ПРЕСС-ЦЕНТР

Новые возможности COM Express

Электронные компоненты, 9/2011

Герхард Щука (Gerhard Szczuka), Kontron

За пять лет успешного существования спецификации COM Express™ технология х86 подверглась значительным изменениям: появились миниатюрные процессоры с улучшенными параметрами энергопотребления и более производительной обработкой графической информации. Рынку потребовались более компактные системы с улучшенными графическими возможностями, и потому во вторую версию спецификации COM Express были введены новый типоразмер и две схемы расположения контактов ввода/вывода. Благодаря этому технология COM Express обогатилась новыми функциональными возможностями и стала более масштабируемой, что, в свою очередь, расширило возможности ускоренного построения специализированных систем с меньшей стоимостью владения (TCO –Total Cost Ownership).

В первой версии спецификации COM Express были определены два типоразмера: basic (базовый) и extended (расширенный), а также пять схем расположения контактов ввода/вывода с различными интерфейсами подключения к прикладной плате-носителю. Во второй версии спецификации COM Express появилось определение ещё одного типоразмера и двух новых схем расположения выводов.

Compact — новый типоразмер в спецификации COM Express

Новый типоразмер в спецификации COM Express называется compact (компактный) и характеризуется размерами 95 х 95 мм, что на 24 % меньше базового типоразмера по занимаемой электронными компонентами площади (рис.1). Остальные характеристики − физические ограничения, расположение коннектора и назначение выводов − те же самые. Компактный типоразмер уже довольно хорошо известен прикладным разработчикам, поскольку компания Kontron представила его сообществу достаточно давно, занимаясь выпуском модулей по этой спецификации под фирменным названием microETXexpress с 2006 года.

Рис. 1. Новый типоразмер compact − основа разработки компактных систем на базе спецификации COM Express
Рис. 1. Новый типоразмер compact − основа разработки компактных систем на базе спецификации COM Express (Увеличить)

Судя по всему, тенденция к использованию модулей меньших размеров сохранится и в дальнейшем, что будет открывать новые области применения, особенно в сфере мобильных устройств. Более всего это заметно в транспортной отрасли, где то и дело находятся новые ниши для использования встраиваемых плат. Это означает, что производители плат должны выпускать продукты с чрезвычайно широкими возможностями, которые могут легко конфигурироваться в соответствии с потребностями каждого конкретного приложения. И будет расти спрос на ещё более миниатюрные модули (типа устройств семейства nanoETXexpress с размерами 84 х 55 мм, спрос на которые уже достаточно высок). Модули Kontron nanoETXexpress соответствуют требованиям стандарта PICMG COM Express в части назначения и схемы расположения выводов, идеально подходя для создания новых поколений мобильных встраиваемых приложений с малым энергопотреблением, со всеми современными интерфейсами и с размерами не крупнее обычных банковских карточек.

Несмотря на то, что размеры модулей и схемы расположения выводов могут комбинироваться произвольным образом, для сверхкомпактных «компьютеров-на-модуле» типа компьютеров nanoETXexpress лучшим вариантом по электрическим параметрам является новая схема типа 10 (type 10). В целом, схемы расположения выводов, приведённые в спецификации COM Express, определяют интерфейсы и шины связи СОМ-компьютера с дополнительными компонентами и периферийными устройствами через плату-носитель. До настоящего времени самыми широко используемыми (в 9 случаях из 10) схемами были схемы типа 1 и 2. Поэтому именно на них базируются новые схемы компоновки выводов, давая разработчикам новые альтернативы выбора вариантов своих будущих изделий.

10 против 1

Наиболее важной особенностью второй версии спецификации является новая схема расположения выводов типа 10 (type 10) − своего рода «близнец» схемы типа 1 (type 1). Однако в отличие от своего предшественника-«близнеца», она более ориентирована на применение сверхкомпактных процессоров нового поколения.

