Single-Board-Computer Modular ohne Module

Embedded-PCs erlauben eine fast unendliche Variantenvielfalt bezüglich Prozessoren, Arbeitsspeicher und Peripherie. Doch je mehr Optionen man sich offen halten möchte, desto teurer wird das Design. Am preiswertesten ist ein Single-Board-Computer, auf dem alles drauf ist. Im Abwägen von Kosten und Flexibilität hat Advantech ein neues Gleichgewicht gefunden: MI/O, ein modulares I/O-Konzept für Embedded-PCs.

An der x86-Architektur ist praktisch alles variabel: Der Prozessor, der Arbeitsspeicher und was an Peripherie nötig ist. So entstanden modulare Gerätekonzepte wie z.B. das ATX-System für Büro-PCs oder CompactPCI für Industrie-PCs mit passiver Backplane. Diese Systeme sind vergleichsweise teuer, weil sie aus mehreren Leiterplatten bestehen. Das Netzteil muss zwangsläufig überdimensioniert sein, um auch zukünftige Erweiterungen - also einen stärkeren Prozessor oder zusätzliche Peripheriekarten - versorgen zu können.

Außerdem ist jede Steckverbindung eine potenzielle Fehlerquelle, weshalb die Mechanik für industrielle Geräte entsprechend aufwendig und teuer ausgeführt werden muss. Das Gegengewicht zu diesen modularen Systemen bilden Single-Board-Computer, die in kompakten Box-PCs eingesetzt werden. Begünstigt durch die fortschreitende Integration von Prozessoren und Chipsätzen befindet sich hier alles auf einer Leiterplatte. Spätestens seitdem die x86-Prozessoren eine brauchbare Grafik im Chipsatz bzw. im Prozessor integrieren, hat haben Box-PCs mit Single-Board-Computer einen Siegeszug angetreten. Neben der Grafik befinden sich Festplattenanschlüsse, meist zwei Video-Ausgänge, Ethernet- und sechs bis acht USB-Anschlüsse auf den Boards - wer braucht schon noch mehr?

Die Industrie braucht mehr

Ganz klar: Die Industrie braucht mehr. Denn oft sind in industriellen PCs Anschlüsse gefragt, die nicht Bestandteil der Standard-x86-Chipsätze sind. Das kann ein zusätzlicher Netzwerkanschluss sein, CAN, die aus der Mode gekommene serielle Schnittstelle oder digitale bzw. analoge Eingänge für die Aufnahme von Messwerten. Für die Anpassung von PC-Hardware an kundenspezifische Anforderungen haben die Hersteller industrieller Hardware das Konzept aus Computer-Modulen und Träger-Boards entwickelt. Der komplizierte Teil der Leiterplatte, mit Prozessor, Chipsatz und Arbeitsspeicher, wird auf ein Modul ausgelagert und der Kunde entwickelt dazu ein einfaches Träger-Board, das die zusätzlich notwendige Peripherie enthält.

Doch nicht jeder Kunde hat eigenes Know-how zum Leiterplattenentwurf im Hause. Zwar gibt es auch Entwicklungsdienstleister, um sich solch ein Board maßgeschneidert bauen zu lassen, doch das lohnt sich erst ab einer gewissen Stückzahl. Zu groß soll diese Stückzahl aber auch wieder nicht werden, denn dann wäre ein kundenspezifisch gefertigter Single-Board-Computer günstiger. Advantech bietet mit MI/O nun eine Alternative für Projekte mit kleinen Stückzahlen.

 Compact-Serie
 Ultra-Serie
Abmessungen142 x106 mm²
100 x 72 mm²
TDP (Prozessor)9 W bis 40 Wunter 8 W
Featuresmittlere bis leistungsstarke Plattformen vielfältige I/O
unterstützt erweiterten Temperaturbereich
unterstützt iManager
minimale Leistungsaufnahme
miniaturisierte Bauform
günstiger Preis, einfache I/O
Tabelle 1. MI/0-Module gibt es in den Baugrößen "Compact" und "Ultra"

Das MI/O-Konzept zielt auf vertikale Märkte mit spezifischen Anforderungen nach Schnittstellen, die nicht im Standardfunktionsumfang von PCs enthalten sind. Durch die Erweiterungsmöglichkeit werden Standardbaugruppen so auch für „exotische“ Anwendungsgebiete eine praktikable Lösung. Gegenüber Computer-Modulen und Baseboards ist das MI/O-Konzept schneller realisierbar, weil das Design eines Träger-Boards entfallen kann und damit auch die dazu nötige Entwicklungszeit entfällt - ganz abgesehen davon, dass ein solches Board dann auch noch getestet werden muss.

