Sub-»Atom«-Module Mehr als nur »Low Power«

Mit dem ausgereiften Core-Design auf x86-Architektur, den vielfältigen integrierten I/O-Schnittstellen, geringem Leistungsverbrauch und dem erweiterten Temperaturbereich können Module mit SoCs vom Typ »Vortex86« die Lücke zwischen Intels »Atom« und ARM-basierenden Prozessoren schließen.

Eingebettete Systeme passen sich immer weiter an die eigentliche Applikation an. Deswegen werden auch die Anforderungen hinsichtlich Schnittstellen, Gehäuseausführung und Baugröße des Systems immer spezifischer.

Computer-on-Modules (COMs) sind ein Embedded-Formfaktor, der die Vorteile standardisierter COTS-Komponenten (Commercial Off-The-Shelf) mit einer schnellen, komfortablen und flexiblen Systemauslegung vereint. Sie bestehen aus Embedded-PCs mit erweitertem Core-Funktionsumfang und lassen sich einfach auf Basisboards aufstecken (Bild 1). Lediglich die Einbettung in die Kundenumgebung mit den spezifischen I/Os über das Basisboard wird individuell entwickelt.

So können Kunden von einer hohen Designsicherheit, einem umfassenden Ökosystem an Designwerkzeugen und Software sowie einer hohen Flexibilität beim spezifischen Basisboard profitieren. Dies erleichtert die Entwicklung und Design-in-Phase von Embedded Systemen erheblich, denn Systemkosten und Systemintegration lassen sich von Beginn an optimieren. Die Rechenleistung ist durch die Austauschbarkeit der Module innerhalb eines Formfaktors skalierbar.

Bei COM-Plattformen klaffte bislang eine Lücke zwischen Modulen mit Intels »Atom« und mit ARM-basierenden Prozessoren. Durch die Flexibilität von Legacy-Support sowie die gewohnte Software-Integrationsumgebung kann die klassische x86-Prozessorarchitektur mit Sub-»Atom«-Performance den gewünschten geringen Leistungsverbrauch und die nötige Sicherheit im Projektdesign bringen. Die Computer-on-Module-Konzepte »DIMMBoard«, »SMARCBoard«, »μQBoard« und »QBoard« von b-plus (siehe Bild oben) zeigen, wie es geht: mit den »Vortex86«-Prozessoren von DMP Electronics, die sich mit ihrer breiten Schnittstellenvielfalt recht gut für kostensensitive Embedded-Applikationen im erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C eignen – mit passiver Kühlung auch ohne Kühlkörper. Ein Umstieg auf »ARM«-basierte Prozessoren ist für viele Anwendungen damit nicht mehr nötig.

Lücke zwischen »Atom« und ARM

Mit diesen COMs möchte b-plus die Lücke zwischen Boards mit Intels »Atom« und ARM-basierenden Prozessoren schließen. Die Vortex86-SoCs (System on Chip) bestehen aus CPU und Chipsatz. Je nach Ausführung sind sie auch mit einer Grafikeinheit bestückt. Mit Verlustleistungen ab etwa 2 W sind die »Vortex DX/EX«-Prozessoren recht stromsparende 32-Bit-SoCs, ausgestattet mit Busarchitekturen vom traditionellen ISA-Bus über PCI bis zu PCI Express (PCIe). Alle Vortex86-SoCs verfügen über ein AMI-BIOS (Core 8). Es können BIOS-Parameter eingestellt, die Logos verändert und das Video-BIOS ersetzt werden. Das BIOS unterstützt eine Vielzahl von Boot-Optionen; so ist der Systemstart per USB, IDE/SATA, SD oder via Netzwerk möglich.

Sowohl der Vortex86 DX auf dem DIMMBoard sowie der Vortex86 EX auf dem SMARC- und μQBoard als auch der Vortex86 DX2 auf dem QBoard basieren auf einem Ultra-Low-Power-x86-Design mit PCIexpress, seriellen Schnittstellen, USB 2.0, Ultra-DMA-IDE, 10/100-MBit/s-Ethernet sowie SPI-, I²C- und GPIO-Schnittstelle. Alle vier Modulfamilien lassen sich in der Test- und Messtechnik, Gebäudesicherheit, Medizintechnik und Automatisierung beispielsweise als Gateways, speicherprogrammierbare Steuerungen oder Datenlogger einsetzen. Das DIMMBoard eignet sich für einfache Steuerungen ohne Grafik und Legacy-Schnittstellen wie ISA-Bus und IDE, das SMARC- wie auch µQBoard für Anwendungen ohne Grafik mit aktuellen Schnittstellen wie PCIexpress und SATA sowie das QBoard für Applikationen mit Display. Entwicklungswerkzeuge, zum Beispiel verschiedene kleine bis große Evaluierungsboards für die jeweilige Modulfamilie, sollen einen schnellen Start in die Kundenapplikation gewährleisten.

Die x86-Umgebung mit gewohntem Entwicklungs- und Bedienungskomfort erleichtert dem Kunden die Softwareintegration erheblich und sichert ein erfolgreiches Design. Durch die x86-Kompatibilität ist eine breite Palette an Betriebssystemen sowie Standard-Treiberressourcen für viele Komponenten einsetzbar. Seitens des Herstellers werden die Betriebssysteme DOS, Windows XP Embedded, Windows CE, Linux und QNX unterstützt. Für diese gängigen Betriebssysteme stehen einsatzfertige Demo-Images bereit, beispielsweise für Windows CE 6 oder Linux (Debian, X-Linux). Zusätzlich werden Vortex-SoCs von Echtzeitbetriebssystemen (RTOS) unterstützt. Auf Kundenanfrage stehen weitere Treiber zur Verfügung, zum Beispiel für den CAN-Bus und I²C. Die Vortex-DX/DX2/EX-Plattform ermöglicht den Anwendern den Einsatz von traditionellen und existierenden x86-Applikationen, ohne auf andere CPU-Architekturen wie ARM umsteigen zu müssen.

Vier Plattformen für jeden Fall

Das 68 mm x 40 mm große »DIMMBoard DX86« ist das erste Computermodul von b-plus, das den energieeffizienten Vortex86-DX-Prozessor ohne eigenen Grafikcontroller integriert und sich so besonders als zentraler »Rechenknecht« für »Headless«-Anwendungen (ohne Monitor, Tastatur, Maus) eignet. Bis auf wenige Details ist das Modul mit dem SODIMM-144-Pin-Sockel der DIMM-PC-Modulspezifikation von Kontron passform- und funktionskompatibel. Der System-on-Chip verfügt über eine Fließkommaeinheit (FPU) und unterstützt Taktfrequenzen von bis zu 600 MHz.

Der volle PC-Funktionsumfang des DIMMBoard wird durch die klassischen PC-Schnittstellen gesichert, zum Beispiel einen nativen 16-Bit-ISA-Bus, der von aktuell am Markt verfügbaren Boards immer seltener bereit¬gestellt wird, aus vielen etablierten Applikationen jedoch nach wie vor nicht wegzudenken ist. Über die erste serielle Schnittstelle (COM1) lassen sich Kommandozeilennachrichten der Systemstartphase ausgeben. Durch die Ausführung des On-Board-Flash-Laufwerks als microSD-Kartenslot ist die Größe dieses Mediums je nach Anwendung bis zu 16 GByte skalierbar.

Selbst bei »SMARC«, dem ursprünglich für ARM-Prozessoren optimierten offenen COM-Formfaktor, stellt der Vortex86 EX mit 300 MHz einen recht guten Einstieg für Headless-Anwendungen dar. Dank des neuen MXM-3.0-Steckverbinders zum platzoptimierten Basisboard ist das »SMARCBoard EX« gerade einmal 82 mm x 50 mm groß. Die insgesamt 314 Steckerpins bieten eine Menge an Features für zukünftige Neudesigns. Neben PCIe und SATA werden beispielsweise auch SPI-, GPIO- und UART-Schnittstellen bereitgestellt.

Das »μQBoard EX« zeichnet sich durch seine kompakte »Qseven«-Größe von 40 mm x 70 mm aus. Zum Einsatz kommen der Headless-Prozessor Vortex86 EX mit DDR3-Speicher sowie der MXM-2.0-Stecker mit standardisierter Pinbelegung. Neben der geringen Verlustleistung 
von 1 W bis 2 W bietet das Modul eine recht große x86-typische 
Schnittstellenvielfalt, beispielsweise PCIe, USB 2.0, CAN, 100-MBit/s-Ethernet oder auch HD-Audio. Das µQBoard EX ist in Varianten mit microSD-Kartenslot oder mit fest verlötetem Speicher verfügbar (Bild 2).

Für das »QBoard DX2« mit Grafikschnittstelle sprechen das moderne Qseven-Konzept ohne Altlasten, das an die speziellen Bedürfnisse kompakter Geräte angepasste Steckerkonzept sowie die lüfterlose Kühlung. Mit einer Kantenlänge von 70 mm x 70 mm besitzt es die Standardgröße des weitverbreiteten Qseven-Formfaktors, basierend auf dem MXM-2.0-Stecker. Bei Qseven werden Displays nicht mehr auf analogem Weg, sondern fast ausschließlich digital angesteuert. Das QBoard basiert auf dem leistungsfähigeren »Vortex86 DX2«-Prozessor mit 600 MHz und integrierter Grafik (Bild 3). Je nach Ausführung ist es mit einem DDR2-SDRAM-Speicher bis 1024 MByte bestückt. Die integrierte Grafik unterstützt einen LVDS-Single-Channel für die Anbindung eines Displays. Für Speichermedien stehen on-Board ein microSD-Card-Sockel sowie eine PATA-SSD-Schnittstelle zur Verfügung.

Über den Autor:

Adrian Bertl ist im Produktmarketing bei b-plus tätig.