Med en ny COM-modul-standard fortsätter nu Kontron sin ARM-satsning. Norbert Hauser, Executive Vice President hos Kontron AG, beskriver här hur företagets lågenergistrategi skall göra det lätt att välja mellan olika processorplattformar.

Nu ser vi ett konkret exempel på Kontrons insteg på ARM-marknaden: En Computer-on-Module-specifikation som kallas ”Low-power Embedded Architecture Platform” och som är inriktad mot lågeffekts SOC- och ARM-arkitekturer. De, liksom ett första COM-provexemplar baserat på Texas Instruments AM387x-processor Sitara, kommer att visas på SPS/IPC/Drives 2011 tillsammans med ett NVIDIA Tegra-baserat Pico-ITX-provexemplar.
Kombination höga prestanda och låg effektförbrukning gör senaste ARM-teknologin till ett lockande alternativ för inbäddade SFF-applikationer (Small Form Factor). Kontron syftar till att utjämna teknologigränserna mellan ARM- och x86-teknologierna, så långt som möjligt, med hjälp av skalbara byggblock. Detta är intressant för många OEM-tillverkare, eftersom de vill kunna få tillgång till höggradigt skalbara plattformar med Board Support Packages (BSP) för alla vanliga operativsystem. OEM-tillverkarna får möjlighet att byta från ett kort, en modul eller ett system till något annat utan alltför stora problem.
Kontron kan garantera detta genom lämplig standardisering på kortnivå och hårdvaruspecifik mjukvarunivå, tillsammans med omfattande mjukvarutjänster. De anpassningar av mjukvaran som krävs sträcker sig från inga alls till nästan inga, beroende på vilket operativsystem som används och på applikationsprogrammeringen.
ARM-lösningar åtföljs alltid av full-custom-produkter på kort- och systemnivå, vilket ger OEM-tillverkarna möjlighet att helt fokusera på utveckling av applikationer. Det är inte längre nödvändigt att brottas med individuella, specifika funktioner.

Enklare implementering
En hårdvarukonstruktion på kortnivå demonstrerar hur valet av en lämplig CPU för en applikation kan förenklas. Gränssnittsfunktionerna hos Kontrons NVIDIA Tegra 2 SOC-baserade Pico-ITX-kort (se fig 1), som nu håller på att utvecklas och planeras vara klart under första kvartalet 2012, skiljer sig knappast från funktionerna hos Kontrons konstruktioner baserade på Intel Atom eller AMD Embedded G-Series. Den viktigaste skillnaden ligger i vilken processor som används, och därmed prestandaklassen (se tabell 1).
En fundamental skillnad ligger i det faktum att de gränssnitt som finns hos ARM-processorer är mer specialinriktade och mindre generella än t ex SATA och PCI Express, som ofta används för individuella tillägg i x86-baserade konstruktioner. Å andra sidan har många ARM-baserade SOC ett antal UART-, I2C- och SPI-gränssnitt.

Fig 1. Pico-ITX-KORT: SFF-enkortsdator med NVIDIA Tegra 2 dualcore-processor

Rent teoretiskt kan man göra ARM-gränssnitten mer generella och standardiserade genom att investera i extra utvecklingskostnader och komponenter. Men detta skulle medföra att man förlorar de överlägsna effektbesparingsfördelar som gör ARM-konstruktioner så attraktiva:
De minskade kraven på kylning ger upphov till fläktfria konstruktioner som är mer felsäkra och har högre MTBF. Sådana system är enklare att utveckla och tillverka. Såväl vikt som kostnad minskas eftersom inga heatpipes, kylare eller fläktar behövs.
Men en sådan utveckling är högst onödig, för när det gäller generella gränssnitt, speciellt för SFF-konstruktioner, går trenden mot mindre snarare än mer. Skillnaden i funktionsuppsättningen hos olika Pico-ITX-kort är därför försumbar.
Eftersom Pico-ITX-formatet är standardiserat kan applikationsspecifika val av lämpliga x86- eller ARM-konstruktioner ske utan hinder, inom ett och samma ekosystem. Fördelarna är mekanisk kompatibilitet med det befintliga produktutbudet vilket förenklar systemkonstruktionen.
För mjukvaran finns ett omfattande stöd för alla vanliga operativsystem, och därtill Kontron Embedded Application Programming Interface (KEAPI) som lanserades för ett år sedan. Detta ger en total homogenitet för identiska funktioner hos konstruktioner från olika APIer, oberoende av processor, operativsystem och formfaktor.
Sådana applikationsfärdiga plattformar reducerar avsevärt time-to-market och utvecklingskostnaderna. Valmöjligheten att lägga ut hårdvaruutvecklandet även för ARM-baserade lösningar blir härigenom en påtaglig realitet.

