Cu arhitectura cu mobilitate inteligentă, sau SMARC™, SGET a ratificat primul standard de Computer pe Modul independent de producător pentru proiecte ARM/SoC. Specificaţiile au fost dezvoltate special pentru Mobilitate inteligentă (Smart Mobility), cu numeroase aplicaţii care pot beneficia de pe urma acestor module eficiente SFF. În vreme ce standardul era publicat, deja au apărut pe piaţă câteva module şi platforme de evaluare, precum şi kit-uri de start. Aceasta înseamnă că OEM-urile pot începe să dezvolte propriile aplicaţii.
de Gerhard Szczuka
Product Manager COM
Kontron Europe
Noile procesoare ARM de înaltă capacitate, după cum au fost dezvoltate pentru telefoane inteligente şi tablete, de exemplu, impresionează dezvoltatorii cu performanţele lor ridicate şi cerinţele energetice reduse. Mulţumită acestor caracteristici, producătorii de dispozitive, maşini şi sisteme industriale rezistente cu disponibilitate pe termen lung, pot implementa soluţii cu aceste procesoare, soluţii ce nu puteau fi implementate cu configuraţii ARM mai puţin complexe, sau cu configuraţii mai capabile x86. În consecinţă, a fost acoperit un gol foarte atractiv din piaţă, făcând să fie disponibile performanţe mari de grafică şi calcul în gama de dispozitive al căror consum în watt este indicat printr-o singură cifră. Mulţumită consumului energetic redus, fără ventilator, este acum posibilă realizarea de sisteme rezistente şi extrem de compacte. Îndepărtarea căldurii este adesea o problemă de conectare la carcasă. Dar ca regulă, un proiect optimizat de SFF ca acesta necesită un design individual înalt integrat. O posibilă abordare este necesitatea de a permite producătorilor şi inginerilor proiectanţi să integreze această nouă clasă de procesoare în aplicaţiile lor cu cele mai mici cheltuieli de proiectare posibile.
Proiecte cu factor de formă redus – ideal deservite de computere pe modul (COM)
Pentru aceasta, OEM-urile solicită blocuri constructive finalizate care să le permită o mare libertate de proiectare şi compactivitate pentru proiectul particular, minimizând cheltuielile de proiectare şi riscurile. COM-urile (Computer-on-Modules) abordează exact această problematică. Ele integrează componentele de bază ale unui sistem de calcul precum: procesor, controlere relevante, memorie NAND şi memorie principală pe o componentă COTS înalt integrată şi de aici compactă.
Soluţia individuală este proiectată prin plăci purtătoare care să fie dezvoltate într-un mod specific aplicaţiei. Aceste plăci implementează liniile de semnal de la modul la interfeţele sistemului şi integrează componente suplimentare specifice aplicaţiei precum senzori sau controlere. Plăcile purtătoare oferă dezvoltatorilor un înalt nivel de libertate de proiectare pentru dimensiune şi formă: amprenta minimă este definită de dimensiunea modulului. Datorită proiectului foarte sofisticat şi layout-ului COM, placa purtătoare este uşor şi rapid de dezvoltat prin comparaţie cu o placă nouă particulară.
Mediu foarte dinamic
Cu această abordare modulară, producătorii de module îşi iau de pe umeri cheltuielile de integrare a procesorului. Aceasta face din computerul pe modul o alegere ideală pentru dezvoltarea eficientă a proiectelor individuale. Studiile efectuate de IMS şi VDC, din care se poate observa o creştere medie anuală de 25% pentru COM-urile bazate pe ARM până în 2016, arată cât de mare este necesitatea de asemenea blocuri constructive ARM. Această creştere enormă va catapulta zona de comerţ a ARM-COM puţin sub 60% din piaţa totală a COM-urilor.
Urmărind standarde independente de producător
Într-un domeniu dinamic ca acesta, pentru dezvoltatori este important să parieze pe calul câştigător. De aceea este bine de preferat soluţii COM cu standardizare independentă de producător. În esenţă, acestea oferă în mod clar mai multă siguranţă de proiectare decât modulele specifice unor producători. Pentru un succes pe termen lung, aceste standarde trebuie să aibă un suport larg printre producători. Şi nu este vorba numai de producători mici şi medii, ci mai mult decât orice de marii producători.
