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i.MX 8X auf SMARC-2.0- und Qseven

Energiesparendes Multitalent

Computermodule
© Congatec

Der i.MX-8-Prozessor von NXP kommt in seiner 8X-Variante extrem energiesparend, robust und mit hoher funktionaler Sicherheit daher. In seiner Darreichungsform auf SMARC-2.0- und Qseven-Modulen haben Entwickler Designsicherheit und können den Prozessor einfach integrieren.

Als Flaggschiffprozessor von NXP ist der i.MX-8-Prozessor seit längerem im Blickfeld der Entwickler von Embedded-Systemen. Er ist der Leistungsfähigste der gesamten i.MX-8-Familie. Neben ihm wird dieser Tage aber auch die neue i.MX-8X-Prozessorfamilie verfügbar. Sie erweitert das skalierbare Spektrum der i.MX-8-Serie um eine besonders energiesparende und robuste Prozessorvariante mit zwei bis vier ARM-Cortex-A35-Cores, die optional sogar SIL-3-zertifizierbar ist. Anwendungen für diese neue, besonders robuste und energiesparende 8X-Variante finden sich deshalb unter anderem in den industriellen Geräten, Maschinen und Anlagen, in denen eine hohe funktionale Sicherheit gewährleistet werden muss.

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Mit ARMs effizientesten Cores

Gleichzeitig sind diese neuen 8X-Prozessoren, die die effizientesten Cores integrieren, die ARM je entwickelt hat, auch für den erweiterten Temperaturbereich von –40 bis + 85 °C einsetzbar, was die neue Prozessorklasse selbst für Outdoor- und Fahrzeugapplikationen prädestiniert. Bei einer Energieaufnahme von weniger als 3 Watt im Normalbetrieb und einer Thermal Design Power von maximal 3 bis 4 Watt sind die Systeme auch für komplett lüfterlose und solarbetriebene Applikationen geeignet. Mit der Integration von Grafik-, Video-, Audio- und Sprachfunktionen sind auch attraktive Bedienterminals, robuste Tablets und Handhelds mit den neuen Prozessoren umsetzbar. Die integrierten Bildverarbeitungsfunktionen prädestinieren die neuen Prozessoren auch für Videoanalytik und den Einsatz neuronaler Netzwerktechno­logie für Objekterkennung und Situa­tional Awareness Applikationen.

Die Anwendungsbereiche sind deshalb extrem vielfältig und reichen von kleineren industriellen Steuerungs- und Automatisierungssystemen wie SPSen, I/O Controllern, Robotik und Handlingsystemen über die Gebäudeleittechnik, Patienten-Monitoringsysteme sowie Automotive- und Intralogistik-Cockpits, Infotainment im Flugzeug und Zug bis hin zu IoT-, M2M und Telematik-Anwendungen und smarten Videoüberwachungssystemen. Werden diese Devices mit dem neuen i.MX 8X bestückt, bieten sie eine Performance, die deutlich über dem liegt, was man vor einigen Jahren bei Tablets noch als leistungsstark betrachtete; und auch preislich werden sie immer attraktiver, sodass sie sich zunehmend weitere Applikationsfelder und Märkte erschließen.

Für den Industriemarkt konzipiert

Der neue NXP i.MX 8X ist ab sofort auf Computer-on-Modules von Congatec verfügbar. Entweder als Conga-QMX8 im Qseven-Format (links) oder als Conga-SMX8 in SMARC-2.0-Bauform.
Bild 1. Der neue NXP i.MX 8X ist ab sofort auf Computer-on-Modules von Congatec verfügbar. Entweder als Conga-QMX8 im Qseven-Format (links) oder als Conga-SMX8 in SMARC-2.0-Bauform.
© Congatec

Da der neue i.MX-8X-Prozessor alle wichtigen Subsysteme und Architekturen der höherwertigen i.MX-8-Familie enthält, steht Entwicklern ein breites Spektrum wiederverwendbarer Software zur Verfügung. Wo liegen aber die Unterschiede zwischen i.MX 8 und i.MX 8X? Zunächst einmal ist festzuhalten, dass beide Varianten nichts mit dem bereits in Serie verfügbaren i.MX 8M zu tun haben. Dieser ist nämlich als Chip für Settopboxen und TV-Systeme entwickelt worden und zielt auf die Konsum­elektronik, was ein vollkommen anderer Anwendungsscherpunkt ist als die Industrie, wo u.a. auch LVDS-Support noch immer ein wichtiges Feature ist. Verglichen werden sollen hier also nur die beiden Varianten i.MX 8 und i.MX 8X, die Unternehmen wie Congatec auf Embedded-Board- und Modul-Level (Bild 1) unterstützen.

