System-on-Chip auf Embedded-Modulen COM Express in bunt

Moderne Systems-on-Chip gestatten es, auch COM-Express-Module mit umfangreichen Grafikfähigkeiten auszustatten. Das eröffnet den Rechnermodulen ganz neue Einsatzfelder.

Neue Prozessortechnologien lassen sich schnell und risikoarm durch standardisierte, leistungsfähige Computer-on-Module (COMs) implementieren. Die Prozessormodule bieten aktuelle Standard-PC-Funktionen und werden in unterschiedlichen Varianten mit skalierbarer Leistung angeboten. Damit können Entwickler auf ihre Applikation optimierte Embedded-Module wählen, um Platz, Strom und nicht zuletzt Kosten zu sparen. Die COMs werden einfach auf ein Baseboard gesteckt, auf dem alle anwendungsspezifischen Funktionen realisiert sind. Damit lassen sich die Entwicklungskomplexität und die Markteinführungszeit des kompletten Systems reduzieren.

Ein Großteil der heute eingesetzten Embedded-Module entspricht in Größe und Leistung definierten, international anerkannten Standards. Neben dem älteren ETX-Standard haben sich in den letzten Jahren die Formfaktoren Qseven und COM Express durchgesetzt. Der aktuelle Qseven-Standard, der kompakte Module einer Größe von 70 mm x 70 mm spezifiziert, unterstützt sowohl die x86- als auch die ARM/RISC-Architektur. Die Qseven-Module sind auf eine maximale TDP (Thermal Design Power) von etwa 12 W ausgelegt. Deshalb kommen hier vor allem verlustleistungsarme ARM- und Intel-»Atom«-Prozessoren zum Einsatz, die allerdings in ihren Leistungsdaten begrenzt sind. Derartige Prozessormodule eignen sich vor allem auch für mobile und batteriebetriebene Systeme.

Leistungsfähige COM-Express-Module adressieren vor allem den High-End-Markt mit anspruchsvollen Anwendungen. Mit der Aktualisierung der Spezifikation durch die Änderung der Steckerbelegung von Typ 2 auf Typ 6 werden schnelles USB 3.0 und bis zu drei digitale Displayschnittstellen unterstützt. Die Computer-on-Module basieren auf vergleichsweise mächtigen Prozessoren mit bis zu vier Rechenkernen,
beispielsweise Intels »Core«-Prozessoren der vierten Generation, AMDs
»Embedded R-Series«-APUs (Accelerated Processing Units) oder die SoCs der »Embedded G-Series« von AMD.

In zahlreichen Embedded-Anwendungen spielt die Grafikleistung der Prozessormodule eine immer bedeutendere Rolle. Beispiele dafür sind industrielle und medizinische Visualisierungssysteme sowie Digital-Signage- und Gaming-Applikationen. Visualisierungssysteme in 3-D sind beispielsweise in bildgebenden Diagnoseverfahren mit ansprechenden grafischen Benutzeroberflächen und Multitouch gefordert. Mit der steigenden Größe und immer höherer Auflösung der anzusteuernden Displays von 1080p (HD) und mehr müssen die COMs mehr 3-D- und Videoleistung und schnellere Grafikeinheiten bieten. Darüber hinaus wächst mit der zunehmenden Qualität des Visualisierungssystems die Datenmenge der bildgebenden Verfahren gewaltig an.

Grafik ist Trumpf

Im klinischen Umfeld setzen sich immer mehr großformatige Full-HD-Bildschirme durch. Mit ihnen lassen sich medizinische Röntgenbilder und MRT- (Magnetresonanztomografie) oder CT-Aufnahmen
(Computertomografie) in erstklassiger Bildqualität und mit den erforderlichen Farb- und Graustufen anzeigen. Die High-End-Bildschirme können auch als bildgebende Diagnosesysteme und im Operationssaal zur computergestützten Chirurgie die Wiedergabe digitaler Bilder deutlich verbessern. Zur Speicherung und zum Austausch von Informationen und zum Management der Bilddaten hat sich in der Medizintechnik der offene Standard DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) durchgesetzt. Er definiert sowohl das Format zur Speicherung der Daten als auch das Kommunikationsprotokoll zu deren Austausch. Darüber hinaus kommen in Krankenhäusern großformatige Monitore als Digital-Signage-Lösungen zum Einsatz, um Patienten und Besuchern relevante Informationen zur Verfügung zu stellen.

Eine hohe Auflösung verlangen auch Bildverarbeitungssysteme, die in der industriellen Automatisierung zur visuellen Erfassung unterschiedlicher Gegenstände eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung sind moderne Mautsysteme zur Erkennung von Pkw- und Lkw-Kennzeichen und zur Weiterverarbeitung der Daten, beispielsweise zum Erstellen von Bewegungsprofilen.

In der Vergangenheit konnten die im Prozessor beziehungsweise im Chipsatz integrierten Grafikeinheiten in vielen Fällen die geforderte 
Performance nicht bieten. Deshalb mussten Systementwickler überdimensionierte Plattformen mit ausreichender Grafikleistung oder zusätzliche Grafikkarten einbauen. Eine Lösung bietet die COM-Express-Typ-6-Modulfamilie »C6C-GX« von MSC Technologies (siehe Kasten), die auf AMDs aktueller SoC-Plattform der Embedded-G-Series basiert (Bild 1). Die Embedded-Module im Compact-Formfaktor von 95 mm x 95 mm bieten trotz ihrer niedrigen Verlustleistung einiges an Grafik- und Multimedia-Performance und eignen sich insbesondere für grafisch anspruchsvolle Embedded-Computing-Anwendungen.

Blick in das SoC

Die SoC-Plattform basiert auf AMDs »Fusion«-Architektur. Die Prozessoren unterstützen die 64-Bit-ISA-Technik »AMD64« und die Befehlssätze SSE1,2,3, SSE3 ISA, SSE4A und MMX. Die Single-Chip-Lösung integriert neben den x86er-Prozessor-Cores und dem Chipsatz spezielle GPUs (Graphics Processing Units) auf einem Silizium-Die. Die GPU »Radeon HD 8000E Series« beinhaltet einen universellen Hardware-Video-Decoder (H.264, MPEG4, VC-1, WMV) und den Video-Kompressionsalgorithmus VCE 2.0 (H.264, SVC). Der Grafikcontroller unterstützt DirectX 11.1, OpenGL 4.2 und OpenCL 1.2.

Die Rechenwerke der Grafikcontroller lassen sich zusätzlich zu den CPU-Kernen für parallel ablaufende Floating-Point-, Vektor- und Bildverarbeitungsaufgaben nutzen. Voraussetzung dafür ist die einheitliche Programmierung der verschiedenen Hardware-Architekturen durch die anbieterunabhängige Programmierplattform OpenCL (Open Computing Language). Der offene, lizenzgebührenfreie Standard, der von der Khronos Group gepflegt wird, umfasst die Sprachspezifikation sowie die APIs (Application Programming Interfaces) der Plattformschicht. Mit OpenCL lassen sich die umfangreichen Berechnungsalgorithmen hardwareunabhängig beschleunigen. Dies ist besonders für Bild-verarbeitungsanwendungen interessant, um die Rechenlast parallel von der CPU auf die GPU auszulagern.

Die Modulfamilie ist in vier Varianten mit unterschiedlichen Quad-Core- und Dual-Core-Prozessoren erhältlich. Die COMs mit »GX-420CA« (2,0 GHz) und »GX-415GA« (1,5 GHz) verfügen über vier CPU-Kerne. Die TDP liegt bei 25 W beziehungsweise 15 W. Die beiden Dual-Core-Varianten basieren auf dem »GX-217GA« (1,65 GHz, 15 W TDP) beziehungsweise dem »GX-210HA« (1,0 GHz, 9 W TDP). Die Verlustleistung der Module liegt je nach Version und Anwendung zwischen 30 W und 12 W. Die COMs umfassen mit dem Trusted-Platform-Modul »TPM 1.2« von Infineon eine hardwarebasierende Sicherheitsfunktion, die den Anforderungen der TCG (Trusted Computing Group) entspricht. Der Arbeitsspeicher lässt sich über zwei 204-Pin-SO-DIMM-Sockel auf bis zu 16 GByte Dual-Channel-DDR3-SDRAM erweitern. Optional sollen die C6C-GX-Module auch für den industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C angeboten werden.

Die COM-Express-Module sind für den Anschluss von zwei unabhängigen Displays ausgelegt. Das Digital-Display-Interface (DP 1.2, DVI, HDMI 1.4a) verfügt über eine Auflösung bis 4096 x 2160 Pixel 
für moderne 4K-Bildschirme. Der Embedded-DisplayPort 1.3 mit 2560 x 1600 Pixel kann alternativ als Dual-Channel-24-Bit-LVDS-Schnittstelle ausgelegt werden. Daneben ist ein VGA-Port mit maximal 2048 x 1536 Bildpunkten vorhanden. Darüber hinaus stehen drei PCI-Express-x1-Kanäle und eine PEG-x4-Schnittstelle (PCI Express Graphics), zwei USB-3.0- und sechs USB-2.0-Ports, LPC, Gigabit-Ethernet, HD-Audio, ein Sockel für eine MicroSD-Karte und zwei SATA-Anschlüsse mit bis zu 3 GBit/s zur Verfügung. Das implementierte ACPI-Power-Management rundet das Leistungspaket ab.

Neben der relativ kostengünstigen Modulfamilie C6C-GX ist von MSC die COM-Express-Typ-6-Modulfamilie »C6C-A7« für mittlere und höhere Ansprüche verfügbar (Bild 2). Diese Boards basieren auf den APUs der Embedded-R-Series. Die Baugruppen nutzen AMDs Quad-Core-Prozessoren »R-460L« mit 2,0 GHz (2,8 GHz Turbo) beziehungsweise »R-452L« mit 1,6 GHz (2,4 GHz Turbo). Die Dual-Core-Varianten sind mit den Prozessoren »R-260H« mit 2,1 GHz (2,6 GHz Turbo) und »R-252F« mit 1,7 GHz (2,3 GHz Turbo) bestückt.

Typische Anwendungen der Modulfamilie C6C-GX benötigen anspruchsvolle Grafik, hochauflösende Videos und müssen großflächige Displays ansteuern. Ein weiteres Anwendungsfeld stellt die Video- und Bildverarbeitung dar. MSC liefert für die Embedded-Module entsprechende Starterkits und Trägerboards sowie Speichermodule und Kühllösungen.

Über den Autor:

Konrad Löckler ist Product Manager bei MSC Technologies.

Aus MSC Gleichmann wird MSC Technologies (an Avnet Company) 
Als neue Geschäftseinheit von Avnet Electronic Marke­ting konzentriert sich MSC Technologies auf die stark wachsenden Märkte Embedded-Computing und Displays. Darüber hinaus werden Wireless-, Speicher- und Beleuchtungslösungen angeboten. Zu der Marke MSC Technologies zählen die MSC Vertriebs GmbH und die Gleichmann & Co. Electronics GmbH inklusive aller Tochterfirmen der MSC-Gruppe.