ПРЕСС-ЦЕНТР

Новый одноплатный компьютер с выдающимися возможностями ввода-вывода

МКА: ВКС, 3/2011

Андрес Камерман (Andres Kammermann), Kontron

Компьютер MICROSPACE MSMST компании Kontron – это первый встраиваемый одноплатный компьютер в формате PCIe/104 на базе процессора серии Intel Atom E600C, в котором процессор объединён в одном корпусе с программируемой матрицей вентильных элементов (Field Programmable Gate Array, FPGA-матрица) компании Altera. Это не просто ещё одна новинка. Это реализация совершенно нового подхода к использованию встраиваемой архитектуры х86, который может кардинально изменить методы разработки встраиваемых приборов в будущем. Это открытие новой ниши возможностей технологии х86 на основе стандартной технологической платформы.

Благодаря повышенной производительности, компактности и очень низкому тепловыделению дуэт из процессора х86 и FPGA-матрицы практически полностью устраняет привычные ограничения на функциональность встраиваемых компьютеров. Технология программируемых вентильных матриц позволяет разработчикам легко программировать необходимые интерфейсы и прикладные функции. Поэтому тандем, образованный из процессора общего назначения х86 и FPGA-матрицы Altera Arria II, объединённых интерфейсом PCIe, открывает невиданные ранее возможности и гибкость (рис.1). Причём наиболее впечатляют здесь открывающиеся возможности специализации конечного устройства.

Рис. 1. Компания Kontron представляет первый в мире встраиваемый одноплатный компьютер в стандарте PCIe/104 на основе процессора серии Intel Atom E600C, рассчитанный на промышленный диапазон температур, в котором в одном корпусе объединены процессор серии Intel Atom E600 и программируемая пользователем матрица вентильных элементов (FPGA) компании Altera.
Рис. 1. Компания Kontron представляет первый в мире встраиваемый одноплатный компьютер в стандарте PCIe/104 на основе процессора серии Intel Atom E600C, рассчитанный на промышленный диапазон температур, в котором в одном корпусе объединены процессор серии Intel Atom E600 и программируемая пользователем матрица вентильных элементов (FPGA) компании Altera.

Открытость для специализации

В данном случае гибкость возможностей по вводу/выводу достигается без использования дополнительных аппаратных компонентов и интерфейсов. Всё сделано исключительно на базе IP-ядра (программируемого кода) FPGA-матрицы, которое может использоваться и в дальнейшем. Подобный подход открывает перед прикладными разработчиками выдающиеся возможности по реализации ввода/вывода, определяемого программно, что весьма благоприятно сказывается на себестоимости конечного продукта и долговременности его доступности на рынке. Ядром системы по-прежнему остаётся процессор х86, однако поддерживаемые интерфейсы ввода/вывода могут быть произвольными, определяемыми в полном соответствии со спецификациями пользователя. Центр Kontron по программированию FPGA-матриц может реализовывать интерфейсы любой степени специализации согласно прикладным требованиям, которые – и это главное – будут доступны сколь угодно долго. Вместо сопровождения целого набора различных контроллерных компонентов понадобиться модифицировать лишь IP-ядро FPGA-матрицы. Так как рынок FPGA весьма стабилен, более того, развивается (по данным Лорин Вирбел (Lorin Wirbel), приведённым в статье на сайте FPGA Gurus, темпы его развития составляют 8,6 % в год, и к 2015 году объёмы продаж достигнут 7,5 млрд долл. США), то становится понятно, что это ещё одна из наиболее стабильных технологий, наряду с х86, которую разработчики встраиваемых систем могут уверенно использовать. Технология FPGA обладает практически теми же достоинствами, что и технология х86: многофункциональностью, развитой экосистемой и несчётным количеством целевых приложений. Однако в каких же прикладных областях процессорные платы на базе х86 и FPGA-программированным вводом-выводом наиболее востребованны?

Поддержка унаследованных устройств

Прежде всего, реализация унаследованных интерфейсов с помощью FPGA-матриц понравится многим ОЕМ-производителям, поскольку они получат старые интерфейсы, не поддерживаемые более производителями чипсетов и специализированных модулей ввода/вывода (типа ISA, RS232 или CAN). Наличие IP-ядер соответствующих FPGA-матриц будет означать поддержку этих интерфейсов в течение очень долгого времени. И действительно, сегодня можно найти немало систем, в которых используется хотя и устаревшая, но по-прежнему безотказная шина ISA. Для использования соответствующих модулей расширения было дешевле использовать адаптеры PCI-ISA, чем разрабатывать аналоги на базе шин PCI либо PCIe. Поставщикам подобной продукции будет выгодно примять решения на базе FPGA-матриц, ещё большую выгоду они будут получать в будущем. Когда-нибудь шина PCI тоже полностью устареет и не будет использоваться в стандартных чипсетах. Это вполне предсказуемо и подтверждается появлением новейших процессоров, которые могут подключаться к южному мосту только посредством каналов PCIe. Однако в мире сегодня используется огромнейшее число PCI-систем, и никто реально не ожидает реализации Gen2 PCIe либо Gigabit Ethernet в устройствах, которым вполне хватает производительности параллельной 32-разрядной шины, работающей на частоте 66 МГц. Пользователи, за 20 лет привыкшие к шине PCI во встраиваемых системах, будут только приветствовать реализацию PCI с помощью FPGA-матриц. Практически многие из них уже выразили свою заинтересованность. А учитывая консерватизм такой отрасли, как промышленная автоматизация, можно ожидать, что спрос на эту технологию будет только возрастать.

