Systemdesign muss nicht schwierig sein
Welches Embedded-Modul für welche Anwendung?
Embedded-Module stehen heutzutage in vielen verschiedenen Formaten bereit, wobei Systemarchitekturen mit Computer-on-Module (CoM) und Carrier-Board an Bedeutung gewinnen. Doch welches Modulformat eignet sich für welche Anwendungen, und worin liegen die Vorteile von Standardformaten?
Entwickler haben heutzutage eine nie dagewesene Auswahl an leistungsstarken und energieeffizienten Embedded-Computing-Modulen. Dank dieser vielfältigen Optionen lassen sich Größe, Leistung und Kosten optimal aufeinander abstimmen, ohne dass man auf kundenspezifische Hardware zurückgreifen muss. Damit entfallen auch die hohen einmaligen Entwicklungskosten, die mit einem umfassenden Design auf Komponentenebene verbunden sind. Ein weiterer Vorteil dieser Vielfalt ist, dass sich viele Anbieter für offene Standards entscheiden, anstatt zu versuchen, Marktanteile mit begrenzten, proprietären Angeboten zu gewinnen.
Obwohl einige proprietäre Formate auf dem Markt erfolgreich und weit verbreitet sind, bieten offene Plattformen wichtige Vorteile. Dank ihnen haben Entwickler gute Gründe, ein Format wie SMARC (Smart Mobility ARChitecture, eingeführt von der SGET = Standardization Group for Embedded Technologies) einem proprietären Format mit weitgehend ähnlichen Funktionen vorzuziehen.
Offene Plattformen auf Board-Ebene haben viele Gemeinsamkeiten mit Open-Source-Software. Beide profitieren von der kritischen Prüfung durch erfahrene Ingenieure aus vielen Organisationen und Industriezweigen. Die Fachleute bringen ihr Wissen über Computerdesign ein, um die Entscheidungen zu mechanischen, thermischen und Signal-Integrity-Aspekten zu beeinflussen, die einer offenen Plattformspezifikation zugrunde liegen. Bei einer proprietären Plattform sind Anwender dagegen auf die Entscheidungen des Teams eines einzelnen Anbieters angewiesen. Dieses mag zwar sehr erfahren sein, verfügt aber nicht über die gleiche Bandbreite wie eine beliebte offene Plattform.
Offene Plattformen helfen dabei, andere gängige Probleme zu vermeiden, mit denen Elektronikingenieure konfrontiert sind - beispielsweise Obsoleszenz. Selbst wenn einige Anbieter die Unterstützung des Formats einstellen, können andere einspringen und neue Hardware bereitstellen. Offenheit schafft zudem gleiche Wettbewerbsbedingungen für Hardware-Anbieter, die hinsichtlich Leistung und Kosteneffizienz konkurrieren können.
Angesichts dieser großen Vielfalt kann die Auswahl zunächst verwirrend erscheinen. Doch dank der Verfügbarkeit verschiedener handelsüblicher Hardwareplattformen können Ingenieurteams die Form und die I/O-Konfiguration für jedes Projekt problemlos genau anpassen. Dabei ist es wichtig, zu verstehen, welches Format den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Projekts am besten entspricht. Besonders beliebt sind Computer-on-Module-Architekturen (CoM), weil sie den Komfort eines handelsüblichen Computing-Moduls mit der Flexibilität verbinden, ein kundenspezifisches Carrier-Board für die Anforderungen jeder Anwendung erstellen zu können.
Ein COM-Express-Modul von Tria Technologies.
Der COM-Express-Standard, der von der PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) eingeführt wurde, diente als Vorlage für nachfolgende Standards, die das CoM-Konzept nutzen und die Möglichkeit bieten, den I/O-Bereich um einen Rechenkern herum zu erweitern. Bei der Einführung von COM Express waren Single-Board-Computer (SBC) das am häufigsten verwendete Format. SBC bestanden aus einer Leiterplatte, die einen Prozessor und eine Auswahl an Standard-I/O-Schnittstellen enthielt. An den SBC ließen sich ein oder mehrere Zusatzmodule anstecken, um kundenspezifische I/O-Funktionen bereitzustellen.
COM-Express-Module enthalten einen Host-Prozessor und werden auf ein Carrier-Board gesteckt. Anwender können somit ein geeignetes Carrier-Board auswählen oder ein eigenes entwickeln, um die I/O-Funktionen für ihre Anwendung bereitzustellen. Anschließend können sie das optimale Rechenmodul unter Verwendung des COM-Express-Modulstandards einstecken. Dieses Design ermöglicht auch die Migration zu leistungsstärkeren oder kostengünstigeren COM-Express-Prozessormodulen im Laufe der Zeit, ohne dass Gehäuse neu entworfen oder Änderungen am I/O-Layout berücksichtigt werden müssen. Weil zu den von COM Express unterstützten zentralen I/O-Bussen auch PCI Express gehört, eignet sich das Format für Anwendungen, die Massenspeicherkapazität, Ethernet-Netzwerke und Grafikdisplays benötigen. Einige Entwickler setzen das Format allerdings auch in Headless-Konfigurationen ein.
