Până acum, schemele aplicaţiilor bazate pe ARM erau marcate în principal de caracteristicile lor specifice aplicaţiei şi adesea de designul lor complet particularizat. Blocuri scalabile, standardizate special pentru proiecte bazate pe ARM – SOC, pot reduce dramatic costurile de dezvoltare şi pot grăbi lansarea pe piaţă a aplicaţiilor embedded chiar şi cu serii de produse >200. O platformă foarte eficientă pentru aceasta este ULP-COM, un concept Computer-on-Module ce răspunde tuturor aspectelor importante legate de un proiect eficient pentru aplicaţii bazate pe ARM.
de Gerhard Szczuka, IProduct Manager COM, Kontron Europe
Pentru un mare număr de ani, tehnologia ARM a fost stabilită ca tehnologie pentru sisteme dedicate precum set-top boxes, receptoare, comutatoare sau ca simple interfeţe inteligente pentru electrocasnice de înaltă calitate. Noile aplicaţii, precum telefoane inteligente şi tablete, au apărut şi aduc tehnologia ARM mai aproape de aria de aplicaţie a arhitecturii x86. Cu aceasta, tehnologia ARM – datorită enormului său impact de vânzări pe piaţa de consum – a devenit foarte interesantă pentru proiecte embedded. Acest succes de masă face posibilă o foaie de parcurs embedded puternică. De multe ori însă, modelele complet particularizate joacă un rol important, deoarece multe dintre aceste soluții sunt vândute în număr mare.
Sunt necesare blocuri scalabile
Ce se întâmplă însă cu aplicaţiile embedded cu cantităţi ce fac neeconomice proiectele complet particularizate? Aici, dezvoltatorii şi OEM-urile au nevoie de o soluţie de echilibru între timpul de dezvoltare şi costuri pe de o parte şi costul mediu pe de altă parte. Aici este cazul în care blocurile scalabile sunt o soluţie ideală, deoarece OEM-urile pot proiecta rapid şi simplu aplicaţiile lor, oferind maxim de flexibilitate şi securitate a proiectului. Este de asemenea ideal dacă OEM-urile pot integra procesoarele ARM în aplicaţiile lor prin blocuri deja validate. Prin aceasta, OEM-urile pot economisi semnificativ resurse, ce pot reduce considerabil costul total de proprietate al întregii aplicaţii.
Dezvoltarea ARM-COM
Computerele pe module (Computer-on-Modules – COM) sunt asemenea blocuri constructive, câştigând popularitate conceptul COM cu componente suplimentare achiziţionate şi integrate şi plăci purtătoare specifice aplicaţiei. Concluziile IMS Research confirmă această tendinţă. În 2011, 39% din toate vânzările de COM erau module bazate pe ARM, majoritatea cu design complet particularizat. Până în 2016 este aşteptat un procent de 59% din modulele de pe piaţă. Necesitatea pieţei pentru COM-uri bazate pe ARM este gigantică şi va cunoaşte în continuare o puternică creştere. ARM-COM nu vor înlocui proiectele curente x86 dar vor penetra segmente de piaţă în care tehnologia actuală x86 – datorită preţului, puterii şi restricţiilor TDP – nu este capabilă să intre. Aplicaţiile ţintă pot fi găsite predominant în zone cu interfeţe grafice cu control cu ecran tactil, în care are loc upgrade de la ecrane cu linie simplă la suport grafic cu consum minim de putere sau este necesară migrarea de la platforme x86 la ARM. Scenariile de aplicaţii pot fi de exemplu dispozitive medicale, dispozitive portabile în medii dure, dispozitive pentru mediu extern cu alimentare solară, precum parcometre, pompe electrice pentru e-cars sau reclame digitale pentru staţiile de autobuz. Alte exemple pot fi aplicaţiile pentru vehicule pentru managementul flotei sau pentru semnalizare/informare în autobuze şi trenuri, precum şi echipamente de testare mobile, bancomate, cântare şi chioşcuri de informare.
