ПРЕСС-ЦЕНТР

Проектирование встраиваемых систем и портирование ПО упрощаются: платы Kontron на Core 2-го поколения с кросс-платформенным промежуточным ПО

МКА: ВКС, 3/2011

Норберт Хаузер (Norbert Hauser), Kontron AG

Высокоинтегрированные процессоры Intel Core i3/i5/i7 второго поколения скоро будут использоваться во всех встраиваемых формфакторах, начиная от малогабаритных и заканчивая высокопроизводительными системами. Однако возникает вопрос: как сделать правильный выбор при покупке новой процессорной платы для разработки встраиваемой системы, если на рынке уже есть платы от разных поставщиков? Примером компании, обеспечивающей своим платам дополнительные преимущества, служит международный холдинг Kontron: он поставляет для всех своих новых плат межплатформенный EAPI-интерфейс, унифицирующий доступ к аппаратным функциям и наплатному вводу-выводу. Для разработчиков и OEM-производителей это ведёт к значительному сокращению затрат при проектировании систем и переносе наработанного ПО на новые аппаратные платформы. Как нетрудно заметить, наличие именно таких программных инструментов, как Kontron EAPI, существенно влияет на решение при выборе оборудования от того или иного поставщика.

В семействе процессоров Intel Core второго поколения значительно повышена вычислительная мощность, увеличена скорость обработки графической информации и снижено энергопотребление. Благодаря устойчивой тенденции по улучшению соотношения производительность/энергопотребление и уменьшению размера процессорного кристалла, это семейство становится ключевым кандидатом на замещение в 2011 году почти всех существующих х86-платформ, за исключением класса Intel® Atom™. Однако рассмотрим, в чём именно состоит секрет привлекательности этих новых процессоров.

Новая процессорная архитектура

Процессорная линейка Intel Core второго поколения базируется на новой микроархитектуре, которую сами разработчики характеризуют как «visibly smart», что можно перевести как «умище не спрячешь!». Она включает в себя новый процессорный разъём, известный как LGA-1155, и значительно более широкий спектр функций. Кроме встроенного контроллера памяти (с поддержкой коррекции ошибок – ECC) и PCIe 2.0 (5 GTps) на кристалле новейшего процессора размещён сверхмощный графический блок. Это означает, что графический блок также выполнен по 32-нм процессорной технологии и поэтому работает с большей энергоэффективностью. Более того, тактовая частота графического блока может изменяться, что способствует ещё большей оптимизации энергопотребления нового процессора. Новая кольцевая архитектура позволяет графическому и процессорному ядрам очень эффективно разделять такие ресурсы, как кэш или память. Разработчики приложений смогут использовать новые возможности, которые открываются благодаря значительно улучшенным вычислительным и графическим характеристикам новых процессоров, не выходя при этом за пределы прежнего энергопотребления.

Высокая степень интеграции

Блогодаря 22-процентному уменьшению занимаемой новым процессором площади, появляется возможность высокого уровня интеграции печатных плат. Именно поэтому новое поколение процессоров Intel становится оптимальным выбором для создания малогабаритных устройств, которые получают все преимущества четырёхъ­ядерной процессорной архитектуры. Однако применением во всё более миниатюрных мобильных приложениях процессорное семейство Intel Core 2-го поколения не ограничивается: благодаря высокой степени масштабируемости вычислительных возможностей, функциональности и энергопотребления, оно пригодно для использования в полном спектре встраиваемых приложений, вплоть до высокопроизводительных встраиваемых вычислений (HPEC-приложения – high-performance embedded computing), в которых может быть задействовано до четырёх ядер каждого процессора.

Дополнительные улучшения

Что касается особенно ресурсоёмких приложений, то в новых процессорах предусмотрена технология Turbo Boost. С помощью этой технологии ресурсы процессорных и графических ядер автоматически перенастраиваются в сторону увеличения производительности, а вычислительная нагрузка перераспределяется таким образом, что пользовательские приложения в любой необходимый момент получают в своё распоряжение немедленный рост производительности. Ещё одно новшество, связанное с новыми процессорами, – это расширение системы команд до 256 бит, известное как Advanced Vector Extensions (AVX). Оно увеличивает производительность, расширяет функциональность и улучшает возможности по управлению данными, их изменению и сортировке. Новая система команд ускоряет выполнение операций с плавающей запятой в таких приложениях с интенсивными вычислениями, как сверхбыстродействующие вычислительные комплексы («цифромолотилки») или цифровая обработка изображений, видео- и аудиоинформации.

Управление огромными массивами данных

Благодаря новым возможностям, встраиваемые платформы на базе процессоров Intel Core 2-го поколения становятся идеальным решением для реализации приложений, требующих обработки огромных массивов информации в условиях ограниченного энергопотребления. Первая область применений, где будут востребованы такие инновации, как AVX и улучшенные характеристики обработки графической информации, связана с системами, обеспечивающими ситуационную осведомлённость, и такими приложениями, как радары, сонары, обработка изображений, видеонаблюдение с распознаванием и автоматизированная диагностика (computer-aided diagnostics – CAD). Встроенные платформы, оснащённые данными ЦП с новыми графическими ядрами, могут также управлять тремя независимыми дисплеями. Используя новые цифровые графические интерфейсы типа DisplayPort, с допустимой длиной подключаемого без репитеров кабеля до 30 футов (порядка 10 м. – Прим. Ред.), появляется возможность создания централизованной компьютерной архитектуры с децентрализованным подключением дисплеев для реализации удалённых человеко-машинных интерфейсов. А это открывает перспективы для второй новой области применений – использования промышленных серверов с максимально тонкими клиентами, в составе которых только клавиатура, видеомонитор и мышь (KVM), что значительно сокращает расходы на установку и обслуживание оборудования, а также повышает его ремонтопригодность. Однако главный выигрыш, который достаётся этой сфере применений, – значительно возросшая скорость обработки графической информации.

Новый стандарт для x86-оборудования выходит на рынок в разных обличьях

Благодаря столь привлекательному спектру новых характеристик, процессоры Intel Core i3/i5/i7 2-го поколения становятся идеальными кандидатами для замены многих существующих процессорных платформ в новых разработках. Учитывая тот факт, что технологии Intel Core второго поколения – это важнейший этап в области развития встраиваемых компьютерных технологий, компания Kontron внедряет эти передовые высокопроизводительные энергоэкономичные процессоры в стандартные форматы плат для встраиваемых систем – от «компьютеров-на-модуле», одноплатных компьютеров и материнских плат до высокопроизводительных систем VPX и CompactPCI. Первой ласточкой в череде продуктов на основе новой генерации высокоинтегрированных процессоров Intel стал «компьютер-на-модуле» ETXexpress-SC в стандарте COM Express (рис. 1). В первом полугодии 2011 года за ним последовали встраиваемые материнские платы KTQM67/mITX и KTQM67/Flex-ATX (рис. 2), а также процессорные платы 6U CompactPCI CP6003-SA (рис. 3) и 3U VPX VX3035 (рис. 4). В течение 2011 года планируется также выпустить платы в других форматах, включая 3U CompactPCI, PCIe/104 и ATX, а также несколько промышленных ПК для рынков промышленной автоматики, транспорта и иных ответственных применений.

Плата Kontron ETXexpress-SC – первый «компьютер-на-модуле» в формате COM Express basic, с четырёхъядерным процессором Intel® Core™ i7 2715QE второго поколения, концентратором ввода-вывода Intel Mobile QM67 и портом USB 3.0.
Рис. 1. Плата Kontron ETXexpress-SC – первый «компьютер-на-модуле» в формате COM Express basic, с четырёхъядерным процессором Intel® Core™ i7 2715QE второго поколения, концентратором ввода-вывода Intel Mobile QM67 и портом USB 3.0.

Материнские платы KTQM67/mITX и KTQM67/Flex-ATX с процессорами Intel Core 2-го поколения
Рис. 2. Материнские платы KTQM67/mITX и KTQM67/Flex-ATX с процессорами Intel Core 2-го поколения

Процессорная плата Kontron CP6003-SA в формате 6U CompactPCI на базе Intel Core 2-го поколения
Рис. 3. Процессорная плата Kontron CP6003-SA в формате 6U CompactPCI на базе Intel Core 2-го поколения

3U VPX-плата Kontron VX3035 с процессором Intel Core 2-го поколения
Рис. 4. 3U VPX-плата Kontron VX3035 с процессором Intel Core 2-го поколения

Единый встраиваемый API-интерфейс для всех будущих платформ

С появлением на рынке всё возрастающего количества плат, систем и платформ на основе новых процессоров Core 2-го поколения перед разработчиками и OEM-производителями встаёт задача внедрения этой передовой технологии в свои новые и существующие приложения, включая макетирование и тестирование всех функциональных возможностей создаваемого приложения и доступ к функциям аппаратных средств и устройств ввода-вывода. Для сокращения затрат на НИОКР, снижения общих расходов и ускорения выхода готового продукта на рынок очень важно сократить количество работ на начальных этапах разработки и в процессе переноса старого ПО на новые платформы.

Один из подходов – воспользоваться услугами по переходу на новые платформы, которые предоставляются поставщиками аппаратных компонентов. Особенно удобен и экономически выгоден этот подход в случаях, когда поставщик предлагает такие услуги для платформ со стандартизованными и унифицированными программными интерфейсами, наподобие PICMG (EAPI) Embedded Application Programming Interface или IPMI, поскольку для доступа к аппаратным функциям не требуется внесения значительных изменений. Тем не менее даже эти интерфейсы имеют ограничения, связанные со специализированными функциями и формфакторами.

Для того чтобы услуги по переходу на новые платформы стали ещё удобнее, дешевле и эффективнее, есть много чего другого, что может быть стандартизовано в дальнейшем. Исходя из подобных соображений, компания Kontron выпустила Kontron EAPI – кросс-платформенное промежуточное ПО, полностью независимое от используемых формфакторов и операционных систем (рис. 5). Оно совместимо с EAPI-интерфейсом консорциума PICMG, как об этом говорится в последней спецификации COM Express – COM.0 rev. 2, но не зависит от формфакторов и операционных систем и обладает расширенным набором возможностей. ПО Kontron EAPI включает дополнительные вызовы функций, такие как работа с основной системной информацией (например о ЦП, памяти, жёстком диске и батарее питания), мониторинг температуры и напряжения, управление рабочими характеристиками и температурным режимом ЦП. Все эти программные интерфейсы с аппаратными средствами можно легко связать с языками программирования высокого уровня типа C++ или Java, значительно упрощая процесс разработки системного и прикладного ПО. Кроме того все подобные наработки, сделанные в предыдущем проекте, могут повторно использоваться даже при переходе на другие платформы Kontron. Это не только сокращает количество работы, необходимой для макетирования и тестирования создаваемого продукта, но и ускоряет его выход на рынок. В дополнение ко всему вышесказанному, в эти унифицированные API-интерфейсы добавлены функции дистанционного мониторинга и управления, что позволит улучшить обслуживание, облегчить ремонт и снизить общую стоимость владения конечной системы. Этот стандартизированный интерфейс OEM-производители могут использовать и для предложения своим заказчикам дополнительных услуг, таких как дистанционное обновление ПО, дистанционный мониторинг работы оборудования и расширенные возможности планового обслуживания.

Для всех новых аппаратных платформ Kontron, предназначенных для создания встраиваемых систем, обеспечивается стандартный доступ и управление аппаратными ресурсами с помощью нового межплатформенного промежуточного ПО компании Kontron – интерфейса для программирования встраиваемых приложений Kontron EAPI (Kontron Embedded Application Programming Interface)
Рис. 5. Для всех новых аппаратных платформ Kontron, предназначенных для создания встраиваемых систем, обеспечивается стандартный доступ и управление аппаратными ресурсами с помощью нового межплатформенного промежуточного ПО компании Kontron – интерфейса для программирования встраиваемых приложений Kontron EAPI (Kontron Embedded Application Programming Interface)

Данный унифицированный интерфейс поможет сократить расходы на НИОКР и упростить переход на новые платформы. Теперь появилась возможность проводить начальное макетирование новой разработки с использованием, например, «компьютера-на-модуле» с платой-носителем, а затем переносить разработку на материнскую плату или модуль VPX и доводить её до окончательного решения. Благодаря предлагаемым услугам по переходу на новые платформы, заказчики могут использовать описываемые новейшие технологии во всех подходящих формфакторах, одновременно с появлением новых процессоров на рынке. Кроме того сам переход значительно упрощается, что ведёт к экономии времени.

Особенно важно отметить то, что для разработчиков программного обеспечения наступает новая эпоха. Как только новый интерфейс реализован, каждый дополнительный переход на новые платформы становится гораздо проще. Кроме того к новым аппаратным функциям можно будет обращаться на высоком уровне абстракции, что существенно сокращает трудоёмкость разработки. Спецификация 1.0 интерфейса Kontron EAPI реализуется специалистами Kontron для всех новых стандартных плат этой компании. В ближайших планах Kontron добавление в спецификацию новых функций, при сохранении обратной совместимости с существующей спецификацией. Всё это поможет разработчикам и OEM-производителям в управлении жизненным циклом своих изделий и значительно увеличит время присутствия на рынке уже разработанных приложений, независимо от типа формфактора и использованного в этом приложении поколения процессоров.

Заказные разработки, включая опции ввода-вывода на базе FPGA-матрицы

Кроме поставок встраиваемых компьютерных технологий в стандартных формфакторах компания Kontron предлагает развитые услуги по проектированию для своих новых процессорных платформ. Спектр этих услуг простирается от модификации плат в соответствии с требованиями заказчика (когда у стандартного модуля убираются ненужные функции или в него добавляются необходимые) до проектирования, производства и требуемой сертификации полностью заказных модулей, систем и платформ, готовых для применения. Двадцати каналов PCIe, предоставляемых процессорами Intel Core 2-го поколения, более чем достаточно для реализации быстродействующих вычислителей – «цифромолотилок» с ЦОС на базе FPGA-матрицы. Все возможные прошивки FPGA, параллельно с выпуском на рынок нового процессора, можно напрямую моделировать и тестировать с помощью стартового комплекта COM Express FPGA Starter Kit. Этот комплект имеет два высокоскоростных HSPMC-интерфейса, управляемых FPGA-матрицей Altera Cyclone IV GX, и поддерживает COM Express-модуль ETXexpress-SC на базе Core 2-го поколения.

Услуги по переносу на новые платформы программного обеспечения

Глобальный центр программных разработок компании Kontron предлагает услуги по переносу прикладного ПО на новые платформы Kontron с EAPI-интерфейсом. В отличие от обычного процесса портирования, данные услуги обеспечивают возможность для программистов сократить объёмы двоичного кодирования, которое приходится выполнять разработчикам и OEM-производителям для доступа к необходимым аппаратным функциям. В целом, затраты на НИОКР уменьшаются уже во время первого проектирования новой платы, в которой реализуется EAPI-интерфейс. Инженеры-программисты могут создавать новые и совершенствовать имеющиеся функции параллельно, добиваясь максимально возможных рабочих характеристик разрабатываемого приложения. В дальнейшем, при будущих модернизациях аппаратной платформы, им больше не понадобится большое количество услуг по переносу ПО, поскольку они смогут использовать платформы с EAPI-интерфейсом Kontron в режиме «установи и запусти», без необходимости дорабатывать какие-либо программные коды; с этим покончено – благодаря тому, что для доступа к аппаратным средствам и устройствам ввода-вывода используются интерфейсы с полностью идентичными функциями. При этом устранена всякая зависимость от какого-либо формфактора. В результате, рабочие взаимодействия между программистами OEM-производителя и поставщиками аппаратных компонентов становятся максимально понятными и прозрачными. Ожидается, что благодаря массовому использованию стандартизованных интерфейсов доступа к аппаратным средствам, между поставщиками встраиваемых плат и программными подразделениями компаний-разработчиков и OEM-производителей установится новая, эффективная форма сотрудничества.