ПРЕСС-ЦЕНТР

На новый рынок с новым формфактором

МКА:ВКС, 1/2012

Норберт Хаузер, Kontron AG

Анонсированное в сентябре стратегическое решение о выходе холдинга Kontron на рынок ARM уже принесло первые плоды. Этими плодами стали новая COM-спецификация под кодовым названием «Low-power Embedded Architecture Platform», ориентированная на малопотребляющие однокристальные системы и устройства с архитектурой ARM, первый COM-модуль с процессором Texas Instruments Sitara AM387x и плата формата Pico-ITX на базе чипа NVIDIA Tegra.

Благодаря высокой производительности и малому энергопотреблению новых полупроводниковых устройств с архитектурой ARM, которые применяются, в частности, в современных планшетах, эти чипы стали привлекательной альтернативой для процессоров других типов, традиционно устанавливавшихся на встраиваемые платы малогабаритных форматов (Small Form Factor – SFF). Стратегическое решение холдинга Kontron о включении в свой портфель микроархитектуры ARM в дополнение к технологии x86 приветствовалось аналитическим агентством VDC (VentureDevelopmentCorporation) и многими отраслевыми организациями. Целью Kontron является максимальное сглаживание границ между мирами ARM и x86 посредством разработки масштабируемых строительных блоков на базе соответствующих процессоров. В подобных изделиях заинтересованы многие OEM-производители, желающие получать хорошо масштабируемые платформы в комплекте с готовыми BSP-пакетами (Board Support Package – пакет поддержки платы) для популярных операционных систем. Слой абстракции, реализуемый специальным аппаратно-зависимым ПО, мог бы способствовать созданию гомогенных готовых платформ, что позволило бы OEM-производителям сравнительно легко переключаться между платами, модулями и системами разных типов. Холдинг Kontron способен воплотить эту мечту в жизнь, обеспечив стандартизацию на уровнях плат и аппаратно-зависимого ПО вкупе с предоставлением расширенных программных сервисов. При наличии такой стандартизации изменять программное обеспечение либо не потребуется вовсе, либо объём необходимых изменений будет очень мал (это будет зависеть от конкретных операционных систем и приложений). Проектирование ARM-систем обычно сопряжено с разработкой полностью кастомизированных решений на уровне плат и систем, стандартизация же позволит OEM-производителям всецело сосредоточиться на разработке приложений, не отвлекаясь на малосущественные индивидуальные детали.

Стандартизация упрощает разработку

Современные изделия уровня плат наглядно показывают, до какой степени может быть упрощена задача выбора подходящего ЦП для того или иного приложения: плата холдинга Kontron в конструктиве Pico-ITX на базе однокристальной системы NVIDIA Tegra 2 (запланирована к выпуску в первом квартале 2012 г.) практически не отличается по своему набору интерфейсов от аналогичных изделий на базе чипов Intel Atom или AMD Embedded G-Series. Меняется лишь используемый процессор и, как следствие, класс производительности (см. таблицу).

Фундаментальное отличие ARM-решений от решений на базе микроархитектуры x86 состоит в том, что интерфейсы, предоставляемые процессорами ARM, более специализированны и не так широко распространены, чем, например, интерфейсы Serial ATA и PCI Express, использующиеся для расширения функциональности x86-систем. Многие однокристальные системы на основе архитектуры ARM имеют по нескольку интерфейсов UART, а также интерфейсы I2C и SPI. Чисто теоретически дополнительные инвестиции в разработку и компоненты могли бы сделать набор интерфейсов ARM типовым и стандартизованным. Однако на практике это, скорее всего, привело бы к утрате технологией ARM основного преимущества, которому она обязана своей привлекательностью, – энергоэффективности. Малое выделение тепла способствует разработке безвентиляторных ARM-решений, которые характеризуются повышенной отказоустойчивостью и большим средним временем наработки на отказ. Конечные системы с процессорами ARM оказываются проще в разработке и производстве, а отсутствие необходимости в вентиляторах и теплоотводах приводит к уменьшению как веса, так и цены.

