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Mit linuxfähigem Hybridsystem in die Cloud

DH Electronics
© fotolia – Kara

Viele Anwendungen müssen cloudfähig gemacht werden. Obendrein wünschen sich die Benutzer eine zeitgemäße Benutzeroberfläche mit Touch-Eingabe. Wie kann das mit Standard-Modulen funktionieren?

Die Linux-Welt hat sowohl für leistungsfähige und sichere Cloud-Anbindung als auch für attraktive grafische Benutzerschnittstellen seit vie-len Jahren ein reichliches Software-Angebot und dies teilweise sogar als kostenlose Open-Source-Implementierungen. Mit diesen bewährten Elementen müssen eine sichere und effiziente Cloud-Anbindung und eine topaktuelle Benutzerschnittstelle nicht zum x-ten Male neu erfunden und langwierig programmiert und getestet werden. Bewährter Code muss nur noch konfiguriert und gegebenenfalls mit wenigen Schritten an die aktuelle Aufgabenstellung angepasst werden. So weit, so schön.

In der Praxis lag bisher ein wesentliches Problem der »Deeply Embedded«-Welt darin, dass die meisten Mikrocontroller über zwar sehr effiziente, aber von ihrer Leistungsfähigkeit her für die Ausführung eines Standard-Linux-Kernels doch zu schwache Prozessoren verfügten. So blieb nur die Möglichkeit, entweder die Controller-Anwendung aufwändig auf leistungsfähigere Hardware mit einem Linux-System zu portieren oder für Benutzerschnittstelle und Cloud-Anbindung einen zusätzlichen, Linux-fähigen Prozessor auf der Leiterplatte zu integrieren. Beides war zeit- und kostenintensiv, vom der zusätzlichen Stromaufnahme ganz zu schweigen. Effizienter ist es, einen Standard-Controllerchip und einen leistungsfähigen, Linux-fähigen Prozessor direkt in einem Gehäuse zu integrieren. Solche Chips bezeichnet man gerne auch als Hybrid-Chips, weil sie im Gegensatz zu gewöhnlichen Multiprozessor-Chips Prozessoren verschiedener Bauart enthalten. Im Falle der STM32MP1-Familie handelt es sich konkret um eine Cortex-M4-MCU, die durch eine oder zwei Cortex-A7 MCU ergänzt wird. Zusätzlich sind hier optional auch noch eine leistungsfähige 128/256-bit-Crypto-Engine und eine Open GL ES2.0-fähige 3D-GPU möglich. Details über die STM32MP1-Familie finden sich in [1].

Warum Cortex-M von ST Microelectronics?

Bei den 32-bit-Cortex-M-Mikrocontrollern beherrscht ST Microelectronics den Markt bereits seit mehr als zehn Jahren mit deutlichem Abstand zu den Mitbewerbern. Für die Vielzahl an bestehenden STM-32-Anwendern stellt sich die Frage gar nicht erst, weil sie ihre bisherigen Mikrocontroller-Anwendungen voll hard- und softwarekompatibel ohne großen Aufwand einfach weiter verwenden können. Dies spart enorm an Zeit und (Neu-) Entwicklungskosten.

Für alle anderen mögen die beherrschende Rolle von ST Microelectronics mit über 50 % Marktanteil in diesem Marktsegment und/oder das umfangreiche und viele Jahre bewährte Ökosystem von den Entwicklungs- bis hin zu den Testwerkzeugen gewichtige Argumente sein. In Zeiten des Ingenieurmangels ist es ein weiterer Vorteil, dass die meisten Software-Ingenieure und Programmierer in der Embedded-Welt bereits über spezifische Erfahrung mit der STM32-Familie und dem STM32Cube-Entwicklungsuniversum verfügen. Die STM32MP1-Familie ist ebenso nahtlos in STM32CubeMX, eclipse-basierende Multi-Core-IDE-Lösungen und den STM32Cube Programmer integriert, wie diverse Linux-Derivate für den Prozessor Cortex-A7, wie etwa die Debian-Distribution oder Yocto. Dies waren auch wesentliche Gründe für DH electronics, die STM32MP1-Famile unmittelbar nach Erscheinen als nächste Plattform in seine Auflöt-Modulfamilie zu implementieren.

