ПРЕСС-ЦЕНТР

Модули Kontron X-board меняют практику проектирования малогабаритных систем

Компоненты и технологии 4/2006

Афонин Д.Ю.

За годы существования рынка "компьютеров на модуле" (Computer On Module - COM) на нем сформировался ряд сегментов, адресованных разным прикладным направлениям. Изделия типа COM используются сегодня при создании систем самых различных типов: от мобильных телефонов до бортовой электроники летательных аппаратов. Готовые стандартизованные модули, оснащенные ЦП, чипсетом, памятью и периферией, позволяет приступить к реализации прикладной специфики на ранних этапах процесса разработки. Международный холдинг Kontron, принимавший в становлении и развитии рынка COM самое непосредственное участие, предлагает множество изделий этого класса, охватывая весьма широкий спектр прикладных задач. Сегодня мы поговорим об одной из COM-линеек Kontron, называющейся X-board.

Смысл и суть технологии COM состоит в разделении конечной системы на две части: стандартизованную и специализированную. Первая является общей для множества однотипных систем (процессорный модуль), вторая, по идее, должна всякий раз разрабатываться заново (базовая плата). Положившись на готовые изделия класса COM, OEM-производитель выгадывает массу времени на интеграции процессора, памяти и получает возможность эффективно учесть особенности конкретного круга задач, которые итоговая система призвана решать.

Встраиваемый процессорный модуль хорош уже сам по себе. Но наибольшую отдачу он обеспечивает в том случае, когда является членом достаточно обширной продуктовой линейки. Если одна и та же базовая плата подходит сразу для множества модулей с разными объемами оперативной памяти, разной производительностью и различной интерфейсной функциональностью, разработчик получает значительную фору перед конкурентами и, приложив минимум усилий, может охватить широчайший диапазон приложений. Возможность замены одних процессорных модулей на другие подобно тому, как заменяются полупроводниковые компоненты, гарантирует простоту модернизации системы и ее адаптации к новым задачам. У встраиваемых модулей Kontron есть и еще одно общее свойство: будучи рассчитанными на применение в малогабаритных системах с питанием от батарей, они сбалансированы по соотношению "производительность/энергопотребление".

Механико-физические характеристики и разводка интерфейсов одинаковы для всех модулей серии Kontron X-board. В результате клиент, разработав одну-единственную базовую плату, немедленно получает доступ к миру X-board во всем его многообразии и может создавать на основе этой платы конфигурации самого различного назначения, содержащие как процессоры с традиционной системой команд x86, так и чипы с RISC-архитектурой. Модули X-board оснащаются ЦП с очень низким энергопотреблением, обладают высокой производительностью и малыми задержками загрузки, что делает их хорошо подходящими для портативных и мобильных систем.

На момент написания данной статьи флагманом продуктовой линейки Kontron X-board являлся модуль X-board<GP8>, выполненный на процессоре Intel 80219. Предыдущий опыт работы с чипами серии XScale позволил инженерам Kontron быстро освоить новый ЦП и задействовать его в продуктовой линейке X-board. Обладая весьма приличной производительностью, модуль X-board<GP8> продолжает оставаться экономичным и может работать под управлением операционных систем Linux и Windows CE. Благодаря наличию у процессора Intel 80219 встроенного интерфейса PCI, создатели X-board<GP8> смогли сократить число дополнительных компонентов и использовать доступную площадь печатной платы более рационально.

Холдинг Kontron и технология COM

Во все времена OEM-производители желали выходить на рынок в как можно более сжатые сроки и с минимальными рисками, а также использовать однажды сделанные наработки с максимальной эффективностью, наращивая, расширяя и модифицируя исходную функциональность своих решений. Ответом на эти чаяния стали изделия типа "компьютер на модуле" (Computer on Modules COM), приобретшие в последние годы значительную популярность. Положившись на технологию COM, OEM-производитель навсегда забывает обо всех проблемах, связанных с интеграцией процессора, чипсета и памяти, а также с переходом новые версии того же ЦП и даже на другие процессорные архитектуры. При этом высвобождаются силы и время, которые он может потратить на реализацию различных инновационных вещей, которых нет у конкурентов или же до которых у этих конкурентов просто не дошли руки.

Холдинг Kontron, оказавший огромное влияние на формирование рынка COM, занимает на нем особое, привилегированное положение. Будучи одним из отцов-основателей индустрии "компьютеров на модуле", Kontron стремится охватить своим продуктовым предложением как можно большее число потенциальных областей применения. В настоящее время под маркой Kontron выпускается пять COM-линеек: DIMM-PC, ETX, ETXexpress, E2Brain и X-board.

Линейка DIMM-PC образована изделиям "начального уровня". Ее представители оснащаются малопроизводительными ЦП общего назначения и поддерживают локальную сеть. Роль шины расширения играет ISA; графический контроллер, если он необходим, подключается как дополнительный модуль.

