Prozessorkarten Modulsysteme erweitern mit FeaturePak

Schnittstellen wechseln, ohne gleich ein neues Baseboard entwickeln zu müssen - das ist der Vorteil des Erweiterungsstandards „FeaturePak“, mit dem sich Computermodul-Systeme ausrüsten lassen. So bleibt man auch beim Wechsel einer Prozessorgeneration flexibel, wenn wieder einmal neue Schnittstellen auftauchen und - alte abgekündigt werden.

Mit fast jeder neuen Architekturgeneration der Computerprozessoren ändern sich auch die I/O-Schnittstellen. In relativ kurzen Abständen werden hier neue Produktgenerationen entwickelt mit der Folge, dass oft bis dahin verwendete Schnittstellen wegfallen und neue geschaffen werden. Die neuen sind im Allgemeinen nicht kompatibel zu den alten Schnittstellen. In vielen Industriezweigen kann aber der technologische Wandel in den Unternehmen nicht mit dem Tempo der neu entstehenden Produktgenerationen mithalten.

Die Hersteller von Prozessoren und Chipsätzen packen zwar seit Jahren immer mehr Funktionen in ihre Bausteine, können aber trotzdem nicht die I/O-Bedürfnisse der Embedded-Branche und ihrer vielfältigen Kunden in Industrie, Fahrzeugbau, Kommunikation und Medizintechnik vollständig abdecken. Zu kleine Stückzahlen in den Projekten und zu spezielle technische Anforderungen bilden keine geeignete wirtschaftliche Basis für die Großserie. Damit bleibt ein Markt für spezifische I/O-Baugruppen erhalten.

Dadurch, dass moderne Prozessoren nur noch auf High-Speed-Schnittstellen setzen wie PCI-Express, wird die Ergänzung durch spezifische I/O-Schnittstellen weiter eingeschränkt. Genau an diesem Punkt setzt der FeaturePak-Standard an. Mit einer Größe von 65 ×43 mm2 ist es ein neues Konzept für flexible I/O-Erweiterungen, das dank eines kostengünstigen 230-pin-MXM-Steckverbinders einfach auf Embedded-Baugruppen gesteckt werden kann. Es kann dabei mit allen Standards wie Qseven, PC/104, SUMIT, ETX, XTX, COM Express und anderen koexistieren. Der FeaturePak-Steckplatz ist aufgrund seiner Größe ideal geeignet für die Erweiterung von Baseboards niedriger Bauhöhe und ebenfalls klein genug, um auch auf PC/104-Express- und SUMIT-ISM-Modulen aufgesetzt werden zu können (Bild 1).

Sowohl für ARM als auch x86

Der FeaturePak-Standard besticht nicht nur durch seine Größe, sondern auch durch seine weitreichenden Anbindungsmöglichkeiten an das Host-System. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um ein ARM- oder x86-System handelt. Grundsätzlich werden beim FeaturePak zwei Typen von Erweiterungssteckplätzen unterschieden, die von der vom Baseboard zur Verfügung gestellten Anzahl an USB- und PCI-Express-Verbindungen abhängig ist. Ein Baseboard muss dabei die in der Tabelle aufgezählten Merkmale aufweisen, um als „FeaturePak compliant“ oder „FeaturePak USB compliant“ zu gelten. Standardmäßig wird ein FeaturePak-Modul durch die 3,3-Volt-Leitungen versorgt, optional ist das aber auch über die 5-Volt-Leitungen möglich. Bedingt durch die Strombegrenzung von 0,5 A pro Pin am MXM-Steckverbinder ist eine Leistungsaufnahme von maximal 12 W an den 3,3-Volt-Eingängen und zusätzlich noch 15 W von den 5-Volt-Eingängen möglich. Der 12-Volt-Anschluss dient nicht der Stromversorgung, sondern nur der möglichen Überwachung der Spannung.

 EigenschaftVoraussetzungen f. "FeaturePak compliant"-Steckplatz
 Voraussetzungen f. FeaturePak USB compliant"-Steckplatz
+3,3 V(DC)
 Mind. 2 A verfügbar
 Mind. 2 A verfügbar
+5 V(DC)Mind. 1 A verfügbarMind. 2 A verfügbar
PCI Express ResetPräsent, Aktiv-Low-SignalPräsent, Aktiv-Low-Signal
PCI ExpressMindestens 1 x 1 Link-
USBMindestens ein Port, 1.1 oder 2.0Zwei Ports, 1.1 oder 2.0
 Slot-ID Beginnt mit 001 und endet mit 110 (maximal sechs Slots)
 Beginnt mit 001 und endet mit 110 (maximal sechs Slots)
Minimalanforderungen für die Kompatibilität mit der FeaturePak- bzw. FeaturerPak-USB-Steckplatzspezifikation.

Der FeaturePak-Stecker führt nicht nur die Host-Signale, sondern auch die User-I/O-Signale, die in zwei Signalgruppen zu jeweils 50 Signalen zzgl. +5 V und Masse zusammengefasst werden. Die primäre I/O-Signalgruppe enthält 50 I/O-Signale, von denen 34 Signalpaare mit erweiterter Isola-tion implementiert sind, die für hochpräzise analoge Applikationen, Ethernet oder auch optisch isolierte I/Os genutzt werden kann. In der sekundä-ren Gruppe befinden sich 50 I/O-Signale, die für ein User-spezifiziertes I/O-Interface genutzt werden können, das in der Spezifikation nicht näher festgelegt ist. Damit wird eine maximale Flexibilität des FeaturePak-Moduls erreicht. Alle Logikpegel der User-I/O- Signale sind mit einer maximalen Spannung von 3,3 V implementiert.

Robuste Steckverbinder

Die großen Fragen, die sich immer wieder bei Miniatur-Fingerkontakten stellen, sind: „Wie robust können diese Kontakte sein?“ und „Sind diese Miniatur-Kontakte nicht eher unzuverlässig?“ Mit diesen Fragen im Hinterkopf wurden FeaturePak-Module und -Steckverbinder Schock- und Vibrationstests unterzogen. Dabei wurde festgestellt, dass die Bauform die Zufallsvibrations-Prüfungen bis 6,07 g pro Bewegungszyklus über 20 Hz bis 2.000 Hz in drei Achsen, nach MIL-STD-781-D Task 401, erfolgreich bestanden hat. Ebenfalls unproblematisch sind die PCI-Express-Leitungen, obwohl sie über zwei Steckverbinder geführt werden, beispielsweise von einem Qseven-Modul zum Baseboard und vom Baseboard zum FeaturePak-Modul.