Embedded Computing CoMs im Vergleich (Teil 1)

Seit knapp zwanzig Jahren sind Computer-on-Modules (CoMs) verfügbar. Und weil sie so beliebt sind, wurden verschiedene Standards etabliert. Welcher Modulstandard passt zu meinen Anforderungen? Im Folgenden der erste Teil einer umfassenden Abhandlung über die verschiedenen Standards.

Computer-on-Modules lassen sich über standardisierte Schnittstellen an ein Trägerboard (Base Board) kontaktieren. Die eindeutigen Vorteile bescheren diesen Modulen eine immer stärker wachsende Nachfrage: Geringere Entwicklungszeit und -kosten, Verfügbarkeit, Skalierbarkeit von Performance und Preis, die Austauschbarkeit zwischen unterschiedlichen Anbietern und die Reduzierung von Risiken durch das Verwenden zertifizierter Module sind Gründe, sich für Plug-on-Boards zu entscheiden.

Die Anforderungen hinsichtlich Größe, Preis, Verfügbarkeit und die rasch voranschreitenden Chiptechnologien stellen die Anbieter von Systemlösungen vor Herausforderungen, die sich jedoch durch die Verwendung von Aufsteckmodulen sehr gut managen lassen.

Sind während der Designphase Anforderungen an Performance, Schnittstellen, Abmessungen, aber zum Beispiel auch Temperaturbereich und Störaussendung definiert, so kann meist sehr unkompliziert eine passende Board-Lösung und der damit verbundene Standard-Formfaktor für das Trägerboard gewählt werden.

Das Wissen, welche Vorteile die jeweiligen Standards aufweisen, um den geeignetsten für die Kundenanforderung zu wählen, hilft Modulanbietern wie Heitec bereits in der Konzeptphase einer Kundenanfrage. Bei Projektanfragen beschreiben Kunden häufig lediglich die Funktionen und Randbedingungen wie maximale Größe, Temperaturbereich des Einsatzgebietes usw. Die Umsetzung obliegt dann jedoch dem beauftragten Unternehmen. Hier kann Heitec auf ein recht großes Repertoire an Standards, Anwendungsbeispielen und langjährige Erfahrungen im Embedded-Markt zurückgreifen, um die bestmögliche Lösung auch hinsichtlich Langzeitverfügbarkeit und Rückverfolgbarkeit (Traceability) für den Kunden zu bieten.

PoP, SiP, SoM, SoC und CoM sind Akronyme und Initialismen, mit denen man im Bereich der Aufstecklösungen regelmäßig konfrontiert wird. Doch was bedeuten diese Abkürzungen? Welche Schnittstellen verbergen sich dahinter, und wo haben diese Konzepte ihre Vorteile im Vergleich zu anderen? Nachfolgend werden die geläufigen Abkürzungen rund um das Thema Plug-on-Modullösungen und Begriffe inklusive deren Schnittstellen und deren Möglichkeiten näher erklärt.

PoP und SoC

Ein Package on a Package (PoP) stapelt einzelne Chipgehäuse in Form von kleinen bestückten Platinen übereinander, die durch BGAs (Ball Grid Arrays) miteinander verbunden werden. Eine komplexe Schaltung wird dadurch in kleinere Bereiche unterteilt, übereinander angebracht und miteinander verlötet, um eine möglichst kleine Baugröße zu erreichen. Solche Gehäuse können diskrete Komponenten (Speicher, CPU usw.) oder ein System in a Package (SiP) sein, das mit einem anderen Gehäuse verbunden wird, um zusätzliche Funktionen zu ermöglichen. PoP gewährleistet mehr Packungsdichte und vereinfacht Leiterplattendesigns. Die kurzen Verbindungen zwischen den Komponenten können zudem die Signalausbreitung verbessern.

Ein System on a Chip (SoC) vereint alle erforderlichen Komponenten eines Computers zu einem einzigen Chip oder einer integrierten Schaltung. Allgemein kann ein SoC um einen Mikrocontroller (bestehend aus CPU, RAM, ROM und Peripherie) oder einen Mikroprozessor (CPU) herum aufgebaut sein. Software für einen SoC abstrahiert gewöhnlich den Funktionsumfang, sodass sie sich einfach programmieren und mit ihr verbinden lässt. Der Vorteil eines SoCs ist, dass diese Lösung kostengünstig und energieeffizient ist. Nachteilig ist die fehlende Erweiterbarkeit in ihrer Konfiguration im Gegensatz zu einem Full-Size-Computer.