Toţi pentru unul, dar nu unul pentru toţi
Totuşi, un standard pentru toate tehnologiile, nu este pe de altă parte recomandabil. Standardele independente de producător trebuie să fie proiectate într-un mod consistent şi concentrat. Totuşi, prea multe opţiuni incompatibile una cu alta, diluează forţa unui standard. Ori de câte ori este posibil trebuie evitate forme speciale, soluţii interimare şi funcţii hibride. Dar există un asemenea standard de computer pe modul cu concentrare pe proiecte ARM/SoC?
Standarde COM recunoscute anterior disponibile numai pentru arhitecturi x86
În trecut, dezvoltatorii de soluţii bazate pe ARM nu aveau suport în aceste condiţii. Până de curând, nu exista un standard COM adoptat de un organism independent cu privire la specificaţiile cerute de procesoarele ARM/SoC. Standardele existente precum ETX® şi COM Express®, care sunt cele mai semnificative standarde COM pe plan mondial, au fost dezvoltate pentru arhitecturi x86 şi sunt mai puţin potrivite pentru module cu procesoare ARM sau SoC. Motivul este acela că, datorită cerinţelor foarte diferite pentru sursa de tensiune a componentelor şi uneori cerinţe foarte diferite în termeni de interfeţe, are sens o diluare a acestor standarde.
Noi interfeţe = noi module standard necesare
La urmă, dar nu lipsit de importanţă, ARM-SoC-urile oferă de asemenea alte interfeţe decât platformele x86 pentru aceleaşi sarcini. Interfeţele MIPI sunt un bun exemplu pentru o conexiune de ecran eficientă energetic, şi de asemenea SPI (Serial Peripheral Interface) care este folosită pentru conexiuni periferice generale, în contrast cu Intel x86 unde interfaţa SPI este utilizată numai pentru conexiunea unui dispozitiv de boot.
Procesoarele bazate pe ARM oferă de asemenea alte interfeţe specifice, precum I²S sau – foarte important – diferite porturi pentru camere. Până acum ele nu erau disponibile în setul de caracteristici standard al x86. Dacă se ţine cont de toate acestea, este aparent că toate conceptele cunoscute COM original dezvoltate pentru procesoarele x86 şi I/O nu sunt ideal potrivite pentru proiecte ARM.
Adevăratul factor de formă pentru module
Un factor de formă al modulului centrat pe ARM/SoC este necesar pentru blocurile constructive bazate pe ARM-SoC. Setul de caracteristici trebuie să corespundă exact acestei noi generaţii de procesoare şi, suplimentar, trebuie să aibă o amprentă mică specială pentru aplicaţii SFF. Acest lucru înseamnă că dezvoltatorii nu trebuie să facă un compromis ori să ia în considerare convenţiile x86 care nu sunt relevante pentru proiecte ARM/SoC. Kontron a preluat această sarcină şi a trimis un draft de modul potrivit către Grupul de Standardizare pentru Tehnologii Embedded (SGET). Acest draft a fost acum oficial ratificat.
SMARC™ – noul standard SGET
Odată cu ratificarea specificaţiilor factorului de formă SMARC™, există acum un standard dedicat pentru blocuri constructive bazate pe ARM. SMARC provine de la Smart Mobility ARChitecture. Această arhitectură pentru ARM/SoC este caracterizată de un computer pe modul extrem de plat şi a fost adoptat aproape imediat de SGET. Acest lucru subliniază necesitatea ridicată pentru un nou standard de factor de formă independent de producător şi de asemenea impactul noului grup.
Acest nou standard înseamnă că clienţii pot profita de un drum sigur cu un înalt nivel al disponibilităţii pe termen lung ce asigură de asemenea reutilizarea investiţiei lor. Acest factor ridicat de reutilizare face posibil ca OEM-urile să reducă costurile şi să asigure o lansare rapidă pe piaţă. Şi ele sunt de asemenea independent de producător. În principiu, utilizatorii obţin exact ceea ce a făcut COM Express® în lumea x86, cea mai utilizată specificaţie de modul: un standard exact croit cerinţelor specifice. Acesta oferă un ecosistem extins de produse scalabile şi servicii cu care pot fi implementate rapid şi sigur noi aplicaţii SFF, obţinându-se o cale de migrare sigură.
