2 Duo T7400 à 2,16 GHz et Intel® Core™2 Duo T5500 à 1,67 GHz Le système d’exploitation utilisé était Windows XP professional MUI (SP2). Un SIMATIC ET200S a été connecté en tant que périphérie décentralisée, via l’interface PROFIBUS intégrée, afin de doter le système d’un déclenchement externe. 4.2 Configurations logicielles utilisées Les logiciels SIMATIC suivants ont été installés pour effectuer les tests: • SIMATIC WinAC RTX 2005 en « dedicated mode » o Le programme S7 et la configuration SIMATIC WinAC sert essentiellement à générer une charge de base constante de la CPU de 90% et à atteindre les E/S pour la mesure du temps du PROFIBUS vers le SIMATIC WinCC flexible. • SIMATIC WinCC flexible 2005 Runtime o Utilisation de deux visualisations différentes, une « petite » et une « grande ». Traitement de calculs simples et affichage de variables <20 sur la petite visualisation et >400 sur la grande visualisation. Le taux d’actualisation minimal est configuré dans SIMATIC WinCC flexible. o Pour démarrer un « archivage », des scripts SIMATIC WinCC flexible et un serveur SQL Microsoft ont été utilisés. Les scripts sont appelés toutes les 100 ms et génèrent deux tables avec des valeurs recalculées qui sont ensuite écrites dans une base de données SQL. Petite visualisation, peu de variables Grande visualisation, un très grand nombre de variables Figure 7 : Vue de la petite et de la grande visualisations Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 18 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 4.3 Tests et résultats des tests Les tests suivants avait pour objectif de montrer les différences en terme de performance (vous trouverez les résultats des tests sur les pages suivantes) : • Charge de la CPU o Mesure de la charge de la CPU côté Windows par le Gestionnaire des tâches Windows • Temps de rafraîchissement de l’image o Temps nécessaire au changement et à l’actualisation complète de toutes les données dans un SIMATIC WinCC flexible. • Temps de commutation et de création de l’image o Temps de commutation d’une entrée TOR jusqu’à sa représentation sur la visualisation SIMATIC WinCC flexible • Temps d’exécution du SIMATIC WinAC RTX o Mesure de la durée d’exécution du programme SIMATIC WinAC RTX. Le programme utilisé est essentiellement destiné à garantir une charge de base constante de la CPU. Le temps d’exécution d’un cycle s’est avéré quasiidentique pour les trois systèmes de test, en simple cœur, les CPU ont une performance comparable à des fréquences similaires. Les temps d’exécution des systèmes mesurés sont très proches et se situent dans les tolérances de mesure des instruments utilisés pour le test. Ils ne seront pas abordés plus en détail, car ils n’ont que peu d’influence sur les résultats des tests. Les résultats des tests sont représentés sur les pages suivantes. Les valeurs obtenues sont les valeurs moyennes des différentes mesures. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 19 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 4.3.1 Charge de la CPU Charge de la CPU Single Core Pentium M 2GHz Dual Core Core 2 Duo 1,66GHz Dual Core Core 2 Duo 2,16GHz 100% Charge de la CPU 80% 60% 40% 20% 0% Petite visu, sans archivage Grande visu, sans archivage Petite visu, avec archivage Grande visu, avec archivage Figure 8 : Charge de la CPU de Windows XP dans les différents scénarios de test SIMATIC WinCC flexible Le scénario de test sur un système double cœur ne dépasse quasiment pas 20 % de charge (pas de changement d’image), la CPU dispose par conséquent d’environ 80 % de réserves de puissance. Les autres applications en cours réagissent ainsi nettement plus vite. Sur un système monocœur en revanche, la charge de base du scénario de test sollicite considérablement la capacité du système Windows. Dans le cas du scénario de test avec archivage, la capacité du système monocœur utilisée avoisine les 100% et celui-ci réagit plus lentement aux entrées des utilisateurs ou contribue à ralentir la création de l’image. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 20 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 4.3.2 Temps de rafraîchissement Temps de rafraîchissement Single Core Pentium M 2GHz Dual Core Core 2 Duo 1,66GHz Dual Core Core 2 Duo 2,16GHz Temps de rafraîchissement en ms 800 600 400 200 0 Petite visu, sans archivage Petite visu, avec archivageGrande visu, sans archivage Grande visu, avec archivage Figure 9 : Temps de rafraîchissement des différents scénarios de visualisation SIMATIC WinCC flexible Les actions qui sollicitent aussi le système, comme les modifications dans la visualisation ou dans l’image, le mouvement de la souris, génèrent une charge hautement prioritaire dans le système Windows qui allonge la durée de transmission des données (signal de déclenchement externe ici) du SIMATIC WinAC RTX vers le SIMATIC WinCC flexible, jusqu’à l’affichage sur l’écran. Les systèmes double cœur peuvent fournir la puissance de calcul nécessaire grâce aux réserves disponibles de la CPU. Avec la version monocœur, le système se heurte rapidement à ses limites de puissance et la satisfaction des exigences demande plus de temps. Même si toutes les applications peuvent souvent être encore gérées, la « performance fournie » est ralentie par l’allongement de la durée du rafraîchissement. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 21 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 4.3.3 Temps de commutation et de rafraîchissement de l’image temps de commutation et de rafraîchissement de l’image temps de commutation et de rafraîchissement de Single Core Pentium M 2GHz Dual Core Core 2 Duo 1,66GHz Dual Core Core 2 Duo 2,16GHz 1600 1200 800 considéré comme « bon » 400 0 Grande visu, sans archivage Grande visu, avec archivage Figure 10 : Temps de commutation et de rafraîchissement de l’image dans les différents scénarios de visualisation SIMATIC WinCC flexible Cet exemple montre clairement les incidences des sollicitations supplémentaires du système. Le temps de commutation et de rafraîchissement de l’image, soit le temps nécessaire à la création d’une nouvelle image SIMATIC WinCC flexible avec toutes les variables, se situe dans des plages très correctes avec les systèmes double cœur. En version monocœur, la création de l’image est sensiblement plus lente, l’ensemble du système réagit avec une latence perceptible. Par ailleurs, des messages d’erreur dus à la surcharge ont été édités dans le scénario de mesure, par SIMATIC WinCC flexible. Les résultats du temps de commutation et de rafraîchissement de l’image avec les petites visualisations ne sont pas présentés, car la vitesse de création de l’image, qui atteint les limites des temps mesurables, est ici similaire sur tous les systèmes. 4.4 Conclusion Partout où les systèmes actuels atteignent les limites de puissance, où il faut déjà restreindre les applications, les nouveaux systèmes double cœur offrent des réserves de performances considérables. L’exemple de la « grande visualisation » avec ses nombreuses variables, qui doivent être recalculées et réaffichées en permanence, l’illustre bien. Si des fonctions d’archivage viennent encore s’y ajouter, la CPU monocœur, bien que rapide, atteint les limites de sa puissance. L’allocation d’un cœur propre à l’API logiciel est un avantage qui permet à Windows de disposer d’une capacité définie (« une CPU »), indépendante de la charge de la partie temps réel. En pratique cela signifie que dans les ordinateurs Intel® Core™2 Duo dotés de Windows utilisés ici, d’autres applications peuvent être intégrées (p. ex. systèmes de traitement d’image ou d’archivage), ce qui pourra constituer une base pour une solution globale innovante (et économique) pour l’avenir. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 22 / 23 A&D AS / SE SIMATIC PC “SIMATIC PC avec Intel® Core™2 Duo” - Livre blanc Jan. 2008 5 Liens vers le sources et une bibliographie complémentaire Intel® Core™2 Duo chez Intel: http://www.intel.com/products/services/emea/deu/processors/core2duo/300415.htm Intel® Core™ Duo chez Intel: http://www.intel.com/products/processor/coreduo/index.htm Puce Intel® 945GM Express chez Intel: http://www.intel.com/products/chipsets/945gm/index.htm Page Intel® Core™ avec de nombreux autres liens pour des descriptions détaillées de caractéristiques de l’architecture Core™ (livre blanc): http://www.intel.com/technology/architecture/coremicro/ Exposés du « forum des développeurs de processing multicore 2006 » http://www.elektroniknet.de/index.php?id=1304&type=98 Marques Toutes les désignations de produits peuvent être des marques ou des noms de produits dont l’utilisation par des tiers à des fins personnelles peut porter atteinte aux droits de leurs propriétaires. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés La transmission ainsi que la reproduction de ce document, l’utilisation et la diffusion de son contenu sont interdits, sans autorisation expresse. Les infractions sont passibles de dommages et intérêts. Tous droits réservés. Non-responsabilité Nous avons vérifié la concordance entre le contenu de la brochure et les matériels et logiciels décrits. Des divergences ne pouvant cependant pas être exclues, nous ne garantissons pas une conformité intégrale. Les informations contenues dans cette brochure sont contrôlées régulièrement et les corrections nécessaires sont apportées dans les éditions suivantes. Nous vous remercions pour toute proposition d’amélioration. Sous réserve de modifications. Copyright © Siemens AG 2007 Tous droits réservés 23 / 23 A&D AS / SE
