Genom tillgången till den PC-liknande ARM-processorteknologin finns det stora möjligheter att förkorta time-to-market och minska FoU-kostnaderna genom att förenkla implementeringen av processorer via x86-formfaktorn. Ett exempel är tillgången till Pico-ITX-kort med processorn NVIDIA Tegra 2. Daniel Pieper, produktmarknadschef hos Kontron, tittar här på fördelarna.

 Prestandanivån och den låga effektförbrukningen hos dagens ARM-teknologi – som utnyttjas i vanliga tablet-applikationer – gör denna teknologi speciellt intressant för embedded-applikationer i SFF-format (Small Form Factor). Därför börjar nu leverantörer av x86-plattformar att tillhandahålla ARM-teknologi som komplement till x86-teknologin.
En strategi som dessa leverantörer använder är att utjämna de teknologiska barriärerna mellan ARM och x86 genom att använda skalbara byggblock. Denna strategi är mycket attraktiv för en mängd OEM-tillverkare, eftersom det betyder att de kan ta fram höggradigt skalbara plattformar med färdiga BSP (Board Support Packages) för alla vanliga operativsystem.
Och med hjälp av lämplig hårdvaruspecifik mjukvara kan den underliggande hårdvaran abstraheras så att man får fram allt fler homogena, applikationsfärdiga plattformar. För tillverkarna blir det en relativt enkel uppgift att byta från ett kort, en modul eller ett system till något annat.
Men detta mål kan bara uppnås om leverantörerna garanterar det med hjälp av rätt standardiseringar på kort- och mjukvarunivå, och dessutom erbjuder omfattande mjukvarutjänster. Oavsett hur en applikation har programmerats, och vilket operativsystem som använts, skall inga mjukvaruändringar behövas – eller åtminstone bara några få.
Dessutom finns ARM-lösningar alltid tillgängliga som Full-Custom-konstruktioner på kort- och systemnivå, så tillverkarna kan fullt ut koncentrera sig på utvecklandet av applikationer, utan att behöva ta hänsyn till individuella skillnader.

Standarder förenklar implementeringen
För att demonstrera hur enkelt det kan vara att välja rätt CPU-byggblock för sin applikation kan man se på hårdvarukonstruktion på kortnivå. Exempelvis skiljer sig  gränssnittsfunktionerna hos ett Pico-ITX-kort med NVIDIA Tegra 2 (se box 1) knappast från de som finns hos redan befintliga konstruktioner baserade på Intel Atom eller AMD Embedded G-Series. Den stora skillnaden ligger i processorn, och därmed i prestandaklassen (se tabell 1).
En viktig skillnad är att ARM-processorer är mer specialiserade och därför har färre generella gränssnitt som SARA och PCI Express, vilka ofta används i x86-konstruktioner för anslutning av individuella utbyggnadsval. Detta hindrar inte att många ARM-baserade SOC har flera UART-, I2C- och SPI-gränssnitt. Så rent teoretiskt skulle de generella gränssnitten kunna åstadkommas med extra komponenter och lite utvecklingsarbete.
Men detta skulle samtidigt ta bort de värdefulla fördelarna med energibesparing som gör ARM-konstruktioner så attraktiva: Minskat behov av kylning och möjligheten att eliminera fläkten gör dessa konstruktioner mer felsäkra och ger dem bättre MTBF. Utvecklandet och tillverkningen av systemen blir enklare – och systemet lättare – tack vare att det inte krävs några heatpipes, kylare eller fläktar.
Men att återskapa dessa generella gränssnitt är en onödig åtgärd eftersom – speciellt när det handlar om SFF-konstruktioner – trenden går mot färre och inte fler sådana. Det betyder att skillnaden i funktionsuppsättningen hos Pico-ITX-kort har ringa betydelse.
Eftersom Pico-ITX-formatet är standardiserat går det att välja rätt x86- eller ARM-konstruktion efter applikationens behov inom ett och samma ekosystem. Det finns heller inga teknologiska begränsningar som man måste ta hänsyn till. Den mekaniska kompatibiliteten med hela det befintliga produktsortimentet är en viktig fördel som bidrar till att förenkla systemkonstruktionen.
Förutom fördelarna med den mekaniska uppbyggnaden går det att ta fram ännu enklare konstruktioner eftersom ARM-baserade kort har ett antal mjukvarufördelar. Det finns t ex omfattande support för alla operativsystem som idag finns tillgängliga för dessa processorer. Med sådana applikationsklara plattformar kan time-to-market förkortas avsevärt, och därmed också utvecklingskostnaderna.