Tabelle
Tabelle. Unterschied der i.MX-8- und i.MX-8X-Prozessoren und Unterstützung auf SMARC und Qseven. Vom i.MX 8X gibt es die Varianten DualX, DualXPlus und QuadXPlus, die sich aber nur geringfügig unterscheiden.
© Quelle: Congatec

Neben dem bereits erwähnten optionalen Safety-Support unterscheidet sich der i.MX 8X vor allem seine Cortex-A35-Kerne anstelle von Cortex-A53, dem Wegfall der ARM-Cortex-A72-Kerne und ein insgesamt sparsameres und damit auch energieeffizienteres Featureset, das die Energieaufnahme des i.MX 8X auf 3 bis 4 Watt drückt, im Vergleich zu 12 Watt beim voll ausgebauten i.MX 8 (Tabelle). Verfügbar ist der i.MX 8X in Konfigurationen von zwei oder vier Cortex-A35-Kernen zusammen mit einem Cortex M4F mit integrierter Floating Point Unit und DSP zur Verarbeitung kritischer Tasks wie Fallback-Kamera und das System-Monitoring und -Wake-up, während der i.MX 8 insgesamt bis zu acht Cores enthält (4× A53, 2× A72, 2× M4F). Dennoch bietet der i.MX 8X ein beachtliches Featureset inklusive energiesparendem LPDDR4, sowie optional auch DDR3 mit ECC.

Der i.MX 8 steuert bis zu drei unabhängige Displays sowie 1× SPDIF und 2× ASRC Sound inklusive umfassende Codecs für Spracherkennung und berührungslose Interaktion. Zwei der Displays werden mit Full-HD (1080p) und eines in Wide-VGA (864×480) unterstützt. Die integrierte Video Processing Engine unterstützt dabei De- und Encoding von 1080p-Videos in H.264 sowie auch Decoding von noch höher auflösendem 4K-Video in H.265. Ein wichtiges Feature ist auch die hardwarebasierte Ressourcen-Partitionierung, mit der sich sowohl die Prozessor- als auch die Grafikcores separieren lassen, was den Betrieb von mehreren unabhängigen Applikationen auf diesem einzelnen Chip erlaubt. In Kombination mit Hypervisor-Support lassen sich so flexible und ausfallsichere Systeme entwickeln – ein wichtiges Feature beispielsweise für Fahrzeug-Applika­tionen: Fällt das Infotainment-System aus, bleibt beispielsweise die Rückfahrkamera ausfallsicher dennoch im S/W Modus verfügbar. Das gleiche Prinzip lässt in der Automatisierungstechnik auch für die Steuerung anwenden.

Universelle Schnittstellen – inklusive Echtzeit-Ethernet

An Schnittstellen führt der Core einen PCI Express 3.0 für flexible Erweiterungsoptionen sowie u.a. 1× USB 3.0, 2× USB 2.0, 3× CAN, 4× UART, 4× SPI sowie einen 12-bit-A/D-Wandler aus. Die zwei Gigabit-Ethernet-Schnittstellen sind ideal für die Vernetzung in der Automatisierung. Unterstützt wird optional auch der 1588-konforme Support der Echtzeitkommunikation über das TSN-Protokoll, sodass sich z. B. mehrere Roboter/-Arme in einer Fertigungszelle über Ethernet in Echtzeit synchronisieren lassen. Dieser Support ist lässt sich beim i.MX 8X durch einen zusätzlichen Qualcomm-Atheros-Baustein realisieren, wie er auf Wunsch bei den Modulen von Congatec bestückt wird. Unterstützt wird auch das Protokoll AVB (Audio Video Bridging) für das Video Streaming über Ethernet, was für Digital Signage Player genauso interessant ist wie für über GbE-angebundene Überwachungs­kameras.

