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3-2013

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Single-Board-Computer/Boards Die ganze Bandbreite an Computer-on-Modules: Von High-End x86 bis ultra-low Power ARM Autor: Hubert Hafner ist Product Manager für Computer-on- Modules bei Kontron Computer-on-Modules gibt es in jeder Embedded Performanceklasse: von High-End x86er Prozessoren bis hin zu ultralow Power-ARM-Prozessoren. Sie überzeugen durch den fertigen Computing-Core inklusive Betriebssystem- und Treibersupport, der die Implementierung neuester Prozessortechnologie in individuelle Designs deutlich erleichtert und beschleunigt. Wichtig ist jedoch, dass Entwickler je nach Prozessortechnologie auch die passenden Computeron-Module-Standards einsetzen. Kontron setzt auf COM Express für x86 und Power Architecture und SMARC für ARM/SoCs. Seit mehr als einem Jahrzehnt arbeiten sie bereits erfolgreich in einer Vielzahl von Anwendungen, die sogenannten Computer-on-Modules. Ob in POS- Systemen, industriellen Anlagen oder Sicherheits- und Medizinanwendungen – die (nahezu) kompletten Computer zum Aufstecken auf ein Carrierboard versorgen immer mehr Maschinen und Geräte mit Computing- Funktionen. Dies, weil Computer-on-Modules das individuelle Systemdesign deutlich vereinfachen, und zum anderen, weil sie Systemdesigns über einen einfachen Moduletausch über Prozessorgenerationen hinweg aktuell halten können. Die Weichen für die Erfolgsgeschichte haben dabei die ETX- Spezifikation aus 2000 sowie der nachfolgende COM Express- Standard aus 2005 gestellt. Und COM Express ist auch für portable x86er Designs im Handheld-Format bestens ausgerüstet, da dieser Formfaktor mit COM Express mini auch kreditkatengroße Module unterstützt. Insofern ist COM Express der universale Formfaktor-Standard für x86er Designs. Zudem ist er auch für die Power Architecture geeignet, weil er exakt die Eigenschaften mitbringt, die man für die Leistungsklasse der 32/64 bit Freescale QorIQ P2020/P5020 Prozessoren benötigt. Das ist besonders effizient und macht das gesamte Ökosystem für COM Express auch für diese Prozessorklasse verfügbar. Die neue Leistungsklasse bei Cortex A8/A9-Designs Seit einigen Jahren neu auf dem Markt sind jedoch ARM- Prozessoren, die beispielsweise in Tablet-PCs zum Einsatz kommen. Diese kann man ebenfalls sehr gut in Embedded Designs einsetzen, weil sie vergleichsweise große Grafik- und Rechenperformance im unteren einstelligen Wattbereich bieten. Das ist attraktiv für so manches HMI im stationären Bereich aber auch für rugged Tablets und Handheld-Systeme sowie batteriebetriebene Outdoor-Lösungen. Und da die Kombination ARM/ SoC auf COM sehr attraktiv ist, gehen Analysten auch davon aus, dass ARM basierte Modul- Lösungen stark nachgefragt werden: Wie groß der Bedarf nach solchen ARM-Building-Blocks ist, belegen dabei Studien von IMS und VDC, aus denen man für ARM basierte COMs bis 2016 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von rund 25% ableiten kann. Dieses enorme Wachstum wird den Anteil der gehandelten ARM-COMs auf knapp 60% des gesamten COM- Markts katapultieren. Für diese Prozessoren aber nun ebenfalls die COM Express-Spezifikation zu nutzen, erscheint nicht sinnvoll, da mit ARM in der Summe eher deutlich kleinere denn vergleichbar große Designs umgesetzt werden. Zudem nutzen ARM-SoCs für ähnliche Aufgaben andere Schnittstellen. Exemplarisch seien hier MIP-Interfaces für eine energieeffiziente Displayanbindung genannt sowie das Serial Peripheral Interface (SPI), welches für allgemeine Peripherieanbindung genutzt wird im Gegensatz zu x86, wo die SPI-Schnittstelle bisher nur zur Anbindung eines Boot-Device verwendet wird. Auch kommen sie mit zum Teil vollkommen neuen Interfaces wie beispielsweise I²S für Audio oder dedizierten Kameraeingängen daher, die man auf bestehende x86er COM-Spezifikationen nicht einfach integrieren kann, ohne einen Standard aufzuweichen. Es musste also etwas Neues geschaffen werden um dieser neuen Prozessorgeneration auch nachhaltig und ohne Kompromisse gerecht werden zu können. SMARC - der neue Standard Mit Veröffentlichung der SMARC Formfaktor-Spezifikation der Standardization Group for Embedded Technology (kurz SGET) existiert nun ein solcher dedizierter Standard für ARM basierte Building Blocks. SMARC steht für Smart-Mobility-ARChitektur. Diese Architektur für ARM/SoC zeichnet sich durch extrem flache Computer-on-Modules aus. Kunden profitieren durch diesen neuen Standard von einer zuverlässigen Roadmap mit hoher Langzeitverfügbarkeit, die auch die Weiterverwertbarkeit ihrer Investitionen sicherstellt. Der hohe Re-Use-Faktor von standardisierten COMs macht es möglich, dass OEMs ihre Kosten senken und schnelle Markteinführungszeiten sicherstellen können. Und sie sind damit auch herstellerunabhängig. So erhalten Anwender genau das, was COM Express in der x86er Welt zur meistgenutzten Module-Spezifikation gemacht hat: Einen genau auf die spezifischen Anforderungen hin maßgeschneiderten Standard. Dieser bietet ihnen ein umfassendes Ökosystem an skalierbaren Produkten und Services, mit denen sie neue SFF-Applikationen schnell und zuverlässig umsetzen können und einen sicheren Migrationspfad erhalten. Geringe Bautiefe und kompakter Footprint Die SMARC-Spezifikation beschreibt extrem flache ARM/ SoC basierte ultra low-power 18 PC & Industrie 3/2013

