CC BY
43Компоненты и технологии, № 3'2005
Автоматизация
с баварским акцентом
Специалистам в области промышленной автоматизации хорошо известны названия Kontron Embedded Modules и Kontron Technology A/S. На международном рынке встраиваемых компьютерных технологий эти баварские компании занимают весьма заметное место. Одноплатные компьютеры, встраиваемые процессорные модули и материнские платы марки Kontron, широко используются в промышленности, оборонной отрасли, игровой индустрии и многих других областях. Кроме того, специалисты Kontron Embedded Modules и Kontron Technology A/S дали путевку в жизнь целому семейству открытых промышленных стандартов, принятых на вооружение многими производителями в разных странах мира.
Дмитрий Афонин
Встраиваемые продукты КоПтоп сильно разнятся между собой по производительности, объемам памяти, коммуникационным возможностям и целевым областям применения. Чтобы дать читателю хотя бы поверхностное представление обо всех типах одноплатных компьютеров, процессорных модулей и материнских плат этой марки, потребовался бы не один номер журнала. В настоящей статье мы ограничимся малогабаритными вычислительными решениями — теми изделиями КоПгоп, которые имеют сравнительно небольшие размеры и обладают функциональностью встраиваемого компьютера. К указанному классу принадлежат три большие группы продуктов: встраиваемые модули, встраиваемые платы и миниатюрные материнские платы.
Встраиваемые модули
Первую группу малогабаритных вычислительных решений марки КоПгоп образуют так называемые встраиваемые модули. Встраиваемые модули — это, прежде всего, одноплатные компьютеры с высоким уровнем интеграции, что означает наличие помимо центрального процессора еще и множества разных интерфейсов. Разработчики таких изделий обычно предпринимают какие-либо меры, чтобы базовый набор возможностей мог быть расширен пользователем и адаптирован под требования конкретных прикладных задач. Вторым общим свойством встраиваемых модулей является отсутствие потребности в пассивных объединительных панелях. Описанный набор характеристик позволяет применять встраиваемые модули тогда, кода решения на основе традиционных пассивных магистралей оказываются непомерно дорогими, слишком громоздкими или недостаточно гибкими.
Не следует смешивать понятия «встраиваемый модуль» и «встраиваемая плата». Первые отличаются от вторых тем, как организуется доступ к дополнительным интерфейсам, а также тем, как осуществляется расширение системы. У встраиваемой платы
имеется отдельный разъем для каждого интерфейса. Взаимодействие такого продукта с дополнительной периферией и другими устройствами организуется максимально простым, но не всегда оптимальным образом — при помощи кабелей. Встраиваемый модуль общается с внешним миром более опосредовано: все его интерфейсные линии выведены в общий соединитель, который подключается к базовой плате (плате-носителю), а уж на этой плате монтируется необходимая периферия, разъемы и иные устройства. Такой подход более гибок, поскольку формфактор, функциональность и другие характеристики базовой платы отдаются на откуп пользователю. Интерфейсами расширения как для встраиваемого модуля, так и для встраиваемой платы служат, как правило, стандартные шины, но если в первом случае достаточно просто взять и подключить готовый «расширитель», процессорный модуль сам приходится подключать к базовой плате, которую предварительно нужно разработать и изготовить. По этой причине использование встраиваемых модулей может иногда оказаться слишком долгим и дорогостоящим путем. Однако зачастую у разработчика просто нет выбора: когда собрать систему с искомыми характеристиками из готовых покупных продуктов не удается, лучшим путем будет использование встраиваемого модуля, поскольку он предоставляет весьма большую свободу действий в плане реализации прикладной функциональности и позволяет сэкономить на реализации процессорной части.
По сути, использование стандартизованных встраиваемых модулей — это разумный компромисс между разработкой всей системы своими силами и ее сборкой из готовых покупных изделий. Первый путь очень гибок, но столь же и дорог, второй не всегда может привести к желаемому результату. Стандартизованные встраиваемые модули типа Е2Вгат, ЕТХ, Х-ВоаЫ и ЭММ-РС свободны от этих недостатков и позволяют избежать обеих крайностей. Модули обладают некоторым фиксированным набором функций, а все, чего у них недостает, можно реали----------------------------------------- 187
Компоненты и технологии, № 3'2005
зовать на базовой плате. Данная схема позволяет убить сразу двух зайцев: добиться максимально точного соответствия специфике конкретной задачи плюс получить значительную степень гибкости вкупе с простотой модернизации. Интеграция новых процессоров упрощается до предела: все, что требуется, это снять с платы-носителя один модуль и поставить на его место другой из той же продуктовой линейки. Выход на рынок также заметно ускоряется, ведь базовую плату можно разработать гораздо быстрее, чем систему целиком. Фактически, значительную часть работы по созданию итогового решения при этом выполняет компания — производитель модуля, позволяющая своим клиентам сосредоточиться на прикладной специфике. Разумеется, время от времени клиенту придется совершенствовать свою базовую плату и приобретать новые, более производительные модули. Но, во-первых, многие встраиваемые модули унифицированы и взаимозаменяемы (это справедливо для всех без исключения продуктовых линеек Kontron, состоящих из малогабаритных продуктов), а во-вторых, хлопоты по замене встраиваемого модуля не идут ни в какое сравнение с той головной болью, что сопряжена с разработкой системы от начала и до конца своими силами. Еще одним плюсом является долговечность: модульный принцип построения автоматически означает длительный срок службы системы как целого, поскольку позволяет заменять только неисправные или устаревшие узлы.
