ПРЕСС-ЦЕНТР

Десять лет концепции Computer-On-Modules: разработка компактных встраиваемых компьютерных систем упростилась

МКА:ВКС №1/11

Кристина Ван де Граф (Christine Van De Graaf), Kontron

К разработчикам встроенных систем неизменно предъявляется требование не замыкаться на сегодняшних аспектах создаваемых ими приложений, а смотреть «на шаг вперёд», мыслить стратегически, выбирая платформу, которая будет не только долго «служить», но и обеспечивать необходимые рабочие характеристики. Есть и другие, ставшие стандартными, ограничения и требования, под «прессом» которых проводится разработка современных встроенных систем. Это минимизация инженерных ресурсов и временных затрат на разработку, снижение стоимости владения и ускорение выхода готового изделия на рынок, что достигается благодаря использованию проверенных COTS-платформ. С определённой коррекцией на специфику конкретных сегментов рынка, важность этих требований стоит в одном ряду с решением основной задачи – создание заданной системы с заданными функциональными возможностями. Ответить на все эти вопросы была призвана концепция Computer-on-Modules (COM), которая прошла долгий путь развития и сейчас позволяет обеспечить новейшим прикладным системам современный уровень производительности, сохраняя потенциал их дальнейшего развития и масштабирования.

Десять лет тому назад компоненты класса COM были для сообщества разработчиков встроенных систем новинкой. Десять лет прошли, и изделия класса COM пользуются активным спросом и внедряются в различные приложения, в которых их использование оптимально по соображениям «механики», функциональности и «экономики». В качестве практически полноценного компьютера, установленного на плату-носитель, COM-модули можно найти в системах класса POS (торговые терминалы), в промышленном оборудовании и медицинских приборах, на железной дороге и в других транспортных системах, а также в новейшем армейском оснащении типа носимых компьютерных устройств.

Сегодня модули класса COM нашли широкое признание как платформы, сочетающие возможности малых габаритов и высокой производительности, эффективного энергопотребления, гибкости для проектирования и простоты специализации. За счёт сочетания таких достоинств модулей COM решения на их основе легко строить, оставаясь в рамках требований к скорости выхода на рынок, снижению издержек и минимизации рисков при разработке, упрощению будущей модернизации и масштабирования, увеличению длительности жизненного цикла. Всё это – залог дальнейшего увеличения рыночной доли модулей COM и оборудования на их основе.

Как это работает

Рост «мышечной массы» инженерных усовершенствований, подкреплённый широким признанием технологии COM со стороны как поставщиков платформ и платформенных компонентов, так и пользователей, ставит эту технологию в особое положение среди методов разработки компактных масштабируемых платформ и делает её эффективным инструментом для кастомизации проектов (кастомизация – реали-зация изделия по ТУ заказчика. – Прим. Ред). Все особенности, связанные с кастомизацией, реализуются в конструкции платы-носителя, но не в конструкции самого COM-модуля. Такой подход к разработке позволяет сосредотачиваться на собственно приложении. Проектировщики работают со стандартным модулем (COM-модуль), включающим процессор, интерфейсную шинную конфигурацию и подсистему ввода/вывода. Если приложение требует дополнительных вычислительных ресурсов или улучшения энергоэффективности, этот COM-модуль легко может быть заменён на тот, который обеспечивает требуемый уровень производительности или энергопотребления (рис.1).

ETXexpress-AIEvaluationcarrierboard

Рис. 1. Модули формфактора COM Express подключаются к плате_носителю через один или два разъёма с 220_мя выводами. Сегодня компоновка этих выводов стандартизована в 5 различных спецификациях (type 1 to type 5). Стандарт PICMG предусматривает базовые общепринятые интерфейсы, такие как PCI, PCIe, PEG, Serial ATA (SATA), LVDS, USB, Gigabit Ethernet, AC97 и GPIOs.

Проблемы с аппаратной кастомизацией проекта, например создание специализированных интерфейсов или схем коммутации, решаются в первую очередь на уровне платы-носителя. После того, как кастомизированная плата-носитель реализована «в железе», дальнейшая кастомизация может длиться на протяжении нескольких поколений платформы. Если смена поколений связана, например, со сменой процессорных ядер, то дальнейншая кастомизация будет заключаться в замене одного процессорного COM-модуля на другой.

В результате использование концепции проектирования на основе модулей COM даёт хороший результат не только для оборудования, масштабирование возможностей которого приходится проводить при смене поколений, но и для оборудования, масштабируемого в пределах жизни одного поколения. И благодаря высокой степени гибкости для проводимых разработок существенно сокращается время до их выведения на рынок.