Performanţe ridicate, consum scăzut
De ce sunt procesoarele ARM aşa de interesante pentru COM? Procesoarele curente ARM în configuraţii dual- sau quad-core furnizează performanţe la nivelul procesoarelor Intel Atom. În medie, consumul energetic pe durata operării este de sub 2W. Există de asemenea numeroase ARM-SoC disponibile pentru domenii extinse de temperatură. Aceasta înseamnă că, soluţiile cu răcire pasivă pot fi ţinute foarte simple, putând fi create dispozitive compacte şi economice. Cerinţele pentru ARM SoC în termeni de sursă de tensiune sunt mult mai mici decât necesităţile de procesare a tensiunii necesare pentru platformele x86, reducând în continuare eforturile de dezvoltare şi costurile. Mai mult, procesoarele ARM asigură o disponibilitate pe termen lung de până la 15 ani.
În continuare nu există un standard COM uniform
Procesoarele ARM, aduc proiectelor eficienţa lor energetică ridicată, fiind croite pentru a răspunde scenariilor specifice aplicaţiilor. Diferite de tehnologia x86, ce conectează periferice specifice aplicaţiei şi interfeţe prin magistrale generice de date precum PCI, PCI Express sau USB, procesoarele ARM integrează controlere dedicate şi interfeţe. Această formă dedicată de I/O a diferitelor ARM SoC a condus la proiectele COM patentate ce au fost dezvoltate uzual pe un ARM SoC specific. O problemă suplimentară este aceea că ARM SoC utilizează interfeţe diferite faţă de cele utilizate de tehnologia x86 pentru sarcini similare. Un exemplu sunt interfeţele MIPI pentru display-uri mici şi ieftine şi camere, diferite de DisplayPort sau USB în cazul proiectelor x86. SPI (Serial Peripheral Interface) în locul PCI sau PCI Express este utilizat în proiectele ARM mult mai des pentru conectarea perifericelor şi dispozitivelor de stocare de date sau modulele de extensie sunt conectate prin SDIO şi rar prin SATA. Astfel, conceptele COM precum Qseven sau Core Express®, original dezvoltate pentru procesoarele x86 nu sunt ideale pentru proiecte ARM. Dacă trebuie să se păstreze în cadrul specificaţiilor, variantele ARM pot avea numai cel mai mic numitor comun din interfeţele implementate. Aceasta limitează considerabil utilizarea acestor module, după cum pinii nedefiniţi pot fi utilizaţi de orice producător pentru diferite motive. Cu aceasta se spulberă una dintre ideile de bază a tehnologiei COM, surse diferite şi sigure de documentaţie standard. La ora actuală nu există disponibil un computer pe modul care să satisfacă aşteptările specificaţiilor COM care sunt cât se poate de universale.
Este necesar un nou standard
Pentru a putea crea un astfel de standard COM multifuncţional şi disponibil pe termen lung – ceea ce s-a atins pentru x86 cu COM Express® – trebuie să fie create noi specificaţii COM. Trebuie să fie dezvoltată o platformă care, pe baza conectorului său plug-in şi cea mai largă selecţie posibilă de interfeţe specifice ARM, integrează câteva SoC-uri cu diferite clase de performanţe. Împreună cu alte firme embedded de succes pe plan mondial, Kontron a dezvoltat un standard de Computer-on-Module special proiectat pentru ARM şi SoC-uri ce oferă industriei o ieşire de pini optimizată şi cel mai înalt nivel de siguranţă: ULP-COM. Cu această nouă specificaţie Kontron a făcut posibil ca OEM-urile să reducă timpul de dezvoltare pentru aplicaţiile bazate pe ARM cu aproximativ nouă luni.
Specificaţiile ULP-COM
Noile specificaţii pentru COM de putere ultra-joasă (ULP – Ultra Low Power) au fost gândite pentru a răspunde cerinţelor tipice pentru aplicaţii mobile şi adesea alimentate la baterii.