Single-Board-Computer/Boards Bild 2: Die neuesten Kontron SMARC-Module setzen Prozessoren wie NVIDIA Tegra 3, Freescales i.MX6 oder Ti Sitara AM3874 ein und zielen auf mobile wie stationäre Devices mit attraktiver Performance im unteren einstelligen Wattbereich. Bild 3: Auf COM Express bietet Kontron die gesamte Bandbreite an x86er Prozessorperformance an: Intel-Core- und AMD-R-Series- Prozessoren auf COM Express basic und compact bis hin zu Atom- Designs auf COM Express mini. Computer-on-Module. Sie definiert zwei Modulgrößen: „Short“ mit 82 x 50 mm für extrem kompakte low-power Designs sowie eine größere mit 82 x 80 mm für mögliche kommende, leistungsfähigere SoCs mit einem erhöhten Platz- und Kühlungsbedarf. Als Konnektor wurde der erprobte und kostengünstige MXM 3.0 Steckverbinder gewählt. Mit seiner Bauhöhe von lediglich 4,3 Millimetern lassen sich damit besonders flach bauende Designs wie Tablets oder Wearable-Computer mit einer Gesamt-Bauhöhe entwickeln, die unter einem Zentimeter liegt. Auf der elektrischen Seite führen SMARC-Module insgesamt 314 Pins aus. Effektiv bietet SMARC 281 I/O-Signalleitungen. Das sind schon 50 mehr als beispielsweise der alte MXM- 2.0-Konnektor insgesamt aufweist. Es lassen sich hier folglich deutlich mehr dedizierte Interfaces interoperabel spezifizieren. Dadurch kann SMARC ein extrem breites Angebot an dedizierten ARM- und SoC-Prozessoren unterstützen, was auch der Heterogenität der ARM-Prozessoren entgegenkommt. Breite Produktpalette von Anfang an Und da dieses Konzept von Anfang an nicht nur den Initiator überzeugt hat, stehen bereits zeitgleich zur Ratifizierung des neuen SMARC-Standards die ersten Produktlinien zu Verfügung. OEMs können damit also direkt auf ein breites Angebot an Computer-on-Modules und Evaluationboards zurückgreifen wobei für diese Prozessorklasse auch intensiver Integrationssupport auch softwareseitig angeboten wird. Auswählen kann man derzeit SMARC-Modul- Familien mit ARM Cortex A8 oder ARM Cortex A9-Designs. Das Angebot reicht dabei von Modulen mit dem grafikstarken NVIDIA Tegra-3-Prozessor über Freescales besonders breit skalierbare i.MX6 Familie mit Single-, Dual- und Quadcore Prozessoren bis hin zum ultra-low Power Texas Instruments Sitara AM3874. Gibt es Alternativen Mit der Veröffentlichung des SMARC-Standards für ARM/ SoC basierte Computer-on- Modules hat der Embedded Markt alle herstellerunabhängigen Standards für alle Footprints und Performance Ranges, die benötigt werden. Die weltweit mit Abstand führenden Formfaktoren ETX und COM Express sowie in Zukunft SMARC differenzieren dabei stark und haben ein klar geschärftes Profil. Damit können sie sich auch nicht gegenseitig kannibalisieren. Das sind die wichtigsten Erfolgskriterien für langfristig zukunftsfähige Designs. Manche alternative Lösungen erscheinen zwar generell von gutem Handwerk. Sie laufen aber Gefahr, zwischen den deutlich klarer ausgerichteten Standards zerrieben zu werden. Aus diesem Grund ist zu empfehlen, auf diese Geradlinigkeit und Fokussierung zu achten. Kunden können bei ETX, COM Express und SMARC auf jeden Fall jede Lösung bekommen, die sie brauchen. • Kontron AG sales@kontron.com www.kontron.de Bild 4: Das besonders energie- und kosteneffiziente Kontron ETX- Modul mit AMD Embedded G-Series APU T16R verlängert die aktive Laufzeit PCI/ISA-basierten Applikationen mindestens bis 2018. Bild 5: Mit Freescale QorIQ auf COM Express lässt sich nun auch die Entwicklung von embedded Datenverarbeitungssystemen deutlich beschleunigen. PC & Industrie 3/2013 19

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