Ultra-Low-Power-Module Neue Spezifikation für COMs auf ARM-Basis

Entwicklungen auf Basis von ARM-Architekturen erfolgten bisher meist applikationsspezifisch als proprietäre oder kundenspezifische Designs. Aufgrund der extremen Vielfalt unterschiedlicher SoCs waren ein effizientes Design-in von Standardbauteilen und -modulen sowie eine Wiederverwendung der ARM-Technologie nahezu unmöglich. Standardisierte »Computer-on-Module« speziell für Entwicklungen auf Basis von ARM und SoCs können die »Aktivierungsenergie« für Embedded-Applikationen allerdings deutlich senken.

Neueste ARM-Prozessoren, wie sie in aktuellen Smartphones und Tablets zum Einsatz kommen, werden zunehmend auch für Embedded-Applikationen interessant: Sie unterstützen zahlreiche Betriebssysteme, darunter auch Linux und Android, bieten in den meisten Fällen eine Langzeitverfügbarkeit von mindestens fünf bis sieben Jahren und sind auch für den erweiterten Temperaturbereich erhältlich. Vor allem aber bestechen sie durch ihre hohe Performance bei sehr niedrigem Leistungsbedarf, durchschnittlich unter 2 W oder sogar 1 W.

Eine so extrem geringe Leistungsaufnahme können die SoCs auf ARM-Basis nur durch hoch spezialisiertes, komplexes De-sign erreichen. Sie integrieren bedarfsgerecht verschiedene I/Os und Hardware-Subsysteme mit individuellen Schnittstellen. Darüber hinaus nutzen ARM-SoCs häufig für gleiche Aufgaben andere Schnittstellen als x86er-Prozessoren und -Chipsätze, um Platz und Strom zu sparen. Daher waren OEMs bisher auf kundenspezifische Designs oder die Verwendung proprietärer Blöcke mit individuellen Software-Implementierungen beziehungsweise -Anpassungen angewiesen, da bei SoCs auf ARM-Basis die Treiber selbst für dieselben physikalischen I/Os variieren, was neue Software-Kompilationen erfordert.

Damit die Applikationsentwicklung mit der ARM-Technik deutlich kosten- und zeiteffizienter wird, benötigen OEMs standardisierte »Building Blocks«. Gleichzeitig sollten diese Basiskomponenten genügend Flexibilität bieten, um die Schnittstellen der unterschiedlichen Subsysteme in neuesten ARM-Designs auszuführen. COMs (Computer-on-Module) können genau diese Kombination aus vorintegrierten Komponenten und hoher Flexibilität bei der applikationsspezifischen Integration individueller Schnittstellen bieten. Idealerweise sollten die Module auf einem herstellerunabhängigen Standard basieren, um eine hohe Designsicherheit und damit auch effiziente Wiederverwendung zu ermöglichen.

Herstellerunabhängiger Standard

Mit der bei der SGET (Standardization Group for Embedded Technologies) zur Ratifizierung vorgelegten Spezifikation für »Ultra Low Power«-Computer-on-Module mit dem Arbeitstitel »ULP-COM« ist ein solcher Standard bereits in Arbeit. ULP-COM wurde speziell für mobile Applikationen mit niedriger Leistungsaufnahme entwickelt und integriert mit einem großen Angebot an nutzbaren ARM-spezifischen Schnittstellen mehrere SoCs mit unterschiedlichen Leistungsklassen.

Komplementär zu x86er-Modulen soll die Spezifikation das Einsatzfeld sowohl auf besonders sparsame Embedded-Handheld-Geräte und Tablet-Computer sowie extrem kompakte HMIs und Box-PCs mit hoher Skalierbarkeit, Langzeitverfügbarkeit und Robustheit erweitern. Herzstück einer jeden COM-Spezifi-kation ist der Steckverbinder zwischen Modul und Trägerboard. Für den ULP-COM-Standard kommt der »MXM 3.0«-Steckverbinder mit 314 Pins zum Einsatz, der mit lediglich 4,3 mm Höhe besonders flach bauende Designs mit einem Board-zu-Board-Abstand von nur 1,5 mm ermöglicht (Bild 2).

So lassen sich Applikationen mit einer Gesamtbauhöhe von unter 9 mm realisieren. Bei 33 reservierten Leitungen für die Stromversorgung und Masse stehen von den insgesamt 314 Pins effektiv 281 Signalleitungen zur Verfügung, das sind 50 mehr als der Vorgänger-Konnektor »MXM 2.0« insgesamt aufweist. Zudem hat sich der Steckverbinder bei Grafikkarten in Notebooks bereits als zuverlässig erwiesen und ist von mehreren Herstellern langfristig erhältlich. Um unterschiedlichen mechanischen Anforderungen zu genügen, definiert ULP-COM zwei verschiedene Modulgrößen: ein kurzes Modul mit 82 mm x 50 mm sowie ein Full-Size-Modul mit 82 mm x 80 mm (Bild 1).