Dispozitivele mobile, precum tabletele embedded, trebuie să aibă o construcţie subţire, oferind însă loc pentru componente adiţionale sau pentru noi SoC-uri cu performanţe mai ridicate. De aceea, ULP-COM specifică încă de la început două dimensiuni diferite de module: un modul mai scurt cu 82 mm × 50 mm şi un modul cu dimensiune completă de 82 mm × 80 mm. “Lăţimea” modulului de 82 mm este definită de conector şi de aceea nu poate fi modificată. Modulul scurt este potrivit pentru dispozitive portabile compacte, ce încap în mâna închisă. Modulele cu dimensiune completă oferă suficient spaţiu de exemplu pentru proiecte viitoare de SoC-uri cu performanţe mai mari ce necesită mai mult spaţiu pentru disipare de căldură. Standardul oferă o mare flexibilitate încă de la început şi suficient spaţiu pentru dezvoltări ulterioare.
Proiecte compacte şi plate
Una dintre cele mai importante caracteristici ale acestor noi aplicaţii este construcţia plată a modulelor. Conectorul dintre modul şi placa purtătoare are cea mai mare influenţă. El dictează grosimea minimă posibilă. Modulele ULP-COM se bazează pe conectorul plug-in MXM 3.0. Acesta are o grosime de numai 4,3mm, permiţând proiecte plate cu o distanţă placă la placă de numai 1,5mm.
Aplicaţiile cu o grosime totală de sub 9 mm sunt posibile, grosimea fiind apoi influenţată numai de interfeţele pe care le solicită clientul. Conectorul plug-in s-a dovedit sigur în funcţionare pentru plăci video dedicate în notebook-uri şi este disponibil la câţiva producători. Astfel nu este doar binecunoscut ci este şi o soluţie ieftină şi disponibilă pe termen lung.
Linii numeroase de semnal
Pe parte electrică, conectorul oferă un total de 314 pini. 33 sunt rezervaţi ca linii de semnal pentru sursa de tensiune şi masă, astfel că ULP-COM oferă efectiv 281 de linii de semnal. Aceasta înseamnă 50 mai mult decât are de exemplu conectorul MXM 2.0, care, printre altele, este utilizat de Qseven COM.
O capacitate mare de semnal este un element foarte important, deoarece numărul disponibil de pini de semnal este baza pentru cele mai extensive şi versatile în acelaşi timp ieşiri de pini pentru computere pe module. În acest fel, pe conector pot fi specificate interfeţe mult mai dedicate.
O caracteristică specială pentru ULP-COM este aşa numita Alternate Function Block (AFB) – bloc de alternare a funcţiilor. Aceasta este stabilită pentru 20 de linii de semnal ce sunt rezervate în specificaţiile curente pentru utilizare specifică aplicaţiei şi producătorului. În versiunile viitoare ale specificaţiilor acestor linii de semnal rezervate li se pot atribui noi funcţii standard. Aceasta asigură că specificaţiile pot încorpora flexibil viitoare dezvoltări tehnice care astăzi nu sunt nici măcar pe plăci, păstrând în acelaşi timp compatibilitatea cu proiectele existente.
Primele module disponibile în curând
Kontron dezvoltă deja primele 3 COM în acord cu noile specificaţii ULP-COM. Primul modul este Kontron ULP-COM-sAT30. În acord cu specificaţia ULP-COM modulul măsoară numai 82 mm × 50 mm şi integrează procesorul Cortex A9 de la Nvidia Tegra 3 Quadcore cu 800 MHz. Modulul este destinat pentru aplicaţii orientate către grafică precum semnale digitale sau media playere. Pentru a răspunde acestor aplicaţii, el oferă grafică superioară high-end cu interfeţe dedicate pentru două ecrane independente, inclusiv decodare video HD accelerată hardware pentru MPEG2 şi codare video HD precum şi accelerare 2D şi 3D. Conectarea flexibilă a display-ului este realizată prin LCD paralel, LVDS 18 biţi cu un singur canal şi HDMI. Mai mult, Kontron ULP-COM-sAT30 suportă conexiune de cameră prin două porturi de cameră CSI dual-lane.
Al doilea modul este înalt scalabilul Kontron ULP-COM-sAMX6i cu tehnologie ARM® Cortex A9 single, dual sau quad core. Având la bază seria de procesoare Freescale i. MX6, el acoperă o plajă de performanţă mare cu un echilibru între performanţele de procesor şi cele grafice. Kontron ULP-COM-sAMX6i depăşeşte scala tradiţională a longevităţii cu disponibilitatea lor de cel puţin 10 ani.
Mai mult, el suportă prin proiectare un domeniu extins de temperatură de la -40°C la +85°C. Astfel, această nouă familie de module este ideală pentru sectoarele de piaţă ce necesită rezistenţa cea mai ridicată şi cea mai mare disponibilitate pe termen lung, precum de exemplu transport, medical şi militar bazate pe software cu standarde deschise.
Al treilea modul ULP-COM va apărea în curând. El va fi bazat pe Texas Instruments Sitara AM3874 cu microprocesor (MPU) ARM® Cortex™-A8 şi va furniza o gamă largă de opţiuni pentru integrare în aplicaţii industriale. Aceste module oferă periferice pentru conectivitate în bandă largă precum SATA, Dual CAN, PCI Express (PCIe) şi un switch Ethernet Gigabit.
Standard independent de producător
Cu toate aceste avantaje tehnice ale specificaţiilor ULP-COM, apare întrebarea legată de ofertele de module şi servicii independente de producător precum şi supervizarea de către un grup de experţi independent de producător. Acesta este un criteriu major pentru a asigura că un standard devine cu adevărat un standard. Kontron şi Adlink se bazează pe nou fundatul grup de standardizare independent de producător SGET (Standardization Group for Embedded Technologies). SGET a primit deja pentru ratificare specificaţiile ULP-COM. Grupul de lucru al SGET şi-a planificat să examineze aceste specificaţii şi să-l aprobe cât de curând posibil ca specificaţii oficiale SGET. Sunt dezvoltate mai multe module şi plăci purtătoare cu mai multe companii embedded precum ADLINK, Fortec şi Greenbase.
Kontron are deja disponibilă o placă purtătoare şi un kit de start în curs de apariţie ce va deveni disponibil în trimestrul 4. Acesta permite clienţilor să înceapă imediat testarea platformelor embedded dorite. Pe lângă aceste produse standard, Kontron oferă de asemenea servicii complementare extinse pentru platformele sale pentru a grăbi integrarea hardware şi software.
Servicii software
Pe lângă obţinerea unui design hardware corespunzător, ARM necesită un suport substanţial pe parte de software. Pentru a pava calea dezvoltatorilor spre a pătrunde cât mai uşor în tehnologia ARM, Kontron oferă o gamă largă de servicii software. Deoarece ARM nu dispune de un BIOS, pentru start este responsabil un bootloader, iar de restul are grijă sistemul de operare. Dacă aplicaţia trebuie de exemplu să ruleze în sistemul de operare Android, pentru a profita de un Look & Feel uniform pe toate platformele, fiecare procesor ARM trebuie să îndeplinească nişte cerinţe iniţiale clare. Un kernel Linux optimizat pentru ARM trebuie să fie echipat cu drivere pentru perifericele necesare şi pregătit pentru operare prin câteva instrucţiuni de corecţie. Aceasta este baza pe care framework-ul aplicaţiei pe Android poate fi impus. Acest lucru trebuie proiectat astfel încât să se creeze un Look & Feel uniform pe diferite dispozitive. Android realizează acest lucru prin integrarea unui HAL (Hardware Abstraction Layer) ce prezintă framework-ul aplicaţiei cu interfeţele la hardware sub formă de module abstracte. Se solicită astfel producătorilor de hardware bazat pe ARM să garanteze cumva că toate componentele sunt disponibile respectiv ca module HAL pentru nivelul software şi mai mult sunt ancorate în framework-ul aplicaţiei. Efortul necesar în termeni de integrare în sistemul de operare este considerabil. Kontron are o soluţie ce salvează clienţii de a avea grijă de această muncă mare consumatoare de timp.
Platformele hardware ARM sunt oferite nu doar simple, ci echipate direct cu suportul software potrivit şi, dacă este solicitat, cu licenţele necesare.
www.kontron.com