Rechenleistung
Weil das Format seine Wurzeln im Industrie-PC-Design hat, beruhen die meisten, aber nicht alle COM-Express-Module auf x86-Prozessoren. Die Erweiterung auf andere Architekturen hat sich mit den Formaten COM Express und COM-HPC fortgesetzt. Beide Formate richten sich an Hochleistungsanwendungen wie Edge-Server und KI-Knoten und bieten zusätzliche Hochgeschwindigkeits-PCIe-Lanes.
COM Express und andere CoM-Standards unterstützen mittlerweile auch die Arm-Architektur und bieten Entwicklern damit weitere Auswahlmöglichkeiten bei der Computing-Architektur. Weitere Auswahlmöglichkeiten ergaben sich durch Hardwareformate, die für kleine Abmessungen optimiert sind.
Optimierung von Größe und Form
Größe ist ein grundlegender Aspekt vieler Designs. Manche Projekte unterliegen kaum Platzbeschränkungen, und bisweilen steht weniger als eine Handfläche Platz für das CoM zur Verfügung. Bei viel Platz ist es einfacher, eine geeignete Platine auszuwählen. Ist der Platz jedoch begrenzt, benötigt man ein kleineres Carrier-Board. Die kompaktere Konfiguration kann die Anzahl der integrierbaren Funktionen einschränken.
Die physische Konfiguration wirkt sich auf die Benutzerfreundlichkeit aus. Entwickler müssen berücksichtigen, wie sich Größe und Form auf die Nutzung bestimmter I/O-Typen auswirken können. So benötigen beispielsweise USB-A-Anschlüsse deutlich mehr Platz als USB-C-Anschlüsse. Auch die Ausrichtung ist zu beachten. Bei kleinen Formaten müssen die Anschlüsse oft über den gesamten Umfang verteilt sein. Dies kann problematisch sein, wenn einige Anschlüsse aus Wartungsgründen entlang einer bestimmten Kante ausgerichtet werden müssen. Ein Carrier-Board mit einem Computing-Modul, das in ein Rack-Gehäuse eingebaut werden muss, bietet Vorteile, wenn die wichtigsten Anschlüsse an der Vorder- oder Rückseite des Moduls ausgerichtet sind.
Kompakte Standards
Die vier derzeit gängigen Standard-CoM-Formate und ihre technischen Eigenschaften.
Einer der ersten Standards, die den Fokus auf die Größe legten, war Qseven mit einer quadratischen Form von 70 x 70 mm und einer reduzierten I/O-Unterstützung über seinen Erweiterungsstecker. Der 2016 als Nachfolger von Qseven eingeführte SMARC-2.0-Standard bietet bei gleicher Basisspezifikation eine größere Auswahl an Größenoptionen. Das SMARC-Format ermöglicht kompakte IoT-Geräte und andere spezialisierte Embedded-Systeme. Mit 82 x 50 mm ist der Short-SMARC-Formfaktor etwas kleiner als der Mini-COM-Express mit 84 x 55 mm, der wiederum etwa 40 Prozent der Fläche des ursprünglichen Basic-COM-Express-Moduls einnimmt. Anbieter von SMARC-Modulen konzentrieren sich meist auf Arm- und x86-Prozessoren, bei denen Mobilität und Energieeffizienz im Vordergrund stehen. Der zentrale SMARC-Steckverbinder bietet eine Reihe von I/O-Schnittstellen, darunter Ethernet, USB und typische I/O-Kanäle auf Geräteebene wie I²C, sowie vier PCIe-Lanes.
Während die Unterschiede zwischen Short-SMARC-Modulen hinsichtlich der Boardfläche vergleichsweise gering sind, bietet das Open Standard Module (OSM) eine kompaktere Lösung. Das Auflötmodul eignet sich hervorragend für Edge-IoT- und andere Geräte, die hohe Leistung bei geringem Stromverbrauch erfordern. Für die Verkleinerung ist vor allem der Einsatz eines LGA-Gehäuses (Land Grid Array) anstelle eines Modulsteckers entscheidend. Dafür muss das OSM auf das Carrier-Board gelötet werden. Dies beschränkt zwar die Möglichkeiten für Upgrades vor Ort, sorgt aber für einen besseren Schutz vor Stößen und Vibrationen. Dadurch wird ein kleinerer und wesentlich flexiblerer Formfaktor erreicht, weil die Module zwischen 30 x 15 mm und 45 x 45 mm groß sind. Selbst die größte Variante bietet gegenüber SMARC einen erheblichen Vorteil, wenn kompakte Hardware benötigt wird. Das Ergebnis ist ein vielseitiger, zukunftssicherer Standard für kleine, kostengünstige Embedded-Computing-Module, die sich leicht an Zielprodukte unterschiedlichster Form und Größe anpassen lassen.
Fazit zur Auswahl
Es gibt zwar mittlerweile zahlreiche Standards, die auf CoM-Architekturen beruhen, doch führen deren Unterschiede hinsichtlich Rechenleistung, I/O-Fähigkeiten, Bandbreite und Größe dazu, dass ein Standard für bestimmte Anwendungen erhebliche Vorteile gegenüber anderen Standards bietet. Hersteller wie Tria Technologies können fachkundig beraten, welcher Standard für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist.
Der Autor
Martin Unverdorben ist Technical Information Manager bei Tria Technologies.