Von Single-Board zu Dual-Board

MI/O steht für Multiple I/O. Ein MI/O-System besteht aus einem Single-Board-Computer und maximal einem Erweiterungs-Board. Für den Single-Board-Computer bietet Advantech zwei Baugrößen an: MI/O Compact und MI/O Ultra (siehe Tabelle 1 und Bild 1).

Das Compact-Format eignet sich für leistungsfähige Mobilprozessoren mit einer Leistungsauf- nahme des Prozessors bis 40 Watt. Das kleinere Ultra-Format entspricht in seinen Abmessungen dem PicoITX-Format und verkraftet nur Low-Power-Plattformen, deren Prozessoren eine TDP von nicht mehr als 8 Watt haben. Selbstverständlich können beide Board-Formate auch ohne Erweiterung als Single-Board-Computer betrieben werden. Auf der Oberseite des Boards befinden sich die Hitze produzierenden Bauteile: Prozessor, Chipsatz und Arbeitsspeicher.

Auf der Unterseite kann eine CompactFlash- oder CFast-Karte gesteckt werden. Beim Compact-Format hat zusätzlich eine 2,5-Zoll-Festplatte sowie eine
Mini-PCI-Express-Erweiterungskarte Platz.

Diese Komponenten sind so platziert, dass sie nicht mit den Steckverbindern des I/O-Boards in Konflikt geraten. Eine etwaige MI/O-Erwei-te-rungskarte wird ebenfalls unter die Hauptplatine gesteckt. Dazu befindet sich an einer der Stirnseiten des Boards der MI/O-Erweiterungsstecker (Bild 2).

Dieser Steckverbinder transportiert in der gegenwärtigen Spezifikation Signale für DisplayPort, PCI Express, USB, LPC, Audio und die Stromversorgung des Erweiterungs-Boards (Tabelle 2). Allerdings schreibt Advantech, dass die Pin-Belegung vom Chipsatz der Plattform abhängt.

DisplayPort
 4 PCIe x1
USB 3.0
USB 2.0 x2
LPC
HD Audio line out
SMBus
+12 V
+5 V
Tabelle 2. DisplayPort4 PCIe x1USB 3.0USB 2.0 x2LPCHD Audio line outSMBus+12 V+5 VTabelle 2. Über den MI/O-Erweiterungssteckverbinder werden diese Signale übertragen. Die Liste kann sich mit dem Erscheinen zukünftiger Chipsätze allerdings ändern.

Für die Gegenwart dürfte dies eine Vorsichtsmaßnahme sein, da die derzeit erhältlichen Plattformen, Intel Atom und AMD-G-Serie, sich so ähnlich sind, dass nur eine einzige Kontaktbelegung existiert. Aber für die Zukunft liegt man natürlich auf der sicheren Seite, wenn man sich nicht festlegt. Schließlich hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass die Peripherie der PC-Architektur einem ständigen Wandel unterworfen ist: USB geht inzwischen in die dritte Generation, serielle und PS/2-Schnittstellen sterben aus, dafür entstehen neue serielle Standards wie Thunderbolt, von denen noch nicht sicher ist, ob sie sich durchsetzen werden.

Als Computer-Boards mit MI/O-Erweiterung hat Advantech zunächst zwei Plattformen auf den Markt gebracht: Eine mit AMDs G-Serie (Single- oder Dual-Core) und eine mit Intels Atom N455 (Single-Core). Für die Intel-Atom-Plattform verwendet Advantech den Ultra-Formfaktor, während für die AMD-Prozessoren aufgrund der optionalen Bestückung mit dem leistungsstärkeren Dual-Core das größere Compact-Board eingesetzt wird, über das mehr Wärme abgeführt werden kann. Advantech spezifiziert für die MI/O-Single-Board-Computer die Lage von Prozessor, Arbeitsspeicher und Chipsatz, weil sie die „Hot-spots“, die größten Wärmequellen sind.

Zusammen mit den genormten Montagebohrungen soll sich ein einheitlichens Kühlkonzept verwirklichen lassen, damit Kühlkörper- und Gehäuse-Design über mehrere Board-Generationen hinweg verwendet werden können. Zu diesem Zweck gibt es an der Längsseite der Boards auch eine „I/O Zone“ für die Steckverbinder, die nach ATX-Art immer an der gleichen Stelle angeordnet werden sollen und für die entsprechenden Gehäuseöffnungen gestaltet werden müssen.

Das im November 2011 vorgestellte MI/O-Konzept ist ein „Haus-Standard“ von Advantech. Bisher gibt es noch keine „Second Source“ für System- oder Erweiterungs-Boards. Das könnte sich allerdings noch ändern, denn Advantech hat angekündigt, die Spezifikationen für MI/O auf seinen Internet-Seiten zum Download zur Verfügung zu stellen. Ebenso könnten Kunden, die über eigenes Know-how im Leiterplattenlayout verfügen, ihre eigenen I/O-Karten entwerfen.