Процессоры могут «апгрейдиться», например, в рамках продуктового семейства модулей COM Express, или разработка может «апгрейдиться» в рамках спецификации COM. При таком сценарии разработки приложение будет мигрировать с унаследованной платформы, такой, как ETX, на платформу с более современной подсистемой ввода/вывода и набором интерфейсов, которые присутствуют в платформе COM Express. Привлекательность такого решения заключается в возможности смены не просто COM-модуля с одним процессором на COM-модуль с другим процессором, а в переходе между технологиями COM. В этом случае потребуется разработка новой платы-носителя. Но благодаря преемственности в развитии технологий COM, разработчики приложения смогут опираться в проекте на унаследованное программное обеспечение.

Базовые преимущества

Рассмотрим, например, разработку встроенной системы на основе модуля ETX, где изначально мог использоваться процессор Intel Pentium. В следующем поколении этой системы мог быть сделан «скачок» в производительности за счёт использования модуля ETX с ядром Pentium M. Сегодня это приложение может быть переведено на процессор Intel Atom – и всё это в рамках продуктового семейства ETX, что позволяет OEM’мам и ODM’мам быстро расширять свои продуктовые линейки изделиями с новыми возможностями.

В технологии COM Express, кроме того, стандартизованы габариты теплоотводящих элементов (heatspreader), что упрощает управление теплоотводом и что важно учитывать для получения истинной взаимозаменяемости.

Если новая разработка требует обеспечения возможности более глубокого «апгрейда», конструкция на основе модулей ETX может быть портирована на модули COM Express. Наиболее вероятным сценарием для разработки в этом случае является использование модуля ETX-PM, что обеспечивает высокую производительность при низком энергопотреблении.

Разработчики легко смогут перейти на платформу COM Express благодаря использованию модуля microETXexpress-DC, являющегося экономичным решением на основе процессора Intel Atom, произведённого по технологии с проектной нормой 45 нм. Подобный переход внутри спецификации оставляет для разработчиков путь для развития характеристик, позволяя использовать модули с большей производительностью или меньшим энергопотреблением.

В ногу с рынком

По мере совершенствования процессорных технологий компоненты компактных формфакторов начинают демонстрировать такие характеристики производительности и энергоэффективности, которые меняют «расстановку сил» на рынке модульных компонентов для встроенных систем. Например, процессоры Intel Atom, произведённые по технологии с проектной нормой 45 нм, демонстрируют высокую производительность (имея рабочие тактовые частоты 1,1 ГГц или 1,6 ГГц) при тепловой рассеиваемой мощности на уровне менее 5 Вт. Конструкция этих процессоров включает системную шину Front Side Bus (с рабочей тактовой частотой 533 МГц), оптимизированную с точки зрения энергопотребления. Всё это позволяет разрабатывать на базе процессоров Intel Atom и системного контроллера Intel US15W мощные энергоэффективные устройства обработки графической информации, не отказываясь при этом от надёжной и испытанной технологии COM в качестве нынешнего и перспективного отраслевого стандарта.

С точки зрения как производительности, так и функциональных возможностей, ещё большую гибкость ведения разработок на основе технологии COM обеспечивают модули на основе усовершенствованных процессоров Intel Core i7. Предлагаемые сейчас модули COM на основе процессоров Core i7 опираются на эффективность двухъядерных решений, обеспечивающих лучшую целостность сигналов и минимизацию габаритов плат, что позволяет успешно выполнять проекты по созданию компактного портативного оборудования, работающего в условиях ограниченных энергоресурсов. Для этих процессоров и оборудования на их основе достигаются высокие характеристики удельной производительности (на ватт потребляемой мощности), а улучшенные характеристики подсистемы ввода/вывода не приводят к деградации производительности.

Упомянутое улучшение соотношения потребляемой мощности и производительности влияет даже на характеристики, достижимые платформой nanoETXexpress, наименьшего формфактора в спецификации COM Express. При разработке ручных медицинских приборов или носимых компьютерных устройств для применения в условиях военных действий хорошей рекомендацией может стать использование ультракомпактных модулей стандарта nanoETXexpress. Обладая габаритами 55 мм х 84 мм, площадь модуля microETXexpress на 39% меньше площади модуля COM Express базового формата и на 51% меньше площади microETXexpress. Модули стандарта nanoETXexpress используют разъём COM Express Type 1, поддерживая интерфейсы Gigabit Ethernet, 1x SATA, 8x USB 2.0 и шину PCI-Express x1 для подключения модулей и устройств расширения. Некоторые варианты исполнения имеют два канала PCIe и позволяют использовать внешний мост PCIe–PCI (рис.2).

Модуль COM nanoETXexpress_SP
Рис. 2. Характеризуясь тепловым рассеиванием в 1/10 и габаритами в 1/7 от соответствующих характеристик модулей на основе процессоров с ультранизким напряжением питания (ULV) при той же производительности модуль COM nanoETXexpress_SP имеет уникальный показатель отношения энергопотребления к производительности для систем на основе ULV_процессоров х86_архитектуры

Новый уровень возможностей, устанавливаемый COM при разработках выносливого портативного оборудования

С того момента, когда миниатюризация оборудования превратилась в один из важнейших трендов развития медицинской техники, модули COM оказались весьма востребованными на этом сегменте рынка. Модули COM удобны не только с точки зрения возможности перехода на их основе от устройств настольных габаритов к всё более компактным устройствам размером с ладонь. Эти модули обеспечивают также возможность «апгрейда» в рамках одного поколения продуктов.

Высокопроизводительный COM-модуль, например ETXexpress-PC, позволяет создавать мощные устройства обработки изображений, с высокой интенсивностью вычислений, ранее достижимой лишь на базе значительно большего по габаритам одноплатного компьютера.

Более того, при использовании модуля microETXexpress-PC, в основе конструкции которого будет тот же процессор и чипсет, для поддержки такого приложения может быть достигнуто ещё большее снижение габаритов оборудования. Разработчики имеют в своём распоряжении целый набор модульных компонентов с масштабируемыми характеристиками. А перспективные COM-модули, «развивающие традиции» недавно появившегося microETXexpress-XL, станут надёжной основой новых устройств, которые будут ещё лучше противостоять ударным и вибрационным нагрузкам, сохраняя к тому же работоспособность в расширенном температурном диапазоне (рис.3).

Microetxexpress-xl
Рис. 3. Разрабатываемые сегодня для использования в жёстких условиях эксплуатации модули COM сохраняют работоспособность в «промышленном» интервале температур –40…+85°, демонстрируя также высокую устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам

Ещё одна ключевая область применения модулей COM – военные приложения, где выносливые (ruggedized, предназначенные для эксплуатации в жёстких условиях) модули стандарта COM Express способны удовлетворить запросы разработчиков «сетецентрических» вооружений. Автономные системы, работающие в беспилотных транспортных средствах, коммуникационные системы на основе технологии «программного» радио (Software-Defined Radios), используемые каждым солдатом, встроенные системы для обеспечения защищённых коммуникаций – вот оборудование, которое выгодно разрабатывать на основе этих компактных компонентов, обладающих большой вычислительной мощностью и надёжностью.

Модули COM уже сочетают в себе сбалансированный набор характеристик производительности и характеристик SWaP (Size, Weight and Power, габариты, масса и энергопотребление), что важно для построения систем на основе мобильных сетей и идеально отвечает требованиям разработчиков компьютеризированного оборудования, носимого человеком, которое должно характеризоваться высокой энергоэффективностью.

В COM-модулях хорошо просматривается перспектива их использования в «ультрамобильных» приложениях, где требуется низкое энергопотребление, сохранение процессорных возможностей архитектуры х86, мощная графика, применение технологий PCI Express и Serial ATA, в сочетании с более долгой работой без подзарядки батареи питания. Это носимые медицинские приборы или мультимедийные устройства, развлекательные системы на транспорте, компактные мобильные системы сбора данных и ещё ряд приложений, о возможности реализации которых ранее и не задумывались в связи с ограничениями, накладываемыми в недалёком прошлом габаритами или энергопотреблением.

Перспективы COM

Благодаря использованию в последние 10 лет технологии COM упростился процесс разработки встроенных систем, повысился уровень совместимости оборудования, но разработчики ждут от COM появления новых преимуществ. Разработки ещё более упрощаются благодаря заложенной в концепцию COM заменяемости, в основе которой в том числе и продуманная конструкция разъёмов и компоновка их выводов. Ускоряется вывод новых разработок на рынок и снижается стоимость проектных работ за счёт удобства интеграции COM, независимости от вендора и возможности выбора поставок из разных источников.

Обладая уникальными достоинствами с точки зрения разработчиков компактных встраиваемых систем, устойчивых к жёстким условиям эксплуатации и построенных на основе взаимозаменяемых компонентов, модули COM продолжают служить инструментом масштабирования разрабатываемых систем в «координатах» габаритов и производительности. Благодаря возрастающим возможностям COM-модулей в части противостояния жёстким условиям эксплуатации (ударные нагрузки, вибрации, расширенный диапазон температур), они всё прочнее закрепляются на рынке. Новые процессоры, такие, как Intel Core i7, обеспечивающие новые возможности в части интеграции дисплеев, повышения производительности при работе с графикой, повышения уровня информационной безопасности и повышения вычислительной производительности «общего назначения», открывают новые возможности для разработок модулей COM.

Эволюция стандартов COM

Набор преимуществ модулей COM с появлением каждого нового стандарта неизменно увеличивался, а их «качество» повышалось.

Концепция COM зародилась в 1998 году со стандарта DIMM PC с габаритами кредитной карты. Через два года был принят стандарт ETX. Модули этого стандарта поддерживали в полном объёме функциональные возможности персонального компьютера, их использование и интеграция в систему требовали минимальных затрат инженерного труда и денежных затрат. Модули COM стандарта ETX отличали надёжная конструкция разъёма, предельно малая толщина, простота модернизации и масштабирования систем на их основе. Версия стандарта ETX 3.0 включила в конструкцию модулей разъём интерфейса SATA, оставив неизменной компоновку всех остальных выводов, что позволило не менять конструкцию платы-носителя, но при этом использовать в системах жёсткие диски на основе интерфейса SATA.

С появлением технологии PCI Express, способной вывести характеристики встроенных систем на новый уровень, потребовалась разработка нового стандарта COM-модулей, так как возможности модернизации спецификации ETX были исчерпаны. Разработка стандарта COM Express, открытой спецификации PICMG, вобравшей в себя лучшие идеи и достижения рынка (работы над спецификацией были инициированы и поддерживалась на первом этапе компаниями Kontron, Intel, PFU и RadiSys), обеспечивала плавный переход от «унаследованных» интерфейсных технологий PCI, ISA и IDE к технологиям PCI Express, SATA и другим перспективным технологиям, устремлённым в будущее.

Появление в 2005 году стандарта COM Express стало узловым моментом в развитии этой технологии, определив габариты, компоновку выводов и местоположение разъёма. Сегодня стандарт определяет возможность производства модулей трёх габаритов: Basic (125 мм x 95 мм), Extended (155 мм x 110 мм) и Compact (95 мм x 95 мм). Появление формфактора Compact microETXexpress связано с появлением процессоров, создаваемых по технологии с проектной нормой 45 нм. Эти же процессоры «подтолкнули» рынок в разработке нового формфактора Ultra nanoETXexpress (84 мм x 55 мм), который, как ожидается, будет включён в стандарт PICMG в ближайшее время.

Основное различие между формфакторами Basic, Compact или Ultra – в габаритах. С точки зрения поддерживаемых интерфейсов, компоновки выводов и размещения разъёмов, спецификации этих формфакторов полностью совместимы со стандартом COM Express. Размещение крепёжных отверстий и единство принципов охлаждения обеспечивает взаимозаменяемость модулей формфакторов Basic и Compact на плате-носителе.

Анализируя ситуацию, можно сделать вывод о том, что эволюция формфакторов привела к возврату к габаритам кредитной карты модулей DIMM PC, но дала разработчикам возможность опереться на новые функциональные возможности и значительно возросшие вычислительные ресурсы, востребованные ныне в широком круге проектов по разработке встроенных систем.

Сравнение габаритов модулей COM Express
Рис. Сравнение габаритов модулей COM Express разных формфакторов компании Kontron –Basic, Compact и Ultra.

PICMG и COM

Рабочая группа Computer-on-Modules – Industrial Group (COM-IG) работает над совершенствованием спецификации PICMG COM Express в рамках расширения COM Express Extension. Это расширение призвано устранить ряд недостатков технологии, выявленных на протяжении 10 лет её «эксплуатации», включая введение дополнительных определений в области аппаратного и программного обеспечения и достижения взаимозаменяемости на программном уровне.

Важные расширения в части аппаратной платформы:

  • Введение формфактора Ultra;
  • Расширение диапазона входных мощностей;
  • Использование портов GPIO для SDIO;
  • Управление температурным режимом.

Важные расширения в области программного обеспечения:

  • Поддержка TPM и совместимость с TCG 1.2;
  • Поддержка технологии «интеллектуального батарейного питания» (Smart Battery);
  • Поддержка унаследованной технологии ввода вывода (Legacy Super I/O) благодаря поддержке шины LPC в BIOS.

Более подробная информация на сайте.