Autor: Gerhard Szczuka - Product Manager pro moduly COM u společnosti Kontron.
Sdružení SGET, Standardization Group for Embedded Technologies, ratifikovalo nový standard SMARC, Smart Mobility Architectures, první nezávislý standard pro moduly COM (Computer-on-Module) s procesory ARM/SoC. Specifikace byla vyvinuta speciálně pro dopravní techniku a systémy, tzv. smart mobility. V systémech automatického řízení dopravy je množství stacionárních zařízení, kde lze tyto moduly formátu SFF (Small Form Factor) velmi efektivně využít. Hned poté, co byl standard publikován, byly na trh uvedeny první moduly, vývojové platformy a sady. To znamená, že výrobci dopravní techniky a systémů mohou okamžitě začít s vývojem zařízení využívajících moduly podle nového standardu.
Nové procesory ARM, vyvinuté např. pro chytré telefony a tablety, zaujaly vývojáře svým velkým výpočetním výkonem a malou spotřebou energie. Díky těmto charakteristikám mohou výrobci spolehlivých a odolných průmyslových zařízení s výhodou využívat vestavné řídicí systémy založené na těchto procesorech tam, kde jsou možností dřívějších procesorů ARM příliš omezené a kde nejsou třeba výkon a funkce nabízené procesory x86. Nové procesory tudíž vyplnily velmi atraktivní mezeru na trhu: mají relativně velký výpočetní výkon a možnosti zpracování grafiky a přitom příkon je v řádu jednotek wattů.
Díky malé spotřebě elektřiny je možné konstruovat extrémně kompaktní a odolná zařízení s pasivním chlazením. Odvod tepla je často možné vyřešit jednoduše tepelně vodivým spojením procesorového modulu s krytem zařízení. Je však pravidlem, že optimalizovaný návrh systému SFF vyžaduje velmi individuální přístup, který umožní mj. také strojním konstruktérům vhodně integrovat moduly podle nového standardu do navrhovaných strojů a zařízení.
Výrobci strojů a zařízení (OEM) potřebují hotové konstrukční bloky, které jim dají velkou svobodu při návrhu konstrukce, umožní, aby celé zařízení bylo velmi kompaktní, a současně efektivně minimalizují náklady na vývoj a vývojová rizika. Moduly COM, Computer-on-Modules, jsou to pravé. Jsou v nich integrovány klíčové komponenty počítačového systému, jako procesor, potřebné ovladače, paměť NAND a hlavní paměť. Celek je vysoce integrovaný a kompaktní produkt dodávaný jako katalogová položka (COST).
Individuální systémy jsou navrhovány prostřednictvím aplikačně specifické nosné desky. Na ní jsou implementovány signálové linky z procesorového modulu na rozhraní systému a integrovány další aplikačně specifické komponenty, jako snímače a ovladače. Nosné desky dávají vývojářům zvláště vysoký stupeň konstrukční volnosti s ohledem na jejich velikost a tvar: jen velmi malá část desky je dána půdorysem modulu. Díky velmi sofistikované konstrukci modulů COM je vývoj nosné desky výrazně jednodušší a rychlejší ve srovnání se situací, kdy by bylo nutné vyvíjet celý uživatelsky specifický modul.
Modulární přístup s sebou nese, že starost o integraci procesorů na sebe berou sami výrobci modulů. Díky tomu jsou moduly COM ideální pro efektivní vývoj individuálních zařízení. Podle studií firem IMS a VDC je do roku 2016 průměrný očekávaný roční nárůst počtu vyrobených modulů COM s procesory ARM 25 %. To dokazuje, jak velká je poptávka po takových stavebních blocích s ARM. Enormní nárůst jejich počtu způsobí, že podíl modulů ARM-COM na celém trhu modulů COM bude těsně pod hranicí 60 %.