Skalbarhet
Lade då Kontron in ARM i sortimentet av x86-format? Betyder det att hela teknologistriden är över? Ur Kontrons synvinkel, ja. Ytterst handlar det om att erbjuda sina embedded-kunder den plattform som passar bäst för varje tillfälle och möjliggöra nya applikationer som tidigare inte var möjliga.
Hög skalbarhet hos lämpliga standardiserade formfaktorer över alla processorplattformar är något mycket användbart eftersom det blir lättare för OEM-tillverkarna att portera applikationer mellan RISC- och CISC-arkitekturer.
När det finns hårdvaruspecifika mjukvarutjänster för att genomföra vissa nödvändiga modifieringar av koden blir den underliggande processorarkitekturen i än mindre grad ett fundamentalt beslutskriterium.
Fokus flyttas till effektförbrukningen och prestanda per watt. Efter en enorm framgång, initierad av x86-teknologi, har marknaden nu gått in i en ny tidsålder. Tack vare omfattande mjukvarusupport har gränserna mellan olika processorteknologier minskat eftersom mjukvaruekosystemet nu kan expanderas till fler teknologiplattformar. Det betyder att standardformfaktorerna på kortnivå också måste förbättras i överensstämmelse med de nya processorplattformarna.

COM-specifikation mot ARM och SoC
När det gäller ARM- och x86-teknologi går det inte att bara klumpa ihop allting. Skillnader mellan de olika teknologierna måste lämnas kvar som de är, så att det går att utnyttja deras individuella fördelar. Det är därför Kontron utvecklat en ny specifikation för Computer-on-Modules som är speciellt väl lämpad för ARM och lågeffekts SOC-processorteknologi.

Fig 2. Den nya COM-specifikationen erbjuder två olika format för excellent skalbarhet. Den är optimerad för lågeffekts SOC- och ARM-arkitekturer.

Hittills har alla befintliga modulspecifikationer varit påverkade av x86-teknologi, med funktionsuppsättningar som visat sig vara för komplexa för ARM-teknologi. Ett klassiskt x86-systemchip erbjuder t ex ett stort antal typiska PC-gränssnitt som PCI Express-banor och USB- och SATA-portar.
Men typiska ARM-SOC har mer klassiska embedded-portar som UART, I2C och ett antal SDIO. Dock har de färre PC-gränssnitt:  PCIe x16 och PCI saknar t ex nativt stöd.
ARM-baserade SOC uppvisar olikheter avseende videoutgångar, och de erbjuder i viss utsträckning specifika kameragränssnitt. I ARM-processorer är dessa ofta implementerade enligt MIPI-standarden, t ex Camera Serial Interface (CSI), och är idag inte implementerade i någon modulstandard.
Med den nya COM-specifikationen har Kontron definierat två nya formfaktorer som en framtida defacto-industristandard för inbäddade moduler baserade på ARM och lågeffekts SOC-teknologi. Detta är ett komplement till den framgångsrika standarden COM Express. Kontrons ETX-standard har redan visat att ”defacto”-industristandarder med framgång kan accepteras över hela världen, utan kommittéer som PICMG och VITA.
Den nya COM-specifikation som utarbetats av Kontron stöds redan av en annan prominent embedded-leverantör, nämligen Adlink. Inom Kontron bildar de nya COM-modulerna redan en viktig plattform för framtida skalbara lågeffekts/ARM-baserade, applikationsfärdiga plattformar som Box-PC, HMI och industriella datorplattor.

Den nya COM-specifikationen
Den nya specifikationen utvecklades med utgångspunkt i 314-stiftskontakten MXM 3.0. Detta är en hållbar och extra tunn konstruktion som arbetar med kostnadseffektiva guldfingrar vid kortkanten. Flera olika formfaktorer stöds för att ge flexibilitet för olika mekaniska krav.
Två dimensioner har därför specificerats: en mindre modul på 82×50 mm², och en större på 82×80 mm² främst avsedd för framtida högpresterande multicore-processorer.