В частности, в схеме расположения выводов типа 1 порты SATA с номерами 2 и 3 выведены в контакты рядов А и В, в то время как в схеме типа 10 эти же контакты под порты SATA уже не резервируются (поскольку у новейших процессоров, на которые и рассчитан тип 10, только два интерфейса SATA). Несмотря на то, что эти контакты по-прежнему можно использовать в качестве портов SATA, они предназначены для других целей: например, для реализации USB 3.0. Поэтому компания Kontron не рекомендует в проектах со схемами типа 1 (но используемыми в качестве схем типа 10) выводить в эти контакты линии портов SATA 2 и 3. Подобное решение обеспечит совместимость модулей и одновременно с этим их готовность к реализации новых технологий связи типа USB 3.0.

На рис. 2 показано другое различие в определении контактов рядов А и В, касающееся распределения каналов PCIe. В схеме типа 1 предусмотрена организация шести каналов PCIe, в то время как в схеме типа 10 контакты для каналов PCIe 4 и 5 не резервируются и потому могут использоваться в других целях.

Следующее отличие схемы типа 10 от схемы типа 1 − замена второго канала LVDS, каналов TV out и VGA на канал DDI для реализации поддержки порта SDVO (либо портов DisplayPort или HDMI/DVI). Таким образом, к сверхкомпактным модулям типа 10 (например, модулей Kontron nanoETXexpress-TT) возможно подключение не только дисплеев с новейшими интерфейсами, но и двух мониторов с различными интерфейсами (благодаря сохранению в модуле одного канала LVDS).

Рис. 2. Изменения в схеме распределения выводов типа 10 по сравнению со схемой типа 1
Рис. 2. Изменения в схеме распределения выводов типа 10 по сравнению со схемой типа 1.

Схема типа 6: расширенная поддержка дополнительных дисплейных интерфейсов

В основу схемы типа 6 существенным образом положена схема типа 2 − самая широко распространённая на сегодня схема распределения выводов по спецификации COM Express™ COM.0. В новой схеме учтены расширенные графические возможности новейших процессоров. Те контакты, которые раньше выделялись для PCI, в новой схеме используются для реализации цифровых дисплейных интерфейсов и дополнительных каналов PCI Express, а контакты, предназначенные в схеме типа 2 для реализации интерфейса IDE, в схеме типа 6 зарезервированы для будущих коммуникационных технологий. Одной из таких технологий может стать USB 3.0, поскольку 16-ти высвободившихся контактов вполне достаточно для реализации четырёх из 8-ми портов USB 2.0 в виде портов USB 3.0, для каждого из которых требуется по две дополнительных пары проводников (по сравнению с USB 2.0).

Схема распределения выводов типа 6 позволяет создавать дополнительные дисплейные интерфейсы. Широкая поддержка графических средств всегда была одной из отличительных особенностей технологии COM Express. Как и практически все другие схемы распределения выводов (за исключением схемы типа 10), схема типа 6 тоже поддерживает аналоговый интерфейс VGA. Устройства с интерфейсом LVDS (Low-Voltage Differential Signaling − низковольтные дифференциальные сигналы) могут непосредственно подключаться к схемам любого типа. Схема типа 6 предоставляет гораздо больше возможностей по подключению графических устройств. Например, в ней реализованы три порта, специально предназначенные для реализации новых цифровых дисплейных интерфейсов (DDI). Эти порты могут быть независимо друг от друга сконфигурированы как HDMI-порты (HDMI − интерфейс мультимедийных устройств высокой чёткости), в частности как совместимые по электрическим параметрам интерфейсы DVI (Digital Visual Interface − цифровой видеоинтерфейс) или DisplayPort. Кроме того, порт DDI 1 поддерживает интерфейс SDVO (serial digital video output − последовательный цифровой видеовыход), который теперь не мультиплексируется в PEG-порту, как в схеме распределения выводов типа 2. Это позволяет одновременно с встроенными графическими средствами использовать и внешние графические PEG-платы, например для построения многодисплейных систем с более чем 4-мя экранами или систем обработки данных на базе универсальных графических процессоров (general-purpose GPU).