V tak dynamickém prostředí je pro vývojáře velmi důležité, aby „vsadili na správného koně“. Proto by měli dávat přednost systémům s moduly COM navrženým podle standardů nezávislých na konkrétním výrobci. Ty konec konců nabízejí spolehlivější vývojářské řešení než moduly specifické pro jednoho výrobce. Pro dlouhodobý úspěch by takové standardy měly mít mezi výrobci OEM zvláště širokou podporu. A to nejen mezi těmi malými a středními, ale zvláště mezi velkými.
Na druhou stranu nelze doporučit, aby pro všechna technická zařízení byl používán jen jeden standard. Nezávislé standardy mají být navrhovány konzistentně a s možností úprav, ovšem příliš mnoho možností, odchylek a variant, které nejsou vzájemně kompatibilní, snižuje sílu standardu. Speciálním formátům, provizorním řešením a hybridním funkcím by se konstruktéři měli pokud možno vyhýbat. Ovšem existují standardy pro moduly COM, které by se soustředily na procesory ARM/SoC?
V minulosti neměli konstruktéři zařízení s procesory ARM žádnou oporu ve standardech. Až dosud nebyl k dispozici žádný nezávislý standard pro moduly COM, který by bral ohled na specifika procesorů ARM/SoC. Existující standardy, z nichž celosvětově nejvýznamnější jsou ETX nebo COM Express, byly vyvinuty s ohledem na architekturu procesorů x86 a pro moduly s procesory ARM/SoC jsou méně vhodné. Vzhledem k velmi rozdílným požadavkům na napájení i na požadovaná rozhraní nemá příliš velký smysl tyto standardy upravovat pro ARM.
V neposlední řadě, procesory ARM/SoC vyžadují pro stejné úlohy jiná rozhraní než moduly na platformě x86. Dobrým příkladem je rozhraní MIPI pro energeticky úsporné připojení displejů, a také sériové rozhraní SPI (Serial Peripheral Interface), které se u modulů ARM používá obecně pro připojení periferních zařízení, zatímco u procesorů Intel x86 je vyhrazeno pro připojení bootovacích zařízení. Procesory ARM mají také specifická rozhraní, jako např. I²S nebo – velmi důležité – nejrůznější rozhraní pro připojení výstupů kamer. Ta dosud u procesorů x86 ve standardním provedení nejsou dostupná. Vezmete-li to vše v úvahu, je zjevné, že standardy COM původně vyvinuté pro procesory x86 a jejich I/O nemohou být vhodné pro moduly s ARM.
Obr. 1. Moduly založené na ARM/SoC s jejich rozhraními optimalizovanými pro malou spotřebu potřebují své vlastní standardy
Pro stavební bloky ARM/SoC jsou skutečně nutné formáty a standardy určené speciálně pro tyto procesory. Soubor vlastností a funkcí musí přesně odpovídat nové generaci procesorů a moduly navíc musí mít zvláště malé rozměry, vhodné pro systémy SFF. To znamená, že vývojáři nemusí dělat žádné kompromisy nebo brát ohled na konvence standardů pro x86, které nejsou relevantní pro moduly s procesory ARM/SoC. Úkol vyvinout návrh takového standardu pro sdružení SGET na sebe vzala firma Kontron. Tento návrh byl nyní oficiálně ratifikován.
Nyní, po ratifikaci specifikace formátu SMARC™, existuje první standard pro stavební bloky založené na ARM. SMARC je zkratka pro Smart Mobility ARChitecture. Tato architektura pro ARM/SoC, charakterizovaná extrémně plochou konstrukcí modulů COM, byla sdružením SGET přijata bez průtahů. To zdůrazňuje velkou poptávku po novém nezávislém standardu, ale také vliv nové skupiny SGET.
