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Embedded Computing

CoMs im Vergleich (Teil 1)

15. Januar 2020, 11:30 Uhr | Alexander Jäger, Heitec

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

ETX, XTX und ESM

ETX (Embedded Technology eXtended) ist ein integrierter und kompakter CoM-Formfaktor (95 mm × 114 mm), der in einem Layout für integrierte Schaltungen verwendet werden kann. ETX integriert Kern-CPU und Speicherfunktionen sowie die gemeinsame I/O, USB, Audio, Grafik und Ethernet eines PCs. ETX-Boards sind mit Prozessoren der x86-Architektur wie AMD Geode, BIA, Intel Atom, Pentium, Celeron und Core Duo erhältlich. Vier Steckverbinder decken alle I/O-Signale sowie eine vollständige Implementierung von ISA- und PCI-Bus ab. Über die Steckverbinder werden der PCI-Bus, der ISA-Bus sowie die PC-Schnittstellen, zum Beispiel USB, der IDE-Bus usw. auf das Baseboard geführt.

Heute spielt dieser Standard im CoM-Bereich keine große Rolle mehr, da die von ETX unterstützten Legacy-I/O-Standards wie PCI, IDE und ATA nicht mehr in der Lage sind, das volle Potenzial moderner CPUs, Grafikprozessoren (GPUs) und schneller Speicher auszureizen.

XTX (eXTended lifecycle for ETX) ist eine Erweiterung und Fortsetzung des sehr erfolgreichen ETX-Standards. Da der ISA-Bus in modernen Embedded-Anwendungen immer weniger eingesetzt wird, bietet XTX eine Reihe neuer Features. Dazu gehören neue serielle Hochgeschwindigkeitsbusse wie PCI Express (PCIe) und Serial ATA (SATA). Alle anderen Signale bleiben zum ETX-Standard identisch und sind somit vollständig kompatibel. Benötigt die Embedded-PC-Anwendung weiterhin den ISA-Bus, so lässt sich eine ISA-Brücke auf dem anwendungsspezifischen Trägerboard implementieren oder ein entsprechend verfügbarer LPC-Bus auf dem Modul verwenden.

Die größere I/O-Bandbreite von XTX bietet ETX-Entwicklern eine kostengünstige Upgrade-Möglichkeit auf leistungsstärkere Prozessoren, ohne das Trägerboard verändern zu müssen. Im Verhältnis zu den Anforderungen aktueller Anwendungen ist der reale Performance-Anstieg eher beschränkt. Beispielsweise können XTX-Module mit den vorhandenen vier PCI-Express-Lanes die x16-PCI-Express-Graphics-Verbindungen für externe High-Performance-GPUs nicht bedienen. Ebenfalls bietet XTX kein Gigabit-Ethernet-on-Board und die spezifizierten Anschlüsse sind nicht für PCIe und SATA höherer Generationen ausgelegt. Der Support von Legacy-Peripherieschnittstellen ist darüber hinaus nicht mehr zeitgemäß, da neue Peripheriegeräte diese Standards kaum mehr unterstützen. Obwohl XTX versucht, die Lücken zu schnelleren und leistungsstärkeren CoM-Modulen zu schließen, reichen die Möglichkeiten mit dem Standard nicht an die zukünftigen Bedürfnisse der Anwender heran.

Sowohl der ETX- als auch der XTX-Standard sind im Grunde proprietäre Definitionen, mittlerweile gepflegt von Firmenkonsortien. Bei Markteinführung von ETX existierten noch keine Standards für CoMs, sodass die Entscheidung der Anwender hinsichtlich einzusetzenden CoM leicht fiel (Bild 3). Aus den genannten Gründen wurde es Zeit, einen Standard zu kreieren, der ein CoM-Format beschreibt, das mit den technischen Fortschritten und Marktanforderungen mithalten kann.

ESM-Familie

Die ESM-Technologie ist ein variabler Standard für Plug-on-Boards bei Industrie-Computern und findet bevorzugt Anwendung in der Implementierung auf Baseboards im Europakartenformat (160 mm × 100 mm). Der Formfaktor beträgt 71 mm × 149 mm, wobei die Board-Tiefe die Einstecktiefe einer Europakarte nutzt. Das komplette Embedded-System mit Prozessor, Speicher, I/O-Schnittstellen befindet sich auf dem Modul und lässt sich durch die Anbindung an den PCI-Bus um andere Funktionen erweitern. Funktional gibt es bei ESM-Modulen nahezu keine Grenzen, beginnend vom einfachen Baseboard bis hin zum kompletten Computermodul.

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Für einen Teil der Peripherie lassen sich die Steckverbinder auf dem Modul selbst implementieren, was einen Unterschied zum Beispiel zu PC/104-Modulen darstellt. Anders als klassische CoM-Konzepte unterstützen ESMs nicht nur eine Standardbus-Architektur, sondern auch programmierbare Peripheriesignale wie UARTs, Feldbus oder Ethernet. ESMs sind mit dem PCI-Standard kompatibel und unterstützen 32- und 64-Bit-Datenbusse mit Frequenzen von 33 MHz und 66 MHz. Dies garantiert Kompatibilität mit PMCs, PC-MIPs und anderen. ESMs werden typischerweise auf Baseboards für CompactPCI und VMEbus eingesetzt.