В области унифицированных встраиваемых модулей холдингу Kontron есть чем гордиться. Специалисты компании Kontron Embedded Modules уже превратили ряд своих внутрифирменных спецификаций в открытые стандарты и намерены и далее продолжать в том же духе. На момент написания статьи открытыми стандартами, обязанными своим существованием Kontron, являются PISA, DIMM-PC, ETX, MOPS, E2Brain и JFLEX. На очереди X-Board и JRex. Открытые спецификации EPIC и MicrolTX не родились в недрах Kontron, однако активно поддерживаются участниками холдинга: соответствующая продукция производится компаниями Kontron Embedded Modules и Kontron Technology A/S.
ПК размером с записную книжку. Встраиваемые одноплатные компьютеры в конструктиве ETX
Форм-фактор ETX (Embedded Technology eXtended) разрабатывался с прицелом на промышленную электронику. Первоначально ETX был внутренней спецификацией фирмы JUMPtec (название компании Kontron Embedded Modules до вхождения в состав холдинга Kontron), но впоследствии, когда авторы передали ее во всеобщее пользование, ETX стал популярным промышленным стандартом.
В настоящее время этот конструктив поддерживается множеством поставщиков. Типовое изделие формата ETX — это PC-совместимый компьютер, выполненный на одной печатной плате размером 114x100 мм (4,5x4 дюйма). При создании таких модулей используются
процессоры самой разной производительности, что позволяет пользователям легко наращивать вычислительную мощь своих систем.
Продукты данного типа близки к интегральным схемам: посредством четырех низкопрофильных разъемов модуль ETX подключается к клиентской базовой плате. Последняя служит для размещения физических коннекторов, обеспечивающих взаимодействие модулей ETX с внешним миром, а также дополнительных устройств ввода-вывода и прикладной функциональности (периферия на шинах PCI и ISA). Проектируя базовую плату, пользователь может выбрать такой формат и такое размещение компонентов, которое наиболее удобно для данной конкретной задачи; когда же получившуюся систему нужно будет модернизировать, достаточно будет просто заменить один модуль ETX на другой, более быстрый и современный.
Изделия формата ETX, предлагаемые холдингом Kontron, суть полнофункциональные компьютеры на базе процессоров x86, характеризуются малыми размерами и высокой степенью интеграции. Компания Kontron Embedded Modules оснащает изделия данного типа разнообразными процессорами с системой команд x86 и тактовой частотой от 100 МГц (серия ETX-E.LITE) до 1,8 ГГц (продукт ETX-PM). По части коммуникационных и мультимедийных возможностей изделия ETX марки Kontron могут составить конкуренцию иным настольным ПК: у всех одноплатных компьютеров этой серии есть шина PCI 2.1, поддержка локальной сети, IDE-каналы, интерфейс флоппи-дисковода, последовательный и параллельный порты, порты для подключения клавиатуры и мыши, а также контроллеры звука и графики.
Наиболее быстрым представителем семейства Kontron ETX является сегодня ETX-PM (рис. 1). Данный одноплатный компьютер оснащается экономичным процессором Intel Pentium M с тактовой частотой 1,8 ГГц, ОЗУ типа DDR-SO-DIMM PC2100 с поддержкой
коррекции ошибок (максимальный объем — 1 Гбайт) и четырьмя полноскоростными каналами USB 2.0. Ядро Intel Extreme Graphics 2 обеспечивает ускорение двумерной и трехмерной графики и поддерживает разрешения до 2048x1536 включительно. Универсальный видеоинтерфейс JILI автоматически определяет тип подключенного ЖК-дисплея и выставляет соответствующие этому типу видеопараметры. Встраиваемый модуль ETX-PM работает под управлением операционных систем Windows XP, Windows XP Embedded, Windows 2000, Windows CE .NET и Linux, а также ОС реального времени VxWorks.
Из тех ETX-модулей марки Kontron, что не требуют активного охлаждения, самым высокопроизводительным продуктом является ETX-P3T. Модуль ETX-P3T построен на базе чипсета Intel 82815 с интегрированным графическим ядром BGA544. Роль ЦП в данном случае играет либо Intel Celeron ULV, либо Intel Celeron III (до 400 МГц и до 733 МГц соответственно), максимальный объем оперативной памяти составляет 512 Мбайт. В наличии четыре порта USB 2.0, интерфейс LVDS (опционально может быть заменен на DVO), часы реального времени и сторожевой таймер плюс весь тот «джентльменский набор», который есть у каждого представителя семейства Kontron ETX (см. двумя абзацами ранее).
Замыкает модельный ряд Kontron ETX изделие ETX-E.LITE, базирующееся на процессоре STPC Elite с тактовой частотой 100 МГц, имеющее 32 Мбайт оперативной памяти и гнездо для установки карточки CompactFlash.
Компьютер чуть больше аудиокассеты. Встраиваемые модули E2Brain
Форм-фактор E2Brain стал ответом компании Kontron Embedded Modules на стремительный рост числа разнообразных интеллектуальных устройств и усиливающееся давление стоков. Производителям нужно выпускать все
Компоненты и технологии, № 3'2005
больше продуктов в более сжатые сроки, да еще и успевать осваивать при этом новые технологии.
Встраиваемые модули вообще и изделия E2Brain в частности призваны облегчить производителям задачу выживания в современных условиях. Готовые компьютерные ядра способны значительно ускорить выход на рынок, поскольку они позволяют пользователю не заниматься интеграцией ЦП и разработкой базовой функциональности, а сразу переходить к прикладной части.
E2Brain (Embedded Electronic Brain) — новая специализированная архитектура, смысл которой, как и всех других модульных подходов, состоит в разделении аппаратных средств на базовые и прикладные. Первые являются общими для целых классов задач и потому их можно разработать один раз, вторые специфичны для конкретного приложения и должны проектироваться заново для каждой новