CPU und Grafikhardware auf einem Chip integriert Box-Computer für Displays

Ob es um Flottenmanagement von Erntemaschinen, Fahrgastinformation in Bussen oder Videoüberwachung von Zügen geht - moderne mobile Anwendungen verlangen heutzutage immer öfter nach komplexen Echtzeit-3D-Grafiken oder der Verarbeitung von Videos in HD-Qualität. Starke Prozessoren alleine reichen da nicht aus, solche Anwendungen benötigen dedizierte Grafikhardware. Gleichzeitig müssen solche Embedded-Anwendungen aber auch kompakt und stromsparend sein.

Um den Spagat zwischen hoher Grafikperformance einerseits und Größe, Stromverbrauch und Wärmeentwicklung andererseits zu bewältigen, hat AMD die APUs der »Embedded G-Serie« präsentiert. Die Bezeichnung APU statt bloß CPU deutet an, woher der Wind weht: Als »Accelerated Processing Unit« will AMD die neue Reihe verstanden wissen, mit CPU und GPU (Graphics Processing Unit) unter einem Dach. So gibt es serienmäßig 2D- und 3D-Grafikbeschleunigung mit voller Unterstützung für DirectX 11, Shader Model 5, OpenCL 1.1 und OpenGL 4.0.

Des Weiteren verfügen die Prozessoren über eine direkte Hardwareunterstützung für das Dekodieren von Videos in den Formaten H.264, VC-1 und MPEG2 sowie über diverse Bildverbesserungsalgorithmen (u.a. Kadenz-Erkennung und De-Inter-lacing). Auch können sie SD-Inhalte auf HD-Auflösungen hochskalieren. Letztere werden unterstützt bis hin zu 2560x1600 Bildpunkten für zwei unabhängige Bilder, die auf bis zu vier Displays (2x2) auszugeben werden können.

Im Bestfall kombiniert eine der neuen APUs zwei x86-Prozessorkerne (Taktfrequenz 1,65 GHz) mit einer »AMD Radeon HD 6320« für die Grafikbeschleunigung - bei einer maximal abzuführenden Wär-meleistung von 18 W. Wer mit etwas weniger Leistung auskommt, kann auch zu einer Single-Core-APU mit 1 GHz Taktfrequenz und einer »AMD Radeon HD 6250« greifen, womit der Wert auf 5,5 W sinkt.

Eines der ersten Geräte auf Basis der neuen APUs ist der Box-Computer »BC1« von MEN. Die vielfältigen Schnittstellen, welche die APUs der Embedded-G-Serie serienmäßig unterstützen, verlangen nach einem flexiblen Hardwarekonzept. Beim BC1 kann das robuste, nach bis zu IP40 geschützte Metallgehäuse (250 mm x 220 mm x 44,1 mm) je nach Bedarf ganz unterschiedliche Systemkerne enthalten. Die darin zum Einsatz kommende Platine ist zwar auch solo schon funktions-fähig, doch erst in Zusammenarbeit mit genau auf die Applikation abgestimmten Schnittstellen-Boards für Grafik und sonstige I/Os wird daraus ein praxistaugliches Komplettsystem.

Verbindung ohne Kabel

Die Verbindung zum Systemkern kommt dabei ohne Kabel aus, zum Einsatz kommen bis zu vier 72-polige Stecker vom Typ »AirMax VS«. Damit sind die so verbundenen Elektronikbausteine vollauf hinsichtlich Schock und Vibration in anspruchsvollen Umgebungen ausgelegt. Dank Kontaktkühlung - das Rechnergehäuse dient dabei als Kühlkörper - lässt sich das Gerät bei Temperaturen von -40 °C bis hin zu +85 °C gemäß der Bahnnorm EN 50155 Klasse Tx betreiben.

Standardmäßig kommt beim BC1 eine gemeinsame Platine für Grafik- und sonstige Schnittstellen zum Einsatz, die Standards wie Gigabit-Ethernet, USB und moderne Grafikschnittstellen (standardmäßig zwei DisplayPorts) bereitstellt (Bild 1). Auch die Stromversorgung erfolgt über diese Platine - wer mit der serienmäßigen Eingangsspannung von 24 V nichts anfangen kann, kann einfach eine alternative I/O-Platine mit einer anderen internen Stromversorgung einsetzen.

Da die Grafik- und die sonstigen Signale auf verschiedene Stecker aufgeteilt sind, lassen sich individuelle Platinen für verschiedene Funktionen einsetzen: Wer das Gerät als Kern für einen Panel-PC einsetzen will, kann also die Grafikschnittstellen über eine individuelle Platine nach außen führen und dabei zusätzliche Features wie die Kontrolle der Display-Hintergrundbeleuchtung, einen Helligkeitssensor oder Touch-Funktion realisieren (Bild 2).

Bei Bedarf sind statt zwei DisplayPorts auch bis zu vier davon möglich (mit bis zu zwei individuellen Bildinhalten). Zu solchen HD-Bildern passender Ton lässt sich über die optionale HD-Audio-Schnittstelle ausgeben.

In Sachen serielle Schnittstellen und Vernetzung gibt sich der BC1 noch flexibler (siehe Kasten).

Kompakt und kommunikativ
Die Einsatzbereiche für Box- und Displaycomputer sind äußerst vielfältig und stellen entsprechend unterschiedliche Anforderungen an die Konnektivität der Geräte. Zwei serienmäßige Ethernet-Ports erlauben die Einbindung des Box-Computers »BC1« von MEN in moderne Netzwerke, doch kann das System auch auf viele weitere Arten mit anderen Geräten kommunizieren. Durch den Einsatz eines FPGAs auf der Systemkern-Platine stehen auch UARTs und Feldbusse wie IBIS und CAN sowie GPS zur Wahl, wobei die physikalischen Schnittstellen durch entsprechende Standard-Mezzanine aus der »SA«-Adapter-Produktreihe von MEN realisiert werden. Durch im Inneren des Systems verbaute PCI-Express-Mini-Karten plus Antennenstecker sind zudem auch drahtlose Verbindungen wie UMTS, GSM, HSDPA, EDGE und LTE möglich. Durch diese vielfältigen Vernetzungsmöglichkeiten kann der BC1 in den für Box- und Display-Computer typischen Umgebungen eingesetzt werden - etwa in Bussen (IBIS, WLAN), Zügen (Ethernet, UMTS/GSM) oder Traktoren (CAN, GPS).
Standardmäßig:
Gigabit-Ethernet (über zwei M12-Stecker),
USB 2.0
Mit SA-Adaptern (realisiert via FPGA):
CAN-Bus (über D-Sub-Stecker),
IBIS (über D-Sub-Stecker),
UART (über D-Sub-Stecker),
GPS (über SMA-Stecker).
Mit PCI-Express-Mini-Cards:
Drahtlosfunktionen wie UMTS, GSM, HSDPA, EDGE und LTE (über SMA-Stecker).

Huckepack-Konzept

Aufgrund seiner Größe kann ein BC1 nicht nur individuell als wartungsfreier, lüfterloser Box-Computer eingesetzt werden. Bei der Gestaltung des Gehäuses war der Einsatz als Display-Computer von Anfang an vorgesehen, sodass sich ein BC1 über ein einfaches Befestigungssystem auf der Rückseite eines Flachbildschirms montieren lässt.

Eine solche Kombination dient als Grundlage für eine kommende Display-Computer-Reihe von MEN, welche die Vorzüge des flexiblen, robusten BC1-Designs und dessen modernen Schnittstellen mit angepassten, widerstandsfähigen Displays kombiniert. Und auch an die Zukunft ist schon gedacht: Durch das flexible Konzept könnten auf einer pinkompatiblen CPU-Platine nach dem BC1-Konzept alternativ zu den AMD-APUs auch andere moderne Prozessorplattformen zum Einsatz kommen, ohne das Systemdesign komplett überarbeiten zu müssen.

Über den Autor:

Michael Schetter ist technischer Redakteur bei MEN Mikro Elektronik.