Fig 3. I den nya COM-specifikationen ingår en ytterst tunn MXM 3.0-kontakt med en höjd på endast 4,3 mm. Med 314 tillgängliga pinnar erbjuder den ett stort antal I/O-funktioner för processorer av SOC- och ARM-prestandaklass.

Kontron har positionerat specifikationen för en lågeffekts prestandaklass, t ex ARM-anpassade moduler, som ett plattformsalternativ till befintliga, kundutvecklade modulvarianter som ofta är anpassade för en enda ARM-processor.
Den av Kontron pådrivna öppna COM-specifikationen kommer verkligen till sin rätt med den senaste kontakten MXM 3.0, som möjliggör mycket tunna konstruktioner och som också finns tillgänglig i stöt- och vibrationståligt utförande lämpligt för fordonsapplikationer.
Än mer avgörande är det faktum att pinallokeringen, och därmed funktionsuppsättningen, har utformats speciellt för ARM och SOC-processorteknologier. Den nya kontakten ger upphov till nya gränssnitt: videoutgångar med LVDS och i framtiden inbäddad DisplayPort, 24-bits RGB och HDMI är också möjliga.
För första gången har även dedicerade kameragränssnitt inkluderats i standarden. Det innebär att användarna inte längre behöver kompromissa eller arbeta med ineffektiva specifikationer som sträcks ut mellan funktionsuppsättningen i x86 och de slimmade I/O-funktionerna i ARM.

Hjälp att snabbt komma igång
För att ge kunderna möjlighet att omedelbart börja använda ARM-teknologi kommer Kontron att tillhandahålla sina ARM-baserade byggblock i paket tillsammans med omfattande designtjänster. Det innebär att OEM-kunderna kan få redan integrerade applikationsfärdiga plattformar på kort- och systemnivå antingen som standardprodukter eller kundanpassade och tillverkade på order.
Förutom denna individuella tjänst med hårdvaruutveckling på kort- och systemnivå kommer Kontron att erbjuda omfattande tjänster inom mjukvaruutveckling, allt från utveckling av drivrutiner och modifiering av OS-kod till omfattande tjänster inom applikationsportering och validering, och därtill HW/SW-paket och volymlicenser.
Applikationsutvecklarna kan också dra nytta av effektiva migreringar, kort time-to-market och avsevärt reducerade utvecklingskostnader, eftersom de får en ”applikationsfärdig plattform” som om så krävs redan är certifierad. Detta gör att kunderna helt kan koncentrera sig på sina kärnkompetenser: applikationsutveckling.

Alla operativsystem
Kontron stöder naturligtvis alla för ARM relevanta operativsystem. Förutom Windows CE 6 och Windows Embedded Compact 7 (WEC7) kommer Linux-baserade operativsystem att stödjas, liksom Android på ARM-produkter. Även stöd för VxWorks kommer för TI-processorer, vilket är speciellt intressant för applikationer som kräver maximal tillgänglighet och realtidsuppträdande.
Liksom är fallet med x86-baserade produkter kommer Kontrons ARM-produkter även att stödja ARMs nativa version av Windows 8 när Microsoft gör denna produkt tillgänglig. Kontrons stöd för Android – ett fortfarande relativt ungt OS som är populärt i smartphones och datorplattor – gör att vi kan öppna dörren mot den enorma marknaden med nätverksanslutna, multimediaorienterade applikationer baserade på ARM-teknologi.
Board Support Packages (BSP) kommer att valideras för detta OS ända upp till systemnivå. OEM-tillverkarna kan därför koncentrera sig på applikationen, utan att behöva genomgå någon inlärningstid. Detta minimerar såväl time-to-market som den totala ägandekostnaden.