Впрочем, в стандартизации ARM-интерфейсов нет необходимости, поскольку типовой набор интерфейсов для встраиваемых плат (особенно для плат малогабаритных форматов) имеет тенденцию к сокращению, а не к расширению. По своим интерфейсам разные платы в конструктиве Pico-ITX практически не отличаются друг от друга. Поскольку конструктив Pico-ITX уже стандартизован, ничто не мешает выбирать нужные изделия данного формата на базе процессоров с архитектурой x86 или ARM, исходя при этом исключительно из прикладных требований. Механическая совместимость в пределах всего существующего продуктового предложения по направлению Pico-ITX значительно упрощает проектирование систем (см. врезку «Новая плата Kontron в конструктиве Pico-ITX: малогабаритный одноплатный компьютер на базе двухъядерного процессора NVIDIA Tegra 2»).

В случае Kontron решения уровня плат обладают ещё и дополнительными софтверными преимуществами. Имеется в виду расширенная поддержка со стороны всех популярных операционных систем, а также программная технология KEAPI (Kontron Embedded Application Programming Interface), увидевшая свет год назад. Предоставляя для одинаковых функций унифицированные API-интерфейсы, не зависящие ни от процессора, ни от операционной системы, ни от формфактора, KEAPI обеспечивает гомогенность на уровне проекта и позволяет гораздо быстрее выходить на рынок при значительно меньшей стоимости разработки. Кроме того данная технология позволяет поручать разработку аппаратной части ARM-решений третьим фирмам.

Новые процессоры и масштабируемость

Привёл ли холдинг Kontron технологию ARM в те формфакторные ниши, где раньше использовались лишь x86-совместимые процессоры? Означает ли это окончание войны микроархитектур? В той мере, в какой это зависит от самого Kontron, ответом будет «да». Холдинг Kontron старается предлагать своим клиентам лучшие встраиваемые платформы для каждой конкретной ситуации и помогает им решать те задачи, к которым раньше они не смогли бы подступиться. Высокая степень масштабируемости изделий в стандартизованных формфакторах, включающая поддержку процессоров разных типов, будет очень полезна OEM-производителям, поскольку позволит легче переносить приложения между архитектурами RISC и CISC. С популяризацией аппаратно-зависимых программных сервисов, облегчающих внесение необходимых изменений в ПО, базовая процессорная архитектура ещё более утратит своё значение как ключевой фактор выбора.

Фокус внимания сегодня смещается на такие характеристики, как энергопотребление и производительность из расчёта на один ватт. Вслед за колоссальным успехом, начало которому положила технология x86, рынок вступил в новую эру. Расширенная программная поддержка размывает границы между разными процессорными архитектурами, интегрируя новые процессорные платформы в единую софтверную экосистему. Стандартные формфакторы также должны быть усовершенствованы в соответствии с требованиями других микроархитектур.

Компьютеры-на-модуле с процессорами ARM

Нельзя просто взять и смешать технологии ARM и x86 в одну кучу; их отличия друг от друга – это те преимущества, которые можно эффективно использовать. По этой причине международный холдинг Kontron решил разработать новую спецификацию на изделия типа «компьютер-на-модуле» (Computer-On-Module – COM) с малопотребляющими однокристальными системами и ARM-процессорами. До сих пор все COM-спецификации предполагали использование лишь ЦП типа x86 и обеспечивали функциональность, реализация которой на платформе ARM потребовала бы серьёзных дополнительных усилий. Например типичный чипсет для x86-совместимого процессора поддерживает множество PC-интерфейсов, таких как PCI Express, USB и Serial ATA. У однокристальных же систем с ядрами ARM преобладают более классические встраиваемые порты вроде UART, I2C, I2S и SDIO, а важнейшие PC-интерфейсы наподобие PCI Express x16 и PCI изначально отсутствуют. Кроме того, ARM-чипы имеют другие видеовыходы и могут поддерживать специализированные интерфейсы для подключения камер. Имеется в виду, что полупроводниковые устройства с архитектурой ARM нередко оснащаются интерфейсами ассоциации MIPI (например CSI – Camera Serial Interface), которые пока не нашли отражения в каком-либо стандарте на процессорные модули.