Поддержка нестандартных фирменных решений

Если проанализировать современное состояние промышленной автоматизации и те фирменные решения, которые есть на рынке, то станет ясно, что там уже практически идёт «война» между различными промышленными Ethernet-технологиями (как и совсем недавно «война промышленных шин»). Наверное, ни один поставщик не в состоянии обеспечить рынок столь огромным множеством модификаций нестандартных протоколов промышленных шин. Поэтому второй по величине областью применения новых процессоров будут панельные компьютеры и человеко-машинные интерфейсы для всех возможных систем. CAN-терминалы, PROFIBUS-терминалы, LonWorks-терминалы, вообще, терминалы для любой промышленной шины либо шины Industrial Ethernet могут создаваться на базе одной и той же аппаратной платформы – необходима лишь замена IP-ядра. Возможности этих терминалов можно будет даже наращивать – подобно функциональности ПЛК (программируемые логические контроллеры) на базе FPGA-матриц.

С помощью FPGA-матрицы может даже реализовываться функциональность всего чипсета. Именно это и делает новый процессор Intel Atom E600C (рис. 2). Вместо отдельного системного контроллера-концентратора или другого классического южного моста в системе может быть установлен процессор Intel Atom E600 с FPGA-матрицей Altera в одном корпусе. Устройства серии Intel Atom E600 созданы по технологии с топологическими размерами 45 нм, имеют кэш-память уровня L2 объёмом 512 Кбайт, а также контроллер 3D-графики, дисплея, памяти и шины PCI Express. Интегрированный графический ускоритель Intel GMA 600 – экономичный процессор двумерной и трёхмерной графики – поддерживает OpenGL 2.0, OpenGL 2.1 и OpenVG 1.1, а также дешифрование (MPEG4 part 2, H.264, WMV и VC1) и шифрование (MPEG4 part 2, H.264) сигналов видеоизображения высокой чёткости. Рассеиваемая ядром мощность составляет порядка 3,6 Вт (модификация c 1 ГГц) или 2,7 Вт (модификация с 600 МГц). Для подключения мониторов имеются выходы LVDS и SDVO. Поддержка технологии Intel Hyperthreading обеспечивает значительное повышение производительности и оперативности отклика современных многозадачных приложений благодаря одновременному исполнению двух потоков машинных инструкций. А интегрированная технология виртуализации Intel Virtualization позволяет объединять несколько вычислительных сред на базе одной платформы, что значительно повышает степень гибкости и возможности использования системы. Благодаря поддержке на уровне процессора, BIOS и связующего ПО эффективность программных средств виртуализации значительно возрастает.

Рис. 2. Процессоры Intel Atom E600C – однокорпусные устройства, объединяющие в себе процессоры серии Intel Atom E600 и FPGA-матрицы компании Altera.
Рис. 2. Процессоры Intel Atom E600C – однокорпусные устройства, объединяющие в себе процессоры серии Intel Atom E600 и FPGA-матрицы компании Altera.