Благодаря развитой поддержке новых графических возможностей будущих микропроцессорных наборов, схема распределения выводов типа 6 превращается в многообещающую замену схемам типа 2 и 3 (появившуюся именно тогда, когда в ней возникла необходимость). Компания Kontron накопила достаточно большой опыт использования этой схемы в различных прикладных областях, так что разработчикам, желающим в полной мере задействовать все графические возможности COM Express, уже доступны необходимые технические решения. Специалисты компании готовы оказать помощь в переходе от использования схемы типа 2 к использованию схемы типа6, а также в облегчении процесса самого перехода. Первым из новых модулей типа 6 в базовом формате является модуль Kontron ETXexpress-AI (рис.3).

Рис. 3. Модуль Kontron COM Express COM.0 R2.0 Type 6 ETXexpress®-AI с процессором Intel® Core i5/i7
Рис. 3. Модуль Kontron COM Express COM.0 R2.0 Type 6 ETXexpress®-AI с процессором Intel® Core i5/i7.

Другие изменения

В новую версию были также внесены следующие изменения: СОМ-модули типов 10 и 6 теперь поддерживают SDIO, мультиплексируемые с существующими сигналами GPIO. Дополнительно были добавлены два последовательных TTL-порта с уровнями сигналов в 3,3 В (требуемые многими унаследованными приложениями), и здесь стандарт снова продемонстрировал, насколько гибко с его помощью можно откликаться на потребности рынка. Порты можно использовать в разных целях, например для реализации каналов RS232, RS485, шины CAN и других двухпроводных интерфейсов.

В числе других изменений, затронувших все типы модулей, можно назвать следующие. Коннектор COM Express в своём существующем виде утверждён для передачи сигналов PCI Express Gen2. Кроме того контакты АС97 теперь используются для передачи аудиосигналов АС97 и HD audio. После реализации шины SPI в БИОСе появился новый микропрограммный интерфейс внутренней и внешней начальной загрузки, поддерживаемой процессорами нового поколения. В предшествующей версии для этой цели использовалась шина LPC. Новые модули обязаны поддерживать шину SPI, но вместе с тем могут внешним образом осуществлять запись микропрограммного обеспечения во флэш-память по шине LPC (особенно если микропроцессорный набор позволяет это делать). Причина изменений в данной процедуре кроется в том, что новые процессоры малых типоразмеров поддерживают загрузочные устройства только с интерфейсом SPI.

Заключение

Новая версия единственного не зависящего от производителя стандарта «компьютеров-на- модуле» − COM Express COM.0 − это большой шаг вперёд для всей экосистемы COM Express. Её главное достоинство заключается в том, что она включает в себя новые технологии без какого-либо ухудшения совместимости со всеми существующими устройствами COM Express. Это гарантирует успешное существование экосистемы и в течение многих следующих лет.

Вторая редакция спецификации COM Express характеризуется расширением функциональных возможностей и повышением степени масштабируемости экосистемы COM Express благодаря введению новых схем распределения выводов, обеспечивающих более высокую пропускную способность последовательных линий связи и улучшенные возможности обработки графической информации при создании новых приложений, а также поддерживающих реализацию новых технологий связи (типа USB 3.0). Модификация всех схем распределения выводов типов 1−5 сохраняет полную совместимость всех существующих систем COM Express, создаваемых на основе новейших процессорных технологий. Новый «компактный» типоразмер − это лишь первый шаг на пути к модулям COM Express ещё меньших размеров (типа nanoETXexpress). Обновлённая спецификация COM Express открывает прикладным разработчикам новые, невиданные ранее возможности создания разнообразных специализированных систем (рис.4).

Рис. 4. Модуль Kontron microETXexpress-XL − «компьютер-на-модуле» по спецификации COM Express со схемой распределения выводов типа 2 в «компактном» формате. Это устройство специально спроектировано для эксплуатации в диапазоне Е2 производственных температур (от −40° до +85°С).
Рис. 4. Модуль Kontron microETXexpress-XL − «компьютер-на-модуле» по спецификации COM Express со схемой распределения выводов типа 2 в «компактном» формате. Это устройство специально спроектировано для эксплуатации в диапазоне Е2 производственных температур (от −40° до +85°С).