В новой COM-спецификации холдинг Kontron определил два новых формфактора, которые могут стать промышленными стандартами де-факто для модульных систем на базе процессоров с архитектурой ARM и малопотребляющих однокристальных систем, дополнив уже существующий успешный стандарт COM Express для x86-совместимых ЦП (рис.1). Технология Kontron ETX, послужившая отправной точкой для развития семейства спецификаций COM Express, уже доказала, что промышленные стандарты де-факто могут завоёвывать мировое признание даже без участия таких организаций, как PICMG и VITA. Новая COM-спецификация авторства Kontron уже поддерживается одним известным поставщиком встраиваемых продуктов– компанией Adlink. Внутри самого холдинга эта спецификация станет базой для разработки разнообразных готовых масштабируемых платформ с пониженным энергопотреблением: компьютеров типа Box PC, человеко-машинных интерфейсов и промышленных планшетов.


Рис. 1. Новая COM-спецификация определяет два новых формфактора для обеспечения масштабируемости и оптимизирована под малопотребляющие однокристальные системы (SOC) и чипы с архитектурой ARM.

Новая спецификация

Новая спецификация была разработана на базе 314-контактного разъёма MXM 3.0 и определяет плоские модули с позолоченным краевым соединителем (рис.2). Чтобы обеспечить возможность учёта различных прикладных требований к механике, в стандарт была заложена поддержка нескольких формфакторов. На данный момент определены два типоразмера: меньший (82 мм x 50 мм) и больший (82 мм x 80 мм), причём последний предполагается использовать, главным образом, для будущих быстрых процессоров с несколькими ядрами.


Рис. 2. В новой COM-спецификации предусмотрено использование плоского коннектора MXM 3.0, имеющего высоту всего 4,3 мм и обладающего благодаря своим 314 контактам достаточными возможностями по реализации необходимых функций ввода-вывода для однокристальных систем (SOC) и энергоэффективных ARM-процессоров.

Холдинг Kontron адресует эту спецификацию малопотребляющим системам, в том числе решениям на основе микроархитектуры ARM, и позиционирует её как альтернативу существующим частнофирменным платам, которые нередко «заточены» лишь под одну модель процессора. Разъём MXM 3.0 следует признать очень удачным выбором, поскольку он позволяет создавать весьма низкопрофильные решения и доступен в том числе в исполнении с повышенной устойчивостью к ударам и вибрации, благодаря чему он может применяться в автомобильных приложениях. Не менее важен и тот факт, что назначение контактов и интерфейсная функциональность разрабатывались специально под процессоры ARM и однокристальные системы. Новый разъём позволяет использовать новые интерфейсы: в настоящее время для подключения дисплеев доступен выход LVDS, в дальнейшем к нему могут добавиться порт DisplayPort, 24-разрядный выход RGB и порт HDMI. В стандарт впервые включена поддержка выделенного интерфейса камеры. Благодаря всему этому пользователю больше не придётся иметь дело с малоэффективными спецификациями и искать компромиссы между богатой функциональностью x86-совместимых решений и сравнительно скудными возможностями ввода-вывода устройств с архитектурой ARM.

Последний штрих: дополнительные услуги

Чтобы клиенты могли немедленно приступать к практической работе с технологией ARM, холдинг Kontron намеревается предоставлять для своих ARM-продуктов расширенные сервисы по разработке заказных решений. OEM-клиенты холдинга смогут получать готовые к использованию интегрированные платформы уровня плат и систем либо в виде стандартных продуктов, либо в виде решений, выполненных на заказ. Кроме того холдинг Kontron планирует оказывать своим клиентам всестороннюю помощь в софтверных вопросах; диапазон соответствующих услуг будет простираться от создания драйверов и модификации кода операционной системы до валидации и портирования приложений, разработки аппаратно-программных комплексов и лицензирования. Готовые к использованию платформы (если требуется, эти платформы могут быть также сертифицированы) обеспечат эффективность миграции, быстрый выход на рынок и значительное удешевление разработки, благодаря чему клиенты смогут полностью сосредоточиться на своих ключевых компетенциях, то есть заниматься собственно приложениями.

Само собой, при этом холдинг Kontron собирается поддерживать все основные операционные системы для процессоров ARM: эта поддержка будет распространяться не только на платформы Windows CE 6 и Windows Embedded Compact 7, но и на различные версии ОС Linux и Android, а также ОСРВ VxWorks для чипов компании Texas Instruments (см. врезку «Встраиваемый модуль размером с визитку на базе процессора серии TI Sitara AM387x»). Последнее очень важно для тех задач, где требуется максимальная готовность и функционирование в режиме реального времени. Подобно тому, как x86-совместимые изделия холдинга поддерживаются операционными системами семейства Windows для микроархитектуры x86, изделия Kontron на базе процессоров ARM смогут работать под ARM-версией ОС Windows 8, когда та появится на рынке. Поддержка сравнительно молодой платформы Android, пользующейся популярностью в сегментах смартфонов и планшетов, откроет клиентам Kontron путь в огромный мир мультимедийной техники, базирующейся на микроархитектуре ARM и обладающей развитыми коммуникационными возможностями. Валидацию BSP-пакетов для различных операционных систем предполагается осуществлять вплоть до системного уровня. В результате OEM-производители смогут концентрировать свои усилия на прикладных вопросах без ущерба для прочих аспектов реализации проекта. Тем самым будет обеспечен более быстрый выход на рынок и минимизация полной стоимости владения.

Свои первые продукты с процессорами ARM, выполненные в соответствии с новой COM-спецификацей, международный холдинг Kontron собирается представить на выставке EmbeddedWorld 2012. Законченные ARM-системы вроде планшетов, человеко-машинных интерфейсов и решений типа Box PC будут появляться начиная со во второй половины 2012 года.


Плата формата Pico-ITX на процессоре ARM (запланирована на 1 квартал 2012 г.)

Плата KTA55/pITX

Плата pITX-SP

Процессор

NVIDIA Tegra 2 (тактовая частота 1 ГГц, 2 ядра)

AMD Embedded G-Series (тактовая частота 1 ГГц, 2 ядра)

Intel Atom Z5x0

(тактовая частота 1,1/1,6 ГГц, одно ядро)

Поддержка сетей Ethernet

1 порт 10/100 Мбит/с

1 порт 10/100/1000 Мбит/с

1 порт 10/100/1000 Мбит/с

Порты USB

3 порта USB 2.0

6 портов USB 2.0

6 портов USB 2.0

Графические интерфейсы

DVI-I, 24-разрядный одноканальный LVDS, Display Serial Interface

DVI-I, 24-разрядный двухканальный LVDS

DVI-D, 24-разрядный одноканальный LVDS

ОЗУ

512 / 1024 Мбайт памяти DDR2

До 4 Гбайт памяти DDR3

До 2 Гбайт памяти DDR2

Подключение накопителей

Слот MicroSD, встроенная флеш-память типа NAND

2 интерфейса Serial ATA, слот MicroSD

2 интерфейса Serial ATA,2 интерфейса Parallel ATA

Звук

Стереовход, стереовыход, микрофонный вход, интерфейс SPDIF

Интерфейсы HD Audio

Интерфейсы HD Audio (аналоговые и SPDIF)

Ввод-вывод

16 линий GPIO, 2 порта RS232, интерфейсы CSI, I2C, SPI и JTAG

8 линий GPIO

8-разрядный интерфейс GPIO, интерфейс SDIO

Новая плата Kontron в конструктиве Pico-ITX: малогабаритный одноплатный компьютер на базе двухъядерного процессора NVIDIA Tegra 2

