Computermodule mit i.MX6UL/ULL Module löten oder stecken? – Beides!

System-on-Modules, die auf der Steckplatine gelötet oder gesteckt werden können.
System-on-Modules, die auf der Steckplatine gelötet oder gesteckt werden können.

System-on-Modules vereinfachen die Entwicklung von Prozessorboards. Allerdings sind die Steckverbinder teuer und voluminös. Die Alternative: Auflötmodule, die auch auf eine Steckplatine gelötet werden können.

System-on-Modules (SOMs) sind eine bewährte Methode, Entwicklungszyklen zu verkürzen und schnell und zuverlässig mit relativ geringem Aufwand zu neuen Lösungen zu kommen. Fast alle Modullieferanten können inzwischen zu ihren Modulen mehr als eine Betriebssystem-Integration in Form von Board Support Packages (BSPs) liefern. So kann sich der Kunde voll auf die Entwicklung der eigenen Anwendungssoftware konzentrieren, in der das Know-how für die jeweilige Lösung und damit auch die eigentliche Kernkompetenz und die Wertschöpfung stecken.

Größter Vorteil eines Modulkonzepts ist die von Spezialisten vorintegrierte Plattform. Dies umfasst nicht nur die Software, sondern vor allem auch die Hardware mit all ihren technologischen Tücken und Anforderungen. Diese sind im Zeitalter von Multi-Gigahertz-Prozessoren, DDR4+-RAM und schneller Interfaces wie SATA3 und USB 3.1 alles andere als trivial, und die winzigen BGA-Raster erfordern spezielle und vor allem teure Fertigungstechnologien und -maschinen. Schön, wenn der ganze »Fitzelkram« schlüsselfertig integriert ist und mit einer preisgünstigen Schnittstelle nach außen zur vorhandenen, kostengünstigen zwei- oder vierlagigen »Normalelektronik« geliefert werden kann. In Folge von ständig höherer Integration und Miniaturisierung werden dabei die Board-to-Board-Verbinder, die das SOM mit der Trägerplatine verbinden, mehr und mehr zum sperrigen und teuren Hindernis. Zudem sind direkte Lötverbindungen in Bezug auf Kontaktsicherheit und Erschütterungsfestigkeit deutlich zuverlässiger als alle Steckverbinder.

Unübersichtliche ARM-Welt

In der x86-Welt war das Leben anfangs noch einfach: Signale und Busse in die Außenwelt waren durch die Hersteller fest vorgegeben und haben sich seit der Umstellung auf serielle Busse relativ wenig verändert. Einheitliche Systemarchitektur, strikte Vorgaben der Chip-Hersteller, das Prinzip Evolution statt Revolution und die gute Skalierbarkeit der seriellen Busse haben dafür gesorgt, dass man hier auch langfristig mit relativ wenigen direkten Prozessorsignalen auf der Modulschnittstelle auskommt. Als Beispiel seien ETX-Systeme genannt, die selbst heute, rund 20 Jahre nach Einführung des Standards, mit aktuellen Prozessoren kompatibel betrieben werden können.

Dies sieht in der ARM-Welt mit ihrer Vielzahl an Prozessorkernen völlig anders aus. Auch waren die frühen ARM-Systeme bei weitem nicht so weit als Systeme ausgebildet wie ihre x86-Pendants. Hoch integrierte »komplette« Systems-on-Chip wie etwa die i.MX-Familie von NXP kamen – verglichen damit – erst relativ spät auf den Markt. Die beiden ersten (und bislang einzigen) »echten«, offenen Modulstandards waren und sind Qseven und SMARC, die sich im Wesentlichen durch ihre Verbreitung, die Anzahl ihrer Pins, die Anzahl der damit auf dem SOM unterstützten Busse sowie Schnittstellen, und dadurch auch im Preis unterscheiden. »Inoffiziell« gab und gibt es in der ARM-Gemeinde schon immer den SODIMM-Sockel als Standardschnittstelle, zunächst als SODIMM-144, heute allgemein als SODIMM-200. Leider gibt es kein herstellerunabhängiges Gremium wie etwa die SGET (Standardization Group for Embedded Technologies), das eine Pin-Belegung verbindlich und allgemein gültig festgelegt hat, sodass sich die SODIMM-200-»Standards« der verschiedenen Hersteller unterscheiden können. Austauschkompatibilität besteht bei ARM also vorwiegend unter SODIMM-200-Modulen des gleichen Herstellers.

Dennoch bleibt zumindest herstellerspezifisch der Vorteil der Skalierbarkeit und der weitgehenden Kompatibilität der Entwicklungsumgebungen. So kann der Entwickler im Idealfall im Projekt beim Umstieg auf ein neues Modul seine Entwicklungs- und Testumgebung beibehalten und damit Einarbeitungszeit und Kosten sparen. Was bleibt, ist der Nachteil der Beschränkung auf die 200 Pins. Zur sicheren Inbetriebnahme und für grundlegende Funktionstests ist nur eine relativ geringe Anzahl an Standardpins erforderlich. Bei vielen Projekten wäre es aber überaus nützlich, prozessorspezifisch mehr als nur die wenigen »freien« Pins bzw. Signale einer Standardbelegung verwenden zu können.

Das Beste aus beiden Welten

Ideal wäre es daher, wenn man für ein spezifisches SOM wie bei einem normalen Design-in alle »interessanten« Pins des jeweiligen SOM (CPU und Schlüsselperipherie) für das Baseboard zur Verfügung hätte und für schnelle Inbetriebnahme und Test immer die gleichen Grundfunktionen. Dafür reichen die 200 Pins aber nicht aus. und selbst SMARC mit seinen 314 nutzbaren Pins kommt da angesichts der Vielfalt an verschiedenen ARM-Architekturen schnell an seine Grenzen.

Die Idee ist nun, beide Möglichkeiten miteinander zu verbinden: Dazu benötigt man für jede spezifische Chip-Architektur ein SOM zum Auflöten, das dann genau die sinnvoll benötigte Anzahl an Pins bzw. Signalen enthält, die für den jeweiligen Prozessor erforderlich sind. Begrenzt wird die Anzahl durch die Größe des jeweils gewählten LGA. Es gilt die Regel: so groß wie nötig, so klein wie möglich. Im Beispiel des hier gezeigten i.MX6-UL(L)-Auflötmoduls sind das 215 Pins.

Für Entwicklung, Test und Inbetriebnahme gibt es vom Hersteller DH electronics zum SODIMM-200 basierenden Entwicklungssystem, bestehend aus Trägerboard (Bild 1), Treiber und Zubehör, zusätzlich noch ein DHCOM-Modul, das ein »Module-on-Module« darstellt (Bild 2), mit dem die Systementwicklung sofort gestartet werden kann. Parallel dazu kann auf Basis der vorliegenden Schaltpläne mit der Entwicklung des kundenspezifischen Trägerboards begonnen werden. Hierzu wird quasi nur der benötigte Teil von Entwicklungsboard und Trägermodul extrahiert, kundenspezifische Zusatzfunktionen hinzugefügt und das Ergebnis dann passend entwickelt und gefertigt (Maße, Kühlkonzept). Dies kann entweder beim Kunden oder bei DH electronics als Auftragsarbeit erfolgen. So wird das Beste aus beiden Welten erreicht: Alle benötigten Pins stehen zur Verfügung und trotzdem können die Vorteile einer standardisierten Modultechnik genutzt werden.