PICO-ITX-kort
De första ARM-baserade produkterna för den nya COM-specifikationen, liksom SFF-kort, avser Kontron att lansera vid Embedded World 2012. Kompletta ARM-baserade system som datorplattor, HMI och Box-TV är planerade till andra halvan av 2012 och senare.
Pico-ITX-kortet i fig 1 är ett SFF-kort (Small Form Factor) i Pico-ITX-format (100×72 mm²), som nu håller på att utvecklas och planeras att introduceras under Q1/2012. Det är försett med en 1 GHz NVIDIA Tegra 2 dualcore-processor, använder ett helt passivt kylningskoncept och har en mycket låg effektförbrukning på 3 W. Dessutom har det en attraktiv uppsättning funktioner:

Tabell 1. En jämförelse mellan de tre Pico-ITX-funktionsuppsättningarna avslöjar knappast några skillnader vad gäller de viktigaste gränssnitten som USB, Ethernet och grafik och minne för SFF-enheter. Generellt sett har skalbarhet med expansion in i ARM-teknologi kommit långt.

Det på ARM Cortex A9-arkitekturen baserade minikortet har 10/100 Mbit Ethernet, tre USB 2.0-portar, sexton fritt konfigurerbara GPIO och en kortplats för Micro SD samt 512 MByte eller 1 GByte 32-bits DDR-2 RAM.
Den audiovisuella upplevelsen har inte förbisetts. Den integrerade ultralågeffekts GPU-processorn NVIDIA GeForce ger grafikprestanda i mobila apparater av hög spelkonsolkvalitet och klarar upp till två samtidiga HD-videoströmmar (1080p).
Displayer ansluts via DVI-I för analog och digital signalöverföring, liksom över två DSI och en 24-bits LVDS-omvandlare. För bakgrundsbelysning finna antingen 5 V internt eller 12 V externt.
För audio finns SPDIF, liksom linje-in och linje-ut samt mikrofon i stereo. Omfattande hårdvaruacceleratorer för flash-, audio- och video-codecs ger flytande och brilliant återgivning av en otalig mängd multimedia- och web-innehåll.

Visitkortsformat
Ett annat ARM-kort under utveckling är en modul i visitkortsformat med processorfamiljen TI Sitara AM387x. Denna extremt kompakta (50×82 mm²), ARM-baserade computer-on-module planeras att introduceras under Q1/2012 och baseras på Texas Instruments enkärniga processor AM387x med ARM Cortex A8 och upp till 1 GByte DDR3 RAM.
Processorn integrerar den högpresterande 3D-grafikmotorn SGX530 för upplösningar upp till 1080p vid 60 Hz, och den kan driva t o m mycket stora paneler i Full HD. För video finns gränssnitten LVDS, embedded DisplayPort (eDP) samt HDMI 1.3 via en MXM 3.0-kontakt. I2S ger förlustfri överföring av digitalt multimedialjud, vilket är viktigt för exempelvis infotainment och multimediakiosk- och butiksapplikationer.
Modulens övriga I/O-funktioner predestinerar den att användas i fordon och inom industrisektorn: två CAN (CAN version 2 Part A, B) liksom Gigabit Ethernet förenklar IT- och fältintegration. Två konforma MIPI-CSI-ingångar (Mobile Industry Processor Interface, Camera Serial Interface) finns också. Dessa kan t ex användas inom medicinska applikationer, liksom för optisk kvalitetskontroll, gestikbaserad styrning av HMI eller personidentifiering i kiosksystem.
För applikationsspecifika tillägg erbjuder Kontrons ARM-moduler en PCI Express Gen 2.0-bana och tre SDIO, som t ex kan ansluta WiFi- och 3G/4G-moduler. Två USB 2.0 och två SPI finns också, och de kan användas för att ansluta en pekskärm.
Intressant är att det går att använda USB som klient. I sådana applikationer ansluts modulen som periferienhet till ett värdsystem. Användningsområden finns överallt där komplexa periferimöjligheter krävs med decentraliserad intelligens, eller där systemfunktioner behöver avläsas för parametrisering via USB.
För att ge en snabb start med applikationsutvecklingen kommer Kontron att tillhandahålla lämpliga bärarkort med två SDIO-platser. Kontron bistår också med utveckling av applikationsspecifika bärarkort, inklusive all nödvändig testning, certifiering och basmjukvara ända upp till komplett systemintegration. Detta ger OEM-tillverkarna möjlighet att fullt ut koncentrera sig på applikationsutveckling med de nya ARM-baserade modulerna.
Norbert Hauser, Executive Vice President, Kontron AG
 

Filed under: Kortsystem