Разрабатываемая холдингом Kontron компактная плата формата Pico-ITX (100 мм x 72 мм), которая должна появиться на рынке до конца первого квартала 2012 г., базируется на 1-гигагерцовом процессоре NVIDIA Tegra 2 с двумя ядрами ARM Cortex A9, использует полностью пассивную схему охлаждения и обеспечивает энергопотребление на уровне 3 Вт. Данное малогабаритное решение имеет интерфейс Fast Ethernet, три порта USB 2.0, шестнадцать свободно конфигурируемых линий GPIO и слот MicroSD. Объём встроенного ОЗУ типа DDR2 может составлять 512 Мбайт или 1 Гбайт. Особого упоминания заслуживают аудиовизуальные возможности новой платы: интегрированное сверхмалопотребляющее (Ultra Low Power – ULP) графическое ядро NVIDIA GeForce позволяет наделять мобильные устройства графической производительностью уровня игровых консолей и поддерживает вывод двух видеопотоков в разрешении Full HD (1080 p). Для подключения дисплеев доступны интерфейс DVI-I (цифровой и аналоговый вывод), два интерфейса DSI и 24-разрядный конвертер LVDS; питание подсветки может быть как внутренним (5 В) так и внешним (12 В). Звуковая подсистема включает интерфейс SPDIF, линейный стереовход, линейный стереовыход и микрофонный вход. Поддержка аппаратного ускорения флеш-, видео- и аудиокодеков гарантирует плавность воспроизведения разнообразного мультимедийного и веб-контента в высоком качестве.

 

Встраиваемый модуль размером с визитку на базе процессора серии TI Sitara AM387x

Новый исключительно компактный (50 мм x 82 мм) «компьютер-на-модуле», разрабатываемый в настоящее время холдингом Kontron (выпуск назначен на первый квартал 2012 г.), базируется на процессоре серии Texas Instruments AM387x с одним ядром ARM Cortex A8 и может иметь до 1 Гбайт памяти типа DDR3. Благодаря интегрированному высокопроизводительному графическому ядру SGX530, данный продукт поддерживает визуализацию в качестве 1080 p при частоте обновления 60 Гц, что позволяет использовать его для вывода графики и видео на большие панели высокого разрешения. В наличии видеоинтерфейсы LVDS, eDP (embedded DisplayPort) и HDMI 1.3 (разъём MXM 3.0). Интерфейс I2S обеспечивает передачу цифрового многоканального звука без потерь, что имеет большое значение, в частности, для информационных киосков терминалов и иных информационно-развлекательных приложений.

Ряд функций нового модуля, такие как два порта шины CAN (CAN version 2 Part A, B), выдают его нацеленность на транспортные и промышленные применения, а поддержка сетей Gigabit Ethernet упрощает его интеграцию с полевыми и ИТ-системами. Два интерфейса камеры, удовлетворяющие требованиям CSI ассоциации MIPI (Mobile Industry Processor Interface), можно использовать в медицинских приложениях, а также в задачах оптического контроля качества, управления жестами (человеко-машинные интерфейсы) и персональной идентификации (киоски).

Для расширения базовой функциональности у продукта предусмотрены интерфейс PCI Express Gen 2.0 и три порта SDIO, позволяющие применять различные WiFi- и 3G/4G-модули. Интерфейсная подсистема включает также два порта USB 2.0 и два порта SPI, которые можно использовать, например, для организации взаимодействия с сенсорной панелью. Поддерживается работа в роли USB-клиента, когда модуль подключается к хост-системе по шине USB как периферийное устройство. Это может пригодиться в приложениях с децентрализованным интеллектом, предполагающих использование сложной периферии, а также в задачах, требующих чтения системных функций с целью параметризации через интерфейс USB.

Чтобы клиенты могли быстро приступать к разработке конечных систем, холдинг Kontron планирует предлагать для этого модуля плату-носитель с двумя слотами SDIO. Кроме того Kontron намерен оказывать услуги по разработке плат-носителей на заказ, а также услуги по тестированию, сертификации, разработке базового программного обеспечения и полной интеграции системы. При желании OEM-клиенты смогут заниматься исключительно прикладной частью своего ARM-решения.