Für den Einsatz in besonders rauen Umgebungsbedingungen wurde der ESMexpress-Formfaktor definiert (95 mm × 125 mm). Neben einer CPU beinhaltet jedes Modul auch Speicher, eine Reihe von seriellen Schnittstellen wie PCI Express, Gigabit-Ethernet, USB, SATA, SDVO usw. Diese Schnittstellen sind in der Spezifikation des Formfaktors definiert und werden zwei 120-poligen Steckverbindern zugeordnet. Einzige Einschränkung des Formfaktors ist die Verlustleistung, die 35 W nicht überschreiten darf. So lassen sich Lösungen auf Basis von PowerPC- oder Atom-Prozessoren mit mehreren Rechenkernen realisieren.

Um Lösungen mit mehr I/O-Flexibilität zu gewährleisten, bietet das Format ESMini eine passende proprietäre Möglichkeit. Dort ist die Pinbelegung zwar nicht definiert, jedoch können identische Stecker zum Beispiel für FPGA-Lösungen verwendet werden.

Hinsichtlich Performance und Kompatibilität zu neuen Technologien und immer weiter voranschreitenden Anforderungen an Skalierbarkeit und Modularität haben ESMs keinen großen Anteil mehr im CoM-Segment.

PC/104 und seine Weiterentwicklungen

PC/104 ist ein Embedded-Computer-Standard, der durch seine kompakte Größe und seine stapelbare Busstruktur definiert ist. Im Wesentlichen ist der PC/104-Standard eine modulare, robuste Version des PC. Anstatt einer Backplane werden die PC/104-Module über ISA-, PCI- und PCIe-Steckverbinder miteinander verbunden. PC/104 nutzt große PC-Hard- und Software-Märkte, indem es die Mainstream-PC-Busse implementiert.

Vollständig definierte Bus-Pinbelegungen ermöglichen Austauschbarkeit und Interoperabilität. Das bedeutet, dass Anwender und Systemdesigner aus einer Vielzahl von spezialisierten PC/104-Modulen wählen können, um ein System an ihre Projektanforderungen anzupassen.

Der PC/104-Standard beschreibt mehrere Varianten: Bei der herkömmlichen PC/104-Struktur werden Signale via ISA-Bus verbunden, erweitert durch PC/104-Plus mit einem PCI-Steckverbinder und entsprechende Signale. Das PCI-Pendant zur PC/104-Ausführung bildet die Variante PCI-104, bei der das Board nur mit einem PCI-Steckverbinder versehen ist. Um eine Schnittstelle zwischen PCI und PCIe zu gewährleisten, wurde PCI/104-Express eingeführt, das mit einem PCI- und einem PCIe-Steckverbinder ausgestattet ist. Die fünfte Variante bildet PCIe/104 mit lediglich einem PCIe-Steckverbinder. Als letzte Variante bestimmte das PC104-Konsortium im Jahr 2015 den Standard PCIe/104 OneBank. Hier kommt eine kostengünstigere Version des PCIe/104-Steckverbinders zum Einsatz, der nur eine 52-polige Bank umfasst, die jedoch für die vorgesehenen Anwendungsbereiche wie industrielle Sensorik ausreichend Leistung und Funktionsumfang gewährleistet.

Boards nach PC/- und PCI/104 können mit standardisierten Baseboards kombiniert werden, um weitere I/Os zu realisieren oder Funktionen abzudecken, die nur mit Kombination mehrerer übereinandergestapelter PC/- und PCI/104-Module möglich wären.

Eine Möglichkeit, diese Module auf ein Baseboard mit weiteren Peripheriefunktionen zu integrieren, bietet das EBX-Mainboard (Embedded Board eXpandable) mit 146 mm × 203 mm. Dies ist groß genug, um alle Funktionen eines vollständigen Embedded-Computersystems abzubilden. Ein EBX-Mainboard lässt sich mit allen stapelbaren PC/104-Varianten erweitern, was es sehr anpassungsfähig macht. Eine Kombination mit einem PC/104-Plus-Modul führt zum Beispiel zu einer Prozessorunabhängigkeit für den Entwickler.

Der zweite verwendbare Mainboard-Standard ist EPIC mit den Maßen 115 mm × 165 mm. Mit diesem Formfaktor stehen in der Regel mehrere I/Os zu Verfügung und er ist für den Einsatz im erweiterten Temperaturbereich geeignet. Diese Boards finden oft Platz in industriellen Anwendungen mit höherer Leistung und eignen sich besonders für zukünftige Upgrades.

Militär, Transport und Energie sind drei der größten Märkte für PC/104. Die Produkte finden sich jedoch auch in vielen anderen Anwendungen auf der ganzen Welt wieder, die einen kleinen, robusten und kostengünstigen Formfaktor erfordern. Beispiele dafür sind in Plattformen für die Fernüberwachung, die Verkehrsüberwachung, Bergbau und industriellen Steuerungen zu finden.

Im zweiten Teil wird es um die CoM-Standards PMC und Verwandte, SMARC, Qseven und COM Express gehen. Abschließend werden die Aspekte zusammengefasst und bewertet.