Серия Kontron ETX это другой конец шкалы. Изделия серии ETX оснащаются серьезными процессорами с тактовыми частотами до 2 ГГц, наделены мультимедийными возможностями и мощнейшей интерфейсной функциональностью. У модулей Kontron ETX есть шины ISA и PCI, последовательные и USB-порты, каналы IDE, интегрированные графические контроллеры и видеовыходы с поддержкой ЖК-дисплеев.

Модули ETXexpress это "ETX следующего поколения". Основным отличием этих изделий от "обычных" ETX является наличие высокопроизводительной шины PCI Express вместо традиционного интерфейса PCI.

Несколько особняком стоит линейка E2Brain, члены которой строятся на базе низкостоимостных процессоров, не совместимых с x86 (PowerPC, ARM, SH и др.).

Не в бровь, а в глаз

В историческом плане рождение X-board было обусловлено возникновением рыночной ниши между DIMM-PC и ETX. На определенном этапе развития полупроводниковых технологий стало возможным создание таких процессорных модулей, которые сочетали бы широкие коммуникационные возможности и достойную производительность с малыми размерами и пониженным энергопотреблением. Подобные изделия определенно приглянулись бы OEM-производителям. В этой связи специалисты Kontron решили разработать стандартизованную RISC-платформу, удовлетворяющую вышеперечисленным характеристикам. Предполагалось, что модули нового типа найдут применение в портативных контрольно-измерительных приборах, а также в различных автомобильных устройствах, телематике, промышленных панельных компьютерах и человеко-машинных интерфейсах.

Точность попадания X-boards в промежуток между бюджетными решениями DIMM-PC и полнофункциональными одноплатными компьютерами ETX уже имели удовольствие оценить многие клиенты Kontron. Творцам X-board удалось воплотить в их детище лучшие черты двух вышеуказанных линеек, совместив миниатюрность и оптимизированное энергопотребление (DIMM-PC) с большим числом интерфейсов и высокой производительностью (ETX).

Представление о размерах X-board может дать обычная визитная карточка: габариты этих модулей составляют 68 x 49 мм. Такая миниатюризация была достигнута, в частности, благодаря отказу от морально устаревших коммуникационных технологий, к которым относятся интерфейс флоппи-дисковода, параллельный порт, порты PS/2 и интерфейс ISA. Вместо ISA была выбрана шина LPC, пользующаяся сегодня широкой поддержкой со стороны производителей материнских плат и поставщиков компонентов ввода-вывода. Оптимизированное энергопотребление позволяет X-board обходиться без каких-либо дополнительных охлаждающих приспособлений, будь то активные вентиляторы или пассивные теплоотводы, но сохранять при этом сравнительно высокую производительность.

Типовая конфигурация X-board включает шины расширения PCI и LPC, три порта USB, четыре последовательных порта (уровень TTL), контроллер сети Fast Ethernet, аудиоконтроллер AC97, интерфейсы ЖК- и электронно-лучевых дисплеев, ТВ-выход, бортовое ОЗУ типа DRAM и флэш-память.

Выбор ЦП

Современные процессоры типа RISC, характеризующиеся малыми задержками загрузки и пониженным энергопотреблением, востребованы во многих потенциальных областях применения X-board востребованы. Изучив ряд современных RISC-архитектур, инженеры Kontron остановили свой выбор на процессорах Intel XScale, получивших широкую известность благодаря высокой производительности и экономичности.

Первым RISC-устройством, примененным в продуктовой линейке Kontron X-board, стал Intel XScale PXA255. Соответствующий модуль, получивший название X-board<PXA> это первая попытка Kontron приобщить OEM-производителей к миру Intel XScale. Попытка оказалось удачной и привела к появлению множества конечных клиентских решений.

С течением времени клиентам Kontron стала требоваться более богатая функциональность, включающая интегрированный PCI-интерфейс и графический контроллер с поддержкой высоких разрешений. В ответ инженеры Kontron создали модуль X-board<GP8>, оснащенный процессором Intel XScale 80219 (Рис.1). Имея широкие коммуникационные возможности, обладая большой пропускной способностью и обеспечивая поддержку визуализации в разрешениях до 1280 x 1024, чип Intel 80219 является идеальным ЦП для линейки X-board и ее целевых рынков.


Рис.1. Новейший представитель линейки Kontron X-board модуль X-board<GP8>. Фотография в натуральную величину. В качестве ЦП используется чип Intel 80219, имеющий интегрированную шину PCI-X и работающий на частоте 400 или 600 МГц. Разработчику доступны интерфейсы Fast Ethernet, USB 2.0, последовательные порты типа TTL, графический контроллер, поддерживающий разрешения до 1280 x 1024, и звуковой кодек AC97. Имеется бортовое ОЗУ объемом до 128 Мбайт, флэш-память объемом 32 Мбайт и графическая память объемом 16 Мбайт.