Für Video-Applikationen unterstützt der i.MX 8X unter anderem eine MIPI-CSI Schnittstelle mit vier Lanes. Die GPU mit zwei bis vier Vec4-Shadern (1× GC7000 Lite oder 1× GC7000 UltraLite) unterstützen OpenGL ES, OpenCL, OpenVG und Vulkan für parallele Datenverarbeitung abseits der Grafikausgabe. Schwerpunkte sind Situational-Awareness-Applikationen durch Bilderkennung sowie AI- und Deep-Learning-Applikationen für maschinelles Lernen. Wem bei diesem umfangreichen Featureset des i.MX 8X noch etwas fehlt, der kann davon ausgehen, dass der i.MX 8 als größere Variante sicherlich in nahezu jeder Kategorie der Features einen drauflegen kann.

Beide Prozessorvarianten werden im 28-nm-Prozess mit der Silicon on Insulator (FD-SOI) Fertigungstechnologie hergestellt. Dieses Verfahren führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit mit entsprechend höherer MTBF gegenüber Vorgängertechnologien, weil die Latch-ups (Kurzschlüsse im Substrat aufgrund parasitärer Effekte) aufgrund der hohen Immunität von FD-SOI gegen solche Fehler reduziert werden. All diese Funktionen zusammen mit den Sicherheitsfeatures High Assurance Boot, TPM
Timer, Verschlüsselungsfunktionen und Tamper-Pins machen die neuen i.MX-8-Prozessoren zu einer idealen Plattform für die Entwicklung energiesparender und zuverlässiger Embedded-Computing-Plattformen.

Komplexe Technologie einfach implementieren

Geräte-Entwickler in diesem Small-Form-Factor-Segment sehen sich häufig jedoch mit der Herausforderung konfrontiert, dass sie ein spezifisches Design benötigen, aber keines der vorhandenen Standardboards ihre Anforderungen erfüllt. Standardboards verfügen in der Regel nicht über die benötigte Performance oder sie bieten nicht die geforderten Interfaces, um direkt mit der Applikationsentwicklung durchstarten zu können. Daher suchen Entwickler nach einem effizienten Weg, ihre Lösungen zu entwickeln. Sollten sie alles selbst entwickeln oder lassen sich auch Off-the-Shelf-Komponenten einsetzen? Und wenn ja, welche sollte man nutzen?

Congatec bietet sowohl den i. MX 8 als auch den i.MX 8X auf SMARC- und Qseven-Modulen an. Je nach Einsatzzweck können auch kundenspezifische Carrierboards und Full-Custom-Designs ent­wickelt werden.
Bild 2. Congatec bietet sowohl den i. MX 8 als auch den i.MX 8X auf SMARC- und Qseven-Modulen an. Je nach Einsatzzweck können auch kundenspezifische Carrierboards und Full-Custom-Designs ent­wickelt werden.
© Quelle: Congatec

Da der Computing-Core in erster Linie Mittel zum Zweck ist und keiner weiteren Adaption bedarf, empfehlen sich hierfür industrietaugliche Computer-On-Module-Standards wie SMARC 2.0 oder Qseven. Mit ihnen wird der leistungsfähige Computing-Core als fertig entwickeltes Modul einfach aufgesteckt – und schon profitiert man von einem drastisch vereinfachten Design, bei dem nur noch das Finetuning der spezifischen Interfaces auf dem Carrierboard erfolgen muss. Computer-On-Module-Standards eignen sich auch für Full-Custom-Designs, denn der Computing-Core kann auch leicht mit Carrierboards fusioniert werden (Bild 2).

Besonders vorteilhaft ist bei Modulen­ auch die Tatsache, dass über sie eine wesentlich breitere Skalierung möglich ist und somit auf Basis von SMARC oder Qseven vom i.MX 8X bis zum High-end i.MX 8M skaliert werden kann, obwohl die Prozessoren nicht Pin-kompatibel sind und damit jeweils ein eigenes Design benötigen würden.

Einschalten und loslegen

Entwickler können also auf Basis eines Eval-Carrierboards und der mit diesem Board und Modul mitgelieferten Software in Form von angepasstem Bootloader und Board Support Package sofort ihr Applikationsdesign starten. Auf Basis von Carrierboards lassen sich erste Prototypen und Kleinserien bereitstellen. Für größere Produktions­volumina kann der Computing Core mit dem Carrierboard zu einem Full-Custom-Design verschmolzen werden. Da der Computing Core applikationsfertig zur Verfügung gestellt wird, reduzieren sich auch die Projektrisiken von Anfang an. Vorteilhaft ist bei Computer-on-Modules zudem die Tatsache, dass sie bereits vor Serienfertigung der NXP-Prozessoren von Firmen wie Congatec zu Evaluierungszwecken zur Verfügung gestellt werden können. Wer für sein i.MX-8-Designs also First-to-Market-Strategien verfolgt, kann mit SMARC und Qseven Computer-on-Modules von Congatec frühzeitig mit der Entwicklung beginnen.

Bei Standardprodukten ist der Support entscheidend

Die passende Hardwareplattform ist insbesondere bei ARM-Designs nur die halbe Miete, will man von einen Standardprodukt hin zu einer Plattform kommen, die optimal auf die jeweilige Applikation angepasst ist. Aus diesem Grund bietet Congatec für seine Standardkomponenten ein umfassendes Software-Ökosystem, das mit der Hardware zur Verfügung gestellt wird sowie den persönlichen Integrationssupport für OEM-Entwickler, damit sie ihre Aufgaben schneller erfüllen können. Zum anderen positioniert sich Congatec auch als Komplettdienstleister für den gesamten Embedded-Computing-Bedarf. Entsprechend umfangreich ist deshalb auch das Angebot des Technical Solution Center (TSC) von Congatec, das für die Zusatzdienstleistungen rund um die Hardwareplattformen zuständig ist.

Die Services des TSC erstrecken sich von kundenspezifischen Anpassungen des Bootloaders, UEFI, kundenspezifische Firmware-Entwicklung sowie jedwede Frage rund um (Real-Time-) Linux bis hin zu kundenspezifischen Projekten mit QNX oder Green Hills. Das Angebot umfasst auch die Auswahl der passenden Bauelemente für Carrierboards – beispielsweise für eine SIL-Zertifizierung des Systemdesigns – über Compliance-Tests von High-Speed-Signalen, thermische Simulationen und MTBF-Berechnungen bis hin zu Debugging-Services für kundenspezifische Lösungen.
Bei der Entscheidungsfrage Qseven oder SMARC 2.0 rät Congatec seinen Kunden, neue Designs mit SMARC 2.0 zu starten, da dieser Formfaktor eine höhere Packungsdichte und mehr Grafik ermöglicht als Qseven. Bestehende Designs oder Lösungen mit geringeren Anforderungen an die Grafik sind weiterhin mit Qseven bestens bedient; auch in punkto Langzeitverfügbarkeit, denn dieser Formfaktor ist stückzahlmäßig weiterhin der Platzhirsch.

Weiterführende Informationen

[1] Das Congatec Whitepaper „Device-Entwicklung mit Smarc 2.0“ ist für den schnellen Einstieg in die Carrierboardentwicklung mit SMARC 2.0 gedacht. https://www.congatec.com/de/technologien/device-entwicklung-mit-smarc-20.html

Der Autor

Martin Danzer | Congatec
Martin Danzer | Congatec
© Congatec

Martin Danzer
hat mehr als 17 Jahre Erfahrung im Embedded-Computing-Bereich. Nach dem erfolgreichen Abschluss in Elektrotechnik an der FH Deggendorf begann seine Karriere bei der Jumptec AG. Als Gründungsmitglied der Congatec AG im Jahr 2004 hat er mehrere Managementpositionen bekleidet und ist seit 2012 Director Product Management.


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