Skalbarhet över alla processorplattformar
Har ARM-processorerna nu integrerats in i x86-formfaktorernas värld? Har detta lett till ett slut på alla dessa teknologiska argument? Ifall det kom an på leverantörerna av embedded-standard-formfaktorer att avgöra, då är svaret ja. För ytterst är målet för dessa leverantörer bara att kunna leverera standardplattformar till sina embedded-kunder, och att möjliggöra nya applikationer som hittills inte varit möjliga med några andra befintliga processorimplementeringar.
En hög grad av skalbarhet hos aktuella standard-formfaktorer över alla processorplattformar har stor betydelse, för då kan tillverkarna enklare portera sina applikationer mellan RISC- och CISC-arkitekturer. Om det finns ytterligare hårdvaruspecifika mjukvarutjänster tillgängliga för att realisera de kodmodifikationer som ibland krävs, då blir den underliggande processorarkitekturen ett allt mindre viktigt beslutskriterium.
Två andra faktorer kommer att spela avgörande roller: energiförbrukningen och prestanda per watt. Man kan också säga att marknaden nu gått in i en ny era – efter de enorma framgångar som x86-teknologin inspirerat till. I denna era gör omfattande mjukvarusupport att gränserna inom processorteknologi försvinner eftersom mjukvaruekosystemet kan utökas till fler teknologiplattformar. Det innebär att standard-formfaktorerna på kortnivå måste utvecklas så att de kan hantera dessa nya processorplattformar.

Omfattande tjänster för direkt insteg
För att ge kunderna möjlighet att direkt ta steget in i ARM-teknologins värld måste leverantörerna av embedded-plattformar erbjuda sina ARM-baserade byggblock i paketlösningar med omfattande konstruktionstjänster, så att OEM-kunderna kan få integrerade ”applikationsklara plattformar” på kort- och systemnivå, såväl i standard- som i kundspecifika versioner.
Förutom att erbjuda dessa individuella tjänster inom hårdvaruutveckling på kort- och systemnivå inriktar sig Kontron t ex också på att tillhandahålla omfattande tjänster för mjukvaruutveckling, alltifrån utveckling av drivrutiner och justering av OS-kod till rikhaltiga tjänster för portering av applikationer och validering, och därtill hw/sw-paketlösningar med kvantitetsbaserade licenser.
Applikationsutvecklarna får fördelarna av effektiv migrering och kort time-to-market. Samtidigt kan de minska utvecklingsriskerna och kostnaderna eftersom applikationsklara plattformar finns tillgängliga. Därigenom kan kunden helt koncentrera sig på sin kärnkompetens: applikationsutveckling.
Självklart måste leverantörerna av embedded-plattformar ge support för alla ARM-relevanta operativsystem. Förutom Windows CE 6 och Windows Embedded Compact 7 (WEC7) stöds speciellt Linux-baserade operativsystem av ARM-produkter. Stöd för VxWorks planeras för TI-processorer. Dessa operativsystem är speciellt intressanta för applikationer som kräver högsta tillgänglighet och bästa realtidsuppträdande.
Vidare är stöd på gång för en ARM-nativ version av Windows 8. Operativsystemet Android, som finns på smartphone- och tablet-marknaderna, är en nödvändighet för att öppna dörren till den enorma marknaden av uppkopplade, multimediaorienterade applikationer baserade på ARM-teknologi, där detta relativt unga operativsystem är vanligt förekommande.
Board Support Packages har validerats upp till systemnivå, vilket gör att tillverkarna kan fokusera på applikationen utan att behöva extra utbildning. Detta minimerar time-to-market och de totala ägandekostnaderna.