Сокращение потребности в материалах и снижение общей стоимости владения

Независимо от того, о каких приложениях идёт речь (а ведь мы ещё не упоминали об обработке цифровых сигналов с помощью FPGA-матриц), применение процессоров серии Intel Atom E600C будет выгодно везде благодаря, во-первых, номенклатуре и количеству вспомогательных электронных компонентов (сокращение ведомости материалов – bill of material, BOM), во-вторых, снижению общей стоимости владения в долгосрочном плане и, в-третьих, свободе реализации прикладных проектов. Таким образом, программное обеспечение и IP-ядра играют в наше время главную роль в области встраиваемых компьютерных технологий – даже на аппаратном уровне. В частности, по этой причине компания Kontron и создала свой Глобальный центр проектирования программного обеспечения, одна из задач которого заключается в оказании помощи ОЕМ-производителям в переводе продукции на базу FPGA. Ожидается, что внедрение этой технологии будет способствовать расширению практики аутсорсинга нестандартных фирменных решений, поскольку в ближайшем будущем даже их можно будет проектировать на основе технологии х86+FPGA и программировать с привлечением специалистов из компаний-поставщиков встраиваемых компьютерных систем. В результате сотрудничества компаний Kontron, Intel и Altera пользователи получают комплексное техническое решение, состоящее из процессора и FPGA-матрицы с весьма гибкими возможностями по вводу/выводу. Эти полностью протестированные и аттестованные решения реализованы в различных типоразмерах и включают в свой состав процессоры, FPGA-матрицы, IP-ядра, драйверы, BSP-пакеты поддержки модулей и средства поддержки различных операционных систем, таких как Windows, VxWorks, Linux и т.д. Глобальный центр Kontron предлагает также программирование FPGA-матриц как дополнительную программную услугу. Кроме того компания оказывает своим клиентам услуги в области разработки и производства специализированных изделий, управлением цепью поставок, выполнением требований регулятивных органов и отраслевых нормативов, таких как ITAR (International Traffic in Arms Regulations –законодательство США по контролю за экспортом вооружений) или ISO 13485 (международный стандарт, содержащий требования к системам менеджмента качества предприятий, производящих медицинские изделия). Благодаря этому ОЕМ-производители получают возможность больше внимания уделять своей основной деятельности: проектированию прикладной системы и её программированию.

Так каковы же достоинства и функциональные возможности этого новейшего встраиваемого одноплатного компьютера с процессором серии Intel Atom E600C? Прежде всего, это чрезвычайно высокая степень гибкости ввода/вывода благодаря интегрированной FPGA-матрице Altera Arria II GX, что превращает компьютер Kontron MICROSPACE MSMST в идеальный инструмент построения чрезвычайно широкого круга прикладных систем. ОЕМ-производители могут получить значительную выгоду благодаря упрощению проектов прикладных систем, сокращению сроков разработки, ускорению выхода на рынок новых продуктов и снижению общей стоимости владения.

Использование компьютеров Kontron MICROSPACE MSMST даёт ОЕМ-производители возможность разрабатывать приложения с точным выполнением требований ввода/вывода для таких областей, как автоматизация, медицинская аппаратура, транспорт, энергетика, оборонная отрасль и связь. Протестированные IP-ядра уже есть для шины CAN, для последовательных интерфейсов (SPI Master / UART) и PCI Express, а также для I2C и GPIO. Конфигурирование платформы превращается в несложную задачу. Всё, что ОЕМ-производителю в этих условиях надо – это приобрести нужное IP-ядро и соответствующие HSMC-мезонины (High-Speed Mezzanine Card, быстродействующие мезонинные платы) для размещения интерфейсных разъёмов (рис.3). Для решения этих и других задач компания Kontron предлагает услуги по программированию FPGA-матриц. Подобная функциональная гибкость вкупе с обширной экосистемой IP-ядер и мезонинов HSMC для архитектур х86/FPGA превращает устройство Kontron PCIe/104 MICROSPACE MSMST в идеальный инструмент разработки специализированных одноплатных компьютеров.

В дополнение ко всему, компьютеры MICROSPACE MSMST изначально рассчитаны на работу в промышленном диапазоне температур (от –40°С до +85°С). Это позволяет применять их в крайне жёстких условиях эксплуатации, характерных для уличных торговых автоматов, транспортных систем, приложений для энергетики и систем военного назначения.

Рис. 3. Быстродействующий мезонинный модуль (HSMC) для вывода запрограммированных интерфейсов FPGA-матрицы.
Рис. 3. Быстродействующий мезонинный модуль (HSMC) для вывода запрограммированных интерфейсов FPGA-матрицы.

О функциональных характеристиках более подробно

Компьютеры Kontron PCIe/104 MICROSPACE MSMST оснащаются процессорами серии Intel Atom E600C с рабочими частотами до 1,3 ГГц и напаянной оперативной DRAM-памятью объёмом до 2 Гбайт. В процессоре имеется встроенный графический ускоритель Intel GMA 600 с видеопамятью объёмом 128 Мбайт и 18/24-разрядными интерфейсами LVDS и SVDO. Для высококачественного ввода/вывода аудиосигналов предусмотрены выход SPDIF (опционально) и два аналоговых стереоразъёма («линейный выход» и «микрофонный вход»). Внешние накопители могут подключаться к двум интерфейсам SATA300. Имеются также два порта USB 2.0 и один порт Gigabit Ethernet (опционально). Подключение различных пользовательских устройств ввода/вывода может осуществляться как при помощи шины PCI Express компьютера, так и через интерфейс HSMC. Надёжность и защиту данных обеспечивает модуль TDM-криптопроцессора (Trusted Platform Module, доверяемый платформенный модуль), осуществляющий шифрование всех передаваемых данных на аппаратном уровне.