Специалисты Kontron особо отмечают наличие у Intel 80219 встроенной шины PCI, что сэкономило им много усилий и позволило сделать продукт X-board<GP8> недорогим и эффективным. Вторым существенным фактором, повлиявшим на выбор этого ЦП для нового модуля X-board, явилась поддержка операционных систем Windows CE и Linux.

Чип Intel 80219 (полное название "Intel 80219 General Purpose PCI Processor" PCI-процессор общего назначения), существующий в версиях с тактовыми частотами 400 МГц и 600 МГц, имеет мощную внутреннюю периферию, к которой относится, в частности, 133-мегагерцовый интерфейс PCI-X со скоростью передачи данных до 1 Гбайт/с. Внутренняя шина ЦП работает на частоте 200 МГц и обладает пропускной способностью 1,6 Гбайт/с. Имеется также интегрированный контроллер 200-мегагерцовой памяти DDR SDRAM с коррекцией ошибок, обеспечивающий поддержку 64-разрядного ОЗУ объемом до 1 Гбайт (можно использовать и 32-разрядную память). Кроме того, у Intel 80219 есть собственная видеопамять на 4 Мбайт и локальная программируемая шина шириной 32 бита, позволяющая организовывать связь с внешней периферией в обход PCI.

Разработчики процессора Intel 80219 приняли меры к ускорению ввода-вывода. Двухканальный DMA-контроллер обеспечивает повышенную скорость прохождения данных от шины PCI к памяти и от памяти к памяти, а буферы ATU объемом 4 Кбайт и блок сообщений оптимизируют взаимодействие между PCI и ядром.

Процессор Intel 80219 заключается в компактный корпус 544 LPBGA (35 мм). В наличии восемь контактов GPIO, 4 выхода для тактирования SDRAM-памяти, усовершенствованные функции обработки прерываний, сторожевой таймер и два программируемых таймера. Благодаря высокой степени интеграции данного чипа, модуль X-board<GP8> получился функционально-насыщенным и относительно недорогим.

Модуль X-board<GP8>, явившийся результатом интеграции процессора Intel 80219 на платформу X-board, освобождает клиента Kontron от рутинной работы по монтажу ядра компьютерной системы и позволяет сделать конечное решение действительно уникальным, не похожим на аналогичные изделия конкурентов. Более того: покуда клиент готов полагаться на архитектуры x86 и/или Intel XScale, он может смело приобретать любые приглянувшиеся ему продукты серии X-board и устанавливать их на свои базовые платы, ведь механически и по выводам все эти модули совместимы между собой (Рис.2).


Рис.2. В расширенном варианте поставки модуль X-board<GP8> комплектуется базовой платой и другими аппаратными и программными средствами, необходимыми для начала разработки.

В полном согласии с корпоративной философией Kontron линейка Kontron X-board продолжает развиваться и расширяться. Вслед за X-board<GP8> на рынок должен выйти следующий модуль, называющийся X-board<863> и базирующийся на процессоре SIS 550LV. Как и другие представители серии Kontron X-board, это изделие имеет интегрированный аудиокодек стандарта AC97, а также интерфейс Fast Ethernet и три порта USB, что делает его готовым к взаимодействию с практически любыми современными устройствами. Сохранена традиционная для X-board конфигурация шин расширения: PCI + LPC. Максимальные объемы бортового ОЗУ и загрузочной флэш-памяти у модуля X-board<863> составляют 128 Мбайт; для подключения внешних накопителей предусмотрен канал IDE Ultra DMA 33.

OEM-производители выбирают X-board

В новом столетии OEM-производителям пришлось столкнуться с беспрецедентным давлением сроков. Использование X-board значительно повышает их шансы на успех. Радикально сокращая затраты на проектирование малогабаритных систем, стандартизованные процессорные модули значительно ускоряют выход на рынок и, что не менее важно, высвобождают ресурсы и время на реализацию ноу-хау. Успех X-board и других "компьютеров на модуле" влечет за собой масштабные изменения в практике и мышлении разработчиков: крупные узлы, объединяющие в себе сразу несколько основных подсистем, начинают использоваться на манер взаимозаменяемых стандартизованных компонентов и соответствующим образом восприниматься. Позитивный характер этих сдвигов очевиден: OEM-производители избавляются от рутины, акцент конкурентной борьбы смещается в область новаций, а рынок заполняется современными электронными продуктами. Впрочем, долгосрочные последствия связанных с модулями X-board и технологией COM технологией изменений еще предстоит осмыслить, в настоящей статье мы ограничимся простой констатацией фактов.