Grosime mică şi amprentă compactă
Specificaţia SMARC™ descrie un COM extrem de plat bazat pe ARM/SoC, cu consum energetic extrem de redus. Specificaţia defineşte două dimensiuni de module: ‘scurt’ cu 82 mm × 50 mm pentru proiecte economice energetic extrem de compacte şi unul mai mare cu 82 mm × 80 mm pentru SoC-uri posibil viitoare de mai mare capacitate cu un spaţiu crescut şi cerinţe de răcire. Conectorul economic şi dovedit MXM 3.0 a fost ales ca şi conector. Cu înălţimea sa de instalare de numai 4,3mm, pot fi dezvoltate proiecte plate precum tablete sau computere portabile cu o înălţime totală de instalare de mai puţin de 1 cm. Pe parte electrică, modulele SMARC au un total de 314 pini. SMARC™ oferă efectiv 281 de linii de semnal de I/O. Aceasta înseamnă deja cu 50 mai multe decât are de exemplu vechiul conector MXM 2.0. Prin urmare, în mod clar pot fi interoperabile aici interfeţe mai dedicate. SMARC™ poate de aceea suporta o gamă extrem de largă de procesoare dedicate ARM şi SoC, ceea ce cuprinde neomogenitatea procesoarelor ARM.
Gamă largă de produse încă de la început
De când acest concept a impresionat nu numai iniţiatorul încă de la început, primele linii de produse au devenit deja disponibile în acelaşi timp cu ratificarea noului standard SMARC™. OEM-urile se pot adresa deja unei game largi de COM şi plăci de evaluare. La ora actuală există posibilitatea de alegere a unor familii de module SMARC™ cu ARM Cortex™ A8 sau ARM Cortex™ A9. Gama se extinde de la module cu procesor grafic puternic NVIDIA® Tegra® 3 şi familia special scalabilă Freescale i.MX6 cu procesoare single-, dual- şi quad-core, până la Texas Instruments Sitara™ AM3874 cu consum energetic extrem de redus. Prin analiza atentă a caracteristicilor acestor noi module, banda de aplicaţii acoperite devine evidentă.
Modulele NVIDIA® Tegra® 3 pentru aplicaţii grafice puternice
Modulele SMARC™ pe baza procesoarelor NVIDIA’s Tegra® 3 quad-core cu 1,2GHz şi arhitectură ARM® Cortex™ A9 sunt orientate pe aplicaţii centrate pe imagini pentru pieţe precum POS/POI, infotainment, semnalizare digitală, securitate şi monitorizare precum şi tehnologie medicală şi militară. Procesorul grafic integrat NVIDIA-GeForce® face aceste module foarte interesante. Împreună cu ARM el furnizează la ora actuală cele mai ridicate performanţe grafice pentru până la două ecrane independente.
Printre caracteristicile de performanţă remarcabile pot fi menţionate: decodare video HD, inclusiv MPEG2 şi codare video HD.
Suplimentar, modulele oferă suport pentru camere prin două porturi cu linie duală CSI-2. Deşi sunt bazate pe aceeaşi tehnologie de procesor ca şi cele mai performante tablete şi telefoane inteligente disponibile la ora actuală pe piaţa de consum, ele au o disponibilitate tipică embedded pe termen lung de şapte ani.
Modulele Freescale i.MX6 pentru aplicaţii de înaltă scalabilitate şi consum energetic ultra-redus
O grafică atractivă este de asemenea posibilă cu modulele Freescale i.MX6. Dar versatilitatea este – mulţumită înaltului nivel de scalabilitate – chiar mai impresionantă. Performanţa 800MHz ARM® Cortex® A9 se întinde de la single şi dual la quad-core. Această scalabilitate oferă opţiunea de dezvoltare a întregii linii de produse cu diferenţierea de la modelul de nivel entry până la cel mai performant numai prin modulul utilizat.