Relevante Anbieter

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Bild 1: DHCOM STM32MP15x SDIMM-200 Modul mit Blockdiagramm.
© DH Electronics

Modulkonzepte sparen Entwicklungszeit und Geld

System-on-Modules (SOMs) sind eine seit Jahrzehnten bewährte Methode, Entwicklungszyklen zu verkürzen und schnell, zuverlässig und mit geringem Aufwand zu neuen Lösungen zu kommen. Fast alle Modullieferanten bieten zu ihren Modulen komplett vorintegrierte Lösungen zur Betriebssystemintegration in Form von Board-Support-Packages (BSPs) an. Damit kann sich der Kunde voll auf die Entwicklung der eigenen Anwendungs-Software konzentrieren, in der das Know-how für die jeweilige Lösung und damit auch die eigentliche Kernkompetenz und Wertschöpfung stecken. Der größte Vorteil aller Modulkonzepte ist die von Spezialisten vorintegrierte Plattform, die nicht nur die Software sondern vor allem auch die Hardware mit all ihren technologischen Tücken und Anforderungen umfasst. Diese sind heutzutage nicht trivial und die winzigen BGA-Raster aktueller Prozessoren erfordern spezielle und vor allem teure Fertigungstechnologien und -maschinen. Schön, wenn bereits alles schlüsselfertig integriert ist und mit einer preisgünstigen Schnittstelle nach außen zur vorhandenen, kostengünstigen zwei- oder vierlagigen »Normalelektronik« geliefert werden kann. Hier hat sich in der Arm-Gemeinde seit langem der SODIMM-200 Sockel als Standard etabliert.

Dies ergibt, zumindest herstellerspezifisch den weiteren Vorteil der Skalierbarkeit und (nicht zu unterschätzen!) der weitgehenden Kompatibilität der Träger-Boards für die auf dem SODIMM-200 verfügbaren Pin-Funktionen. So ergänzt die DHCOM-STM32MP15x-Familie bei DH electronics das umfangreiche Angebot an SOMs im pinkompatiblen SODIMM-200 Format (Bild 1). Für einige Anwendungen nachteilig bleibt die Beschränkung auf eben diese 200 (vorab vergebenen!) Pins, die aber plattformübergreifend für die meisten Projekte genügen.

Auflötmodule: Mehr Funktionalität, weniger Kosten

Bei manchen Projekten wäre es aber trotzdem überaus nützlich, prozessorspezifisch mehr als nur die wenigen »freien« Pins bzw. Signale einer Standardbelegung wie etwa beim SODIMM-200 verwenden zu können. Dies betrifft insbesondere embedded »Alleskönner«, wie die hier beschriebene STM32MP1-Familie mit ihren zahlreichen »deeply embedded« und Analog-Funktionen.

Zudem werden in Folge ständig höherer Integration und Miniaturisierung die Board-to-Board-Verbinder, die das SOM mit der Trägerplatine verbinden, mehr und mehr zum sperrigen und teuren Hindernis. Direkte Lötverbindungen sind in Bezug auf Kontaktsicherheit und Erschütterungsfestigkeit deutlich zuverlässiger als alle Steckverbinder. Was liegt also näher, als SOMs ganz einfach direkt auf der Trägerplatine aufzulöten?

DH electronics bietet für ausgewählte Chiparchitekturen wie die hier beschriebene STM32MP1-Familie spezielle Auflötmodule mit einem einheitlichen Formfaktor von 29 mm × 29 mm an, die im LGA-Format (Large Land Grid Array) deutlich mehr als nur 200 Pins erlauben. Hier beim DHCOR STM32MP15x Auflötmodul sind es konkret 271 LGA-Pins (Bild 2). Geht ein Projekt dann in die Großserie, kommt ein weiterer Vorteil der Auflötmodul-Technologie zum Tragen: Die Bestückung der Träger-Boards mit den Modulen kann kostengünstig, schnell und vollautomatisch erfolgen.

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Bild 2: DHCOR STM32MP15x Auflötmodul mit Blockdiagramm.
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  1. Mit linuxfähigem Hybridsystem in die Cloud
  2. Eine Fallstudie aus der Praxis

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