SFF-enkortsdator med NVIDIA Tegra 2 Dual Core
Detta SFF-kort i Pico-ITX-format (100 mm x 72 mm), som nu är under utveckling, är bestyckat med en 1 GHz processor NVIDIA Tegra 2 Dual Core. Kortet använder ett helt passivt kylningskoncept och uppvisar en mycket låg effektförbrukning på 3 W.

Funktionsuppsättningen är attraktiv: förutom 10/100 Mbit Ethernet, fem USB 2.0-portar och upp till 42 konfigurerbara GPIO-portar har det ARM Cortex A9-baserade minikortet en kortplats för MicroSD-kort och 512 MB eller 1 GB 32-bits DDR-2-minne.
AV-egenskaperna är också värda att se närmare på: den integrerade, ultralågeffekts grafikprocessorn NVIDIA GeForce ger i mobila enheter grafikprestanda av högkvalitativ spelkonsolskvalitet och kan samtidigt spela upp två strömmande HD-videor (1080p).
Displayer kan anslutas via DVI-I för analog och digital signalöverföring, eller via en 24-bits LVDS-omvandlare. För bakgrundsbelysning används en intern källa på 5 V eller en extern på 12 V. För audio finns SPDIF, in- och utgångar för stereo samt Mic-ingång.
En omfattande uppsättning av hårdvaruacceleratorer för flash-, video- och audiocodecs garanterar flytande och briljant återgivning av multimedia- och webinnehåll.

Nytt Mini-ITX-moderkort med NVIDIA Tegra 3
Vid sidan av formfaktorn Pico-ITX har Kontron nyligen utökat sitt ARM-sortiment med ett moderkort med formfaktorn Mini-ITX (170 mm x 170 mm), Kontron KTT30/mITX. Tack vare sin standardiserade formfaktor banar det en effektiv väg för OEM-tillverkare att integrera ARM-teknologi direkt off-the-shelf och in i sina embedded-applikationer.

Kontron KTT30/mITX baseras på processorn NVIDIA Tegra 3 med fyra ARM Cortex-A9 CPU-kärnor som klarar upp till 900 MHz. En extra kärna med upp till 500 MHz klockhastighet minskar effektförbrukningen till mindre än 1 W i lägen när bara mediaåtergivning och bakgrundstjänster körs.
Med sin integrerade 12-kärniga grafikprocessor NVIDIA GeForce för lågeffektsapplikationer går det att åstadkomma realistisk 3D-grafik med dynamisk belysning för skärmstorlekar upp till 2048 x 1536 pixel. Dessutom finns HDMI 1.4a och 24-bits LVDS-videogränssnitt.
Tack vare den integrerade videoencodern och -decodern, liksom videouppspelning med hög upplösning, klarar kortet realtids videokomprimering, som kan levereras via CSI/DSI-kameraporten.
Periferienheter kan anslutas via tre portar för USB 2.0 och två för RS232. Operativsystem och applikationsdata kan lagras på ett bootningsbart eMMC. Två PCIe-platser, av vilka en även kan användas som mSATA-port, finns för applikationsspecifik utbyggnad. En RJ45 Gigabit Ethernet-port och analog audio-I/O skänker funktionsuppsättnigen den slutliga touchen.

Vid en jämförelse av funktionsuppsättningarna hos dessa tre Pico-ITX-kort framgår tydligt att när det handlar om de viktigaste gränssnitten som USB, Ethernet, grafik och lagring för SFF-enheter finns det knappast några skillnader. Så i stort sett ökas skalbarheten ytterligare genom utökningen till ARM-teknologi.

Daniel Pieper, Product Marketing Manager, Kontron

Filed under: Kortsystem