Aceste module sunt orientate către dispozitive inteligente ce necesită un echilibru între performanţele procesorului şi grafică. În funcţie de designul SoC, ele integrează una sau două motoare grafice independente cu până la 4 sisteme de umbrire 3-D pentru vizualizare precum în realitate. Este de asemenea integrat un decodor şi un codificator video ce poate procesa date video până la full HD (1080p) cu 60Hz. Printre alte avantaje poate fi menţionată disponibilitatea pe termen lung mai mare decât media, de cel puţin 10 ani. Suplimentar, COM-urile SMARC echipate cu aceste procesoare sunt dezvoltate de Kontron pentru a lucra în domeniul extins de temperatură, de la -40°C la +85°C.
Modulele Ti Sitara™ AM3874 pentru aplicaţii sensibile la consum energetic şi preţ
Noile module bazate pe procesor Texas Instruments Sitara™ AM3874 au drept ţintă aplicaţiile sensibile la preţ cu design subţire ARM® Cortex® A8 single-core. Consumul lor extrem de redus le face atractive şi, mulţumită domeniului extins de temperatură de la -40°C la +85°C, ele înfruntă fără efort efectele vântului şi vremii, fiind ideale pentru instalaţii în mediu exterior.
Modulele Ti-Sitara™ suportă accelerare grafică 3-D şi procesare video HD. Pot fi conectate două ecrane independente prin conexiune paralelă 18/24-biţi LCD sau conexiune 18/24-biţi cu un singur canal LVDS şi HDMI. Suplimentar este integrată o interfaţă paralelă de cameră. Alte interfeţe suportate sunt, de exemplu, 2×SPI, 4×I²S, 4×I²C multifuncţional şi o magistrală CAN.
Purtătoare standard şi design particular
Pentru aceste noi module SMARC™ sunt disponibile plăci purtătoare pentru evaluare. În acord cu cerinţele diferitelor soluţii bazate pe ARM pentru interfeţe dedicate, ele suportă diferite interfeţe şi diferite memorii solid-state. Dar o astfel de placă de evaluare standard poate cu greu răspunde cerinţelor aplicaţiilor individuale SFF.
Ca o regulă, o placă purtătoare individuală este cerută pentru aplicaţia specifică. OEM-urile însele pot dezvolta un proiect de placă potrivită. Dar alternativ, majoritatea furnizorilor oferă de asemenea dezvoltarea de plăci purtătoare specifice aplicaţiei; de exemplu, parteneri selectaţi ai Kontron sunt în poziţia de a oferi aceste servicii. Majoritatea producătorilor de module sau revânzătorii acestora oferă de asemenea aceste servicii. Oricum, precondiţia pentru aceasta este o echipă de dezvoltare potrivită, ce are potenţialul de a implementa interfeţe individuale atât în partea de hardware, cât şi în partea de software.
Al doilea bloc constructiv ca importanţă – software-ul
Oferta unui hardware bazat pe standard este numai un bloc constructiv în structura complexă a aplicaţiei SFF de joasă putere. A doua întrebare importantă este: ce se poate spune despre suportul software? Datorită design-ului dedicat al procesoarelor ARM şi legăturii apropiate dintre hardware şi software, dezvoltatorii de aplicaţii solicită un suport software dedicat. Acesta este în special cazul datorat faptului că noile procesoare reprezintă de asemenea o arhitectură de procesor complet nouă pentru unele dintre noile aplicaţii. Astfel care sunt consideraţiile principale? Suportul sistemului de operare contează în primul rând pentru dezvoltare de aplicaţii software: ce OS poate fi utilizat şi este suportat de configuraţia hardware specifică?
Integrarea ridicată în OS – BSP din ce în ce mai importantă
Fiecare producător poate răspunde numai individual pentru modulele lor. Cu toate acestea pot fi stabilite profile generale de cerinţe. În acord cu scopul noilor aplicaţii SFF, sunt necesare în primul rând sisteme de operare mici ce pot fi compilate după cum este necesar cu o amprentă de stocare mică. Peste toate, sunt interesante Linux, Android bazat pe Linux şi Windows Embedded Compact 7. VxWorks incluzând Hypervisor, QNX şi Greenhills sunt potrivite pentru aplicaţii hard de timp real. În acord cu toate aşteptările, versiunile subsecvente Windows sunt de asemenea în curs de a deveni interesante.