Letzteres ist nicht nur für zukünftige leistungsstärkere SoC-Designs gedacht, die eine größere Fläche zur Wärmeabfuhr benötigen, sondern bieten auch mehr Platz für zusätzliche Speicheroptionen wie beispielsweise NAND-Flash. Analog zu anderen Modulspezifikationen sind auch alle anderen mechanischen Parameter wie die Position der Montagebohrungen oder Details für eine effiziente, standardisierte Kühllösung definiert. Diese basiert auf robusten, verschraubten Kühlkörpern, deren Wärmeabgabe im erweiterten Temperaturbereich besonders effizient ist.

Zwei Formfaktoren

Auch auf der elektrischen Seite soll die ULP-COM-Spezifikation Entwicklern viel Flexibilität bieten. Für mobile Handheld-Devices beispielsweise gibt es eine eMMC-Schnittstelle, da Multimedia-Cards (MMCs) im Vergleich zu Festplatten oder SSDs Platz, Gewicht und Batterieleistung sparen. Ist die Baugröße entscheidend, können x86er-Erweiterungen mit PCI-Express durch SDIO ersetzt werden.

Weitere Peripherie wie Bluetooth oder ZigBee für die Vernetzung oder Gyroskop- und GPS-Sensoren lassen sich über bis zu fünf I²C-Ports anbinden. Dazu kommen zwei Serial-Peripheral-Interfaces (SPI) beispielsweise für den Anschluss von Touchscreens, Sensoren oder Speichermedien. Audiosignale werden mittels I²S zum Trägerboard übertragen. Darüber hinaus ermöglichen zwei MIPI-konforme Kameraeingänge Video-Anwendungen ohne zusätzliche Controller. Und die beiden optionalen CAN-Busschnittstellen sind besonders für die Automatisierung und Fahrzeuglösungen interessant.

Gleichzeitig sind auch die typischen x86er-Schnittstellen wie SPDIF, bis zu drei USB-2.0-Ports, Ethernet mit 10/100/1000-MBit/s oder bis zu drei PCI-Express-Lanes vorhanden. Letztere sind beispielsweise nützlich, um LAN- oder WLAN-Erweiterungen auf dem Trägerboard anzubinden oder FPGA-Implementierungen für per Software definierbare Feldbuserweiterungen umzusetzen.

Für die Displayanbindung definiert die Spezifikation einen 24-Bit-RGB-Ausgang sowie den verbreiteten 18/24-Bit-Single-Channel-LVDS-Port. Zum LCD-Support zählen auch Lanes für die Panel- und Hinterleuchtungssteuerung mit Pulsweitenmodulation und Dual-Pixel-Clock. Ein zusätzliches Display ist über HDMI oder DisplayPort ansteuerbar.

Offen für die Zukunft

Mit dieser Belegung bleiben 20 Pins des Steckverbinders unbelegt, diese sind dem sogenannten »Alternate Function Block« (AFB) zugewiesen und stehen für neue Standardfunktionen in zukünftigen Versionen der Spezifikation bereit. Damit ist sichergestellt, dass die Spezifikation auch kommende, heute noch nicht absehbare technische Entwicklungen einbinden kann und dennoch die volle Kompatibilität zu vorherigen Designs beibehält.

Als erstes Modul in dem neuen Standard wird Kontron das »ULP-COM-sAT30« auf den Markt bringen. Auf dem nur 82 mm x 50 mm großen Modul sitzt der »Cortex-A9«-Quadcore-Prozessor »Tegra 3« von Nvidia mit 800 MHz Taktfrequenz. Zielanwendungen sind bildgebende Applikationen wie Digital-Signage oder Medienplayer. Dafür bietet das Modul leistungsfähige Grafik mit dedizierten Schnittstellen für zwei unabhängige Displays inklusive hardwarebeschleunigter HD-Video-Dekodierung für MPEG2 und HD-Video-Enkodierung sowie 2D- und 3D-Beschleunigung.

Noch in diesem Jahr sollen zwei weitere ULP-COM-Module mit dem »AM3874« von Texas Instruments für industrielle Applikationen und Freescales »iMX6«-Prozessor auf den Markt kommen. Letztere werden in unterschiedlichen Leistungsklassen erhältlich sein. Sie bieten sich mit Features wie HD-Video-De- und -Enkodierung mit 1080p oder 3D-HD-Videowiedergabe für eine Vielzahl neuer, skalierbarer Multimedia-Applikationen in Märkten wie Digital-Signage, Automotive oder POS/POI-Kiosks an.

Damit Entwickler die ARM-Technik möglichst schnell und effizient nutzen können, werden Hersteller wie Kontron Module auf ARM-Basis zusammen mit umfassenden Design-dienstleistungen anbieten. So wird es fertig integrierte »Application Ready Platforms« auf Board- und Systemebene als Standardprodukte oder auch kundenspezifisch geben.

Daneben wird Kontron auch einen Schwerpunkt auf Software-Entwicklungsdienstleistungen legen, die von Treiberentwicklungen bis hin zu OS-Code-Anpassungen reichen. So plant das Unternehmen beispielsweise, eine einheitliche und vollständige Software-Infrastruktur für die Module auf einem vorinstallierten Betriebssystem bereitzustellen. So können sich Entwickler voll auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren und direkt mit der Applikationsentwicklung oberhalb der Betriebssystemebene starten.

Über den Autor:

Hubert Hafner ist Product Marketing Manager bei Kontron.