SoM und CoM

Ein System on a Module (SoM) ist eine Schaltung auf Leiterplattenebene, die eine Systemfunktion in einem einzigen Modul integriert – beispielsweise digitale und analoge Funktionen. Eine typische Anwendung liegt im Bereich der Embedded Systeme. Im Gegensatz zu einem Full-Size-Computer erfüllt ein SoM eine spezielle Funktion, ähnlich wie ein SoC, jedoch nicht auf Chip-, sondern auf Leiterplattenebene.

Computer on Modules (CoM) sind komplette Embedded-Rechner, die auf einer einzigen Leiterplatte aufgebaut sind. Das Design basiert auf einem Mikroprozessor mit RAM, Ein-/Ausgabesteuerung und allen weiteren Eigenschaften, die ein voll funktionsfähiger Computer auf einer Leiterplatte benötigt. Im Gegensatz zu einem Full-Size-Computer fehlen dem CoM jedoch in der Regel die Standardanschlüsse für Ein-/Ausgabeperipheriegeräte, um diese direkt an das Board anschließen zu können. In der Regel müssen die Module auf ein Trägerboard gesteckt werden, das den Bus und die I/O-Signale zu Standard-Peripheriesteckern führt.

Eine Lösung auf CoM-Basis bietet ein Computersystem für den Einsatz in kleinen oder speziellen Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch oder eine geringe physikalische Größe erfordern, wie sie in eingebetteten Systemen benötigt wird. Da eine CoM-Lösung sehr kompakt und hochintegriert ist, lassen sich auch komplexe CPUs – einschließlich Multicore-Technologie – darauf realisieren.

Einige CoMs basieren auf FPGA-Lösungen (Field Programmable Gate Array), deren Funktionen sich als IP-Cores auf dem CoM selbst oder auf der Trägerkarte hinzufügen lassen. IP-Cores auf FPGAs zu verwenden erhöht die Modularität eines CoM-Konzeptes, da I/O-Funktionen ohne aufwendige Umverdrahtung auf der Leiterplatte an spezielle Bedürfnisse angepasst werden können.

Die Begriffe Computer on Module beziehungsweise CoM prägten Marktforscher der Venture Development Corporation (VDC) und erschienen erstmals in deren Bericht The Global Market for Merchant Computer Boards in Real Time and Embedded Applications vom November 2001. Ab dem Beginn der Industrialisierung des COM-Express-Formats im Jahr 2005 wurden die Begriffe immer präsenter.

Durch die Standardisierung von Schnittstellen wurden die bis zu diesem Zeitpunkt bereits existierenden zahlreichen Vorteile weiter erweitert, boten den Herstellern unter anderem die Flexibilität zum Einsatz von CoMs desselben Schnittstellenstandards verschiedener Hersteller und zudem eine Reduzierung der Time-to-Market.

Weitere Vorteile des Einsatzes von CoM-Produkten anstelle von aufwendigen Neuentwicklungen sind reduziertes Risiko, Kosteneinsparung, die Auswahl aus einer Vielzahl von CPUs aktueller Technologie beziehungsweise Generation, reduzierte Aufwände für das Kundendesign sowie die Möglichkeit, sowohl Hard- als auch Software-Entwicklung parallel durchzuführen. Rückblickend gibt es kein klares »erstes« CoM-Produkt, da eine Vielzahl kleiner komponentenartiger Single-Board-Computer bereits auf dem Markt vertreten waren, als VDC den Begriff einführte.

Über die Jahre haben sich eine ganze Reihe verschiedener CoM-Standards etabliert (Bilder 1 und 2): Neben offenen Standards wie COM Express, SMARC, Qseven, ESM, ETX, XTX, PMC, FMC und XMC existieren auch proprietäre CoM-Formate. Diese modifizieren beispielsweise das Design von SODIMM- und MXM-Steckverbindern, während andere Formate beliebige Board-Größen und verschiedene Arten von Leiterplatten-Steckverbindern (zum Beispiel für hohe Datenraten) aufweisen. Im Folgenden wollen wir besprechen, worin sich die verschiedenen CoM-Formate unterscheiden und wo diese Verwendung finden.