Totuşi, în contrast cu platformele x86, o abordare precum cea care a fost făcută cu sisteme de operare x86 nu este posibilă pe ARM-SoC: prima rulare a sistemului de operare şi identificarea driverelor lipsă astfel încât să fie ulterior integrate. Cu tehnologie ARM, precondiţia trebuie să fie creată deja în boot loader prin integrarea şi adaptarea driverelor pentru a suporta platforma dedicată de procesor şi perifericele necesare. Aceasta conduce la o investiţie de implementare mai mare pentru pachete de suport placă decât este cazul proiectelor cu x86. Dacă OEM-urile integrează componente suplimentare prin placa purtătoare, care nu sunt parte a echipamentului standard pentru aceste procesoare, atunci driverele lor trebuie integrate în boot loader. De aceea este absolut necesar un pachet de suport placă pentru modulele bazate pe ARM. Dacă serviciul producătorului hardware ar include drivere de acces la componentele individuale utilizate pe plăcile purtătoare, aceasta ar fi un bonus. Un departament software este necesar să fie disponibil pentru acesta. Apoi el poate oferi direct suport la adaptarea boot loader-ului.
Nou teren: boot loader în loc de BIOS
Unde tehnologia x86 se bazează pe BIOS, la procesoarele ARM încărcarea firmware-ului pe componente individuale este realizată prin boot loader. Aceasta grăbeşte într-adevăr procesul de pornire, dar poate fi un teren nefamiliar pentru multe OEM-uri. Dacă sunt adăugate componente dedicate pe placa purtătoare, ele trebuie de asemenea integrate în boot loader. Şi la fel cum sunt cerute configuraţii BIOS specifice aplicaţiilor, ele trebuie de asemenea create pentru boot loader. Aici întrebarea rămâne deschisă asupra cui poate ajuta dacă este nevoie de experienţă în boot loader. Ideal, această gamă de sarcini trebuie de asemenea acoperită de producătorul modulului hardware, de vreme ce acesta cunoaşte cel mai profund sistemul.
Mai multe servicii software de la producătorul hardware
Serviciile software pe partea producătorilor hardware câştigă în mod clar în importanţă, făcând cât mai uşoară intrarea clienţilor în lumea ARM.
Serviciile software de la producătorii hardware câştigă în mod clar în însemnătate.
Clienţii trebuie de aceea să se asigure că departamentul software al producătorului de hardware embedded este suficient de eficient pentru a fi capabil să implementeze aceste servicii.
Numeroşi producători embedded externalizează aceste servicii. Dar prin perspectiva clientului este în mod clar mai eficient dacă clientul primeşte aceste servicii dintr-o singură sursă, direct de la producătorul modulului. Companii precum Kontron oferă suport software in-house pentru majoritatea produselor. Compania are mai mult de 1000 de ingineri de dezvoltare pe plan mondial. Mai mult de o treime dintre ei lucrează în dezvoltare de software.
Peter Müller declară:
“Cu publicarea standardului SMARC™ pentru COM bazate pe ARM/SoC, piaţa embedded are toate standardele independente de producător pentru toate dimensiunile şi gamele de performanţă necesare. Factorii de formă cu cel mai mare impact mondial sunt de departe ETX®, COM Express® şi în viitor SMARC™. Aceştia sunt clar diferenţiaţi, au profile foarte clare şi de aceea nu se vor înghiţi unul pe celălalt. Acestea sunt cele mai importante criterii de succes pentru proiecte viabile pe termen lung. Unele soluţii par să fie bine realizate. Dar sunt afectate de riscul de a fi strivite de standarde mai clar orientate. Din acest motiv, recomandăm clienţilor noştri să ţină seama de simplitate şi concentrare. Clienţii pot găsi în orice situaţie soluţia de care au nevoie cu ETX®, COM Express® şi SMARC™. Ce să doreşti mai mult?”
www.kontron.com