Nový standard přináší zákazníkům užitek v podobě spolehlivé perspektivy vývoje a zajištění dlouhodobé dostupnosti, jejímž důsledkem je potom možnost opakovaného využití nákladů investovaných do vývoje. Vysoký stupeň opakovatelnosti použití přináší výrobcům strojů a zařízení snížení jejich nákladů a umožňuje jim zkrátit dobu potřebnou pro uvedení nového zařízení na trh. A navíc nejsou závislí na jednom výrobci. Stručně řečeno, uživatelům nový standard přináší přesně to, co jim přinesl ve světě x86 standard COM Express, jenž se stal nejvíce používanou specifikací vestavných modulů: je to standard vyvinutý na míru specifickým požadavkům trhu. To vytváří rozsáhlý „ekosystém“ produktů různé kategorie a výkonu, a také služeb, díky nimž je implementace systémů SFF rychlá a bez obtíží a migrační cesta spolehlivě vede k cíli.
Specifikace SMARC™ popisuje moduly založené na ARM/SoC, extrémně ploché a s velmi malou spotřebou. Definovány jsou dvě velikosti modulů: „krátký“ modul s rozměry 82 mm × 50 mm pro extrémně kompaktní moduly s malou spotřebou a větší modul 82 mm × 80 mm pro budoucí SoC s větší kapacitou, které budou potřebovat větší prostor a budou mít větší požadavky na chlazení. Jako konektory byly vybrány osvědčené a levné konektory MXM 3.0. S výškou instalace pouhých 4,3 mm jsou zvláště vhodné pro plochá zařízení, jako např. tablety a přenosné počítače, a umožňují navrhovat moduly s celkovou výškou instalace menší než jeden centimetr.
Po elektrické stránce mají moduly SMARC celkem 314 pinů. Moduly SMARC mají celkem 281 I/O linek, to je např. o téměř padesát více než u starého konektoru MXM 2.0. Proto může být specifikováno mnohem více dedikovaných rozhraní jako interoperabilních. SMARC™ tak může podporovat velmi širokou paletu procesorů ARM a SoC, a tím je schopen pojmout heterogenní nabídku procesorů ARM.
A protože tento koncept od úplného začátku nebyl záležitostí jen jeho iniciátora, první řady produktů byly uvedeny na trh současně s ratifikací standardu SMARC™. Výrobci OEM mohli přímo sáhnout do bohaté nabídky modulů COM a vývojových desek. V současné době je možné vybírat ze skupin modulů SMARC™ s architekturou ARM Cortex™ A8 nebo ARM Cortex™ A9. Nabídka zahrnuje moduly s procesory NVIDIA® Tegra® 3 pro graficky náročné úlohy, moduly s jedno- dvou- nebo čtyřjádrovými procesory i.MX6 Freescale a moduly s procesory Sitara™ AM3874 od Texas Instruments, které se vyznačují extrémně malou spotřebou. Rozsah úloh, které nové moduly pokrývají, se lépe ukáže při bližším pohledu na jejich technické vlastnosti.
Moduly SMARC™ s čtyřjádrovými procesory NVIDIA Tegra® 3 s taktovací frekvencí 1,2 GHz a architekturou ARM® Cortex™ A9 jsou orientovány na graficky náročné úlohy, např. POS/POI, informační a zábavní kiosky, proměnné reklamní panely, dohledové a zabezpečovací systémy, zdravotnickou techniku nebo vojenskou techniku. Zvláště zajímavý je tento modul díky integrovanému grafickému procesoru GPU NVIDIA-GeForce®, který poskytuje velký výpočetní výkon pro zpracování grafiky pro až dva nezávislé displeje.
Mezi jeho vynikajícími parametry a funkcemi jsou dekódování HD videa a kódování MPEG2 a HD. Navíc podporuje kamery s dvě porty dual-lane CSI-2. Ačkoliv je založen na stejné procesorové technice jako nejvýkonnější tablety a chytré telefony, které jsou v současné době na spotřebním trhu, má garantovanou dostupnost sedm let, typickou pro vestavné systémy.
Také moduly s Freescale i.MX6 mají přitažlivé schopnosti zpracování grafiky. Ovšem jejich univerzálnost je, díky velké míře škálovatelnosti, ještě zajímavější. Jejich procesory 800 MHz ARM® Cortex® A9 mohou být jednojádrové, dvoujádrové i čtyřjádrové. Taková škálovatelnost umožňuje vyvíjet celou řadu koncových výrobků od základního modelu k modelu high-end, které se navzájem liší potřebou výpočetního výkonu, s jediným typem vestavného modulu.
Tyto moduly se orientují na inteligentní zařízení, která potřebují vyvážený výpočetní výkon i výkon pro zpracování grafiky. V závislosti na architektuře SoC obsahují jeden nebo dva nezávislé grafické procesory s až čtyřmi 3D shadery pro vyspělou vizualizaci. Integrovaný dekodér a enkodér videa může zpracovávat videosignály až do full HD (1 080 p) s obnovovací frekvencí 60 Hz. Mezi dalšími přednostmi je třeba zmínit nadprůměrnou dostupnost minimálně deset let. Navíc moduly SMARC COM vybavené tímto procesorem a vyvinuté firmou Kontron mají rozšířený rozsah pracovních teplot -40 °C až +85 °C.
Nové moduly založené na procesoru Texas Instruments Sitara™ AM3874 s jednojádrovou architekturou ARM® Cortex® A8 jsou orientované zvláště na obory citlivé na cenu. Pro mnohé zákazníky jsou přitažlivé také jejich extrémně malá spotřeba a rozšířený rozsah pracovních teplot -40 °C až + 85 °C. Snadno odolávají větru a dešti, a jsou proto vhodné pro venkovní instalace.
Moduly Ti Sitara™ podporují 3D grafické akcelerátory a zpracování HD videa. Pomocí paralelního rozhraní 18/24 bitů LCD nebo jednokanálových rozhraní 18/24 bitů LVDS a HDMI je možné připojit dva nezávislé displeje. Navíc je na modulu integrované paralelní rozhraní pro kameru. Mezi dalšími rozhraními jsou např. dvě SPI, čtyři I²S, čtyři multifunkční I²C a duální CAN.
K dispozici jsou také standardní nosné desky pro vývoj zařízení s moduly SMARC™. Protože různá zařízení s ARM vyžadují svá dedikovaná rozhraní, podporují nosné desky rozličná rozhraní a různé polovodičové paměti. Ovšem standardní vývojové desky mohou jen těžko splnit požadavky individuálních systémů SFF.
Zpravidla jsou tedy pro specifické aplikace požadovány zákaznické nosné desky. Mohou si je vyvíjet a přizpůsobovat i sami výrobci OEM. Jako alternativu k vlastnímu vývoji nabízejí mnozí dodavatelé aplikačně specifické nosné desky podle požadavků zákazníka; tuto službu mohou nabídnout např. také vybraní obchodní partneři společnosti Kontron. Jde-li o velkosériovou výrobu, je účelné spojit modul s nosnou deskou do plně zakázkového systému. To nabízejí mnozí výrobci modulů nebo i někteří jejich prodejci. Ovšem předpokladem je mít vhodný vývojový tým, který umí implementovat individuální rozhraní na straně hardwaru i softwaru.
Nabídka standardizovaného hardwaru je jen jeden stavební kámen komplexní struktury nízkopříkonového systému SFF. Druhá důležitá otázka je: a co softwarová podpora? Vzhledem k dedikované architektuře procesorů ARM a blízkých hardwarových i softwarových vazeb v jejich okolí potřebují podporu také návrháři softwaru. To platí zvláště v případě, že se pro některou z nových aplikací používá nový procesor s novou architekturou. Co se tedy musí především brát v úvahu? Ze strany vývoje softwarové aplikace je to zaprvé otázka operačního systému: které OS mohou být použity a je podporována také specifická hardwarová konfigurace?
Každý výrobce odpovídá jen za moduly, které vyrábí, nicméně je možné sestavit obecné profily požadavků. V souladu s převažujícím účelem zařízení využívajících systémy SFF jsou to zejména požadavky na štíhlý operační systém, který může být zkompilován podle potřeby a zabere jen málo paměti. Proto jsou zajímavé především OS Linux, na Linuxu postavený Android a Windows Embedded Compact 7. Pro úlohy s velkými požadavky na práci v reálném čase jsou vhodné VxWorks včetně Hypervisoru, QNX a Greenhills. Podle všech očekávání budou stále zajímavější i odpovídající verze Windows.
Pro ARM/SoC nelze uplatnit k OS stejný přístup jako u x86: napřed spustit operační systém, identifikovat chybějící ovladače a doinstalovat je. U procesorů ARM musí být už v zaváděcím programu bootloaderu integrovány a přizpůsobeny ovladače pro podporu dedikované procesorové platformy a požadované periférie. To s sebou nese výrazně větší význam implementace balíčků Board Support Package (BSP) než u zařízení s x86. Jestliže výrobce prostřednictvím nosné desky integruje do svého zařízení další periférii, která není standardní výbavou použitého procesoru, musí do bootloaderu integrovat také její ovladač.
Proto je úplná podpora prostřednictvím BSP naprostou nutností. Jestliže služby výrobce hardwaru zahrnují také portování driverů individuálních komponent používaných na nosné desce, je to pro zákazníka bonus. Softwarové oddělení toho má být schopno. Také může nabídnout přímou podporu při úpravě bootloaderu.
Tam, kde se technika x86 spoléhala na BIOS, procesory ARM používají firmware individuálních komponent prostřednictvím zaváděcího programu, bootloaderu. To zrychluje proces spouštění systému, ale pro výrobce OEM to může být neznámá oblast. Jestliže jsou na nosnou desku přidány nové dedikované komponenty, musí být jejich ovladače integrovány také do bootloaderu. A tam, kde byla požadována aplikačně specifická úprava Biosu, musí se vytvořit i pro bootloader. Je zde otázka, kdo výrobci pomůže v případě, že je třeba expert na bootloader. V ideálním případě by tato skupina úloh měla být řešena také výrobcem hardwaru, protože ten má o svém systému nejhlubší znalosti.
Pro to, aby vstup pro potenciální uživatele do světa ARM byl co nejjednodušší, získávají softwarové služby ze strany výrobců hardwaru zcela jasně na svém významu. Zákazníci by se proto měli ujistit, že softwarové oddělení výrobce vestavného hardwaru bude schopné tyto služby zajistit. Mnozí výrobci vestavného hardwaru tyto služby outsourcují. Avšak z pohledu zákazníka je jasně efektivnější, jestliže dostane všechny služby z jednoho zdroje, a to přímo od výrobce modulů. Společnosti jako Kontron nabízejí softwarovou podporu z velké většiny samy. Kontron má po celém světě více než tisíc vývojových inženýrů. Přes dvě třetiny z nich pracují v oddělení softwaru.
Peter Müller říká: „Po zveřejnění standardu SMARC™ pro moduly COM založené na ARM/SoC má trh vestavných systémů nezávislé standardy pro všechny velikosti a výkonové třídy produktů. Dosud světově nejvýznamnější standardy, ETX® a COM Express®, a v budoucnu SMARC™, se od sebe značně liší, mají jasně dané oblasti použití a navzájem si nekonkurují. To jsou základní předpoklady úspěchu pro oblast techniky, u kterých se klade důraz na dlouhodobou podporu. Některá řešení se zdají být obecně výhodná, ale nesou s sebou riziko, že budou „převálcována“ přesněji orientovanými standardy. Proto doporučujeme našim zákazníkům, aby věnovali pozornost jejich důvěryhodnosti a zaměření. Zákazníci mohou v každém případě získat řešení s ETX®, COM Express® i SMARC™. Co více si můžete přát?“
Kontron již má v nabídce tři moduly SMARC™: Kontron SMARC-sAT30 s NVIDIA Tegra 3 pro graficky náročné aplikace, SMARC-siMX6 s jedno-, dvou- nebo čtyřjádrovým procesorem Freescales i.MX6 se zvlášt velkou škálovatelností výkonu a SMAR- sA3874 s Ti Sitara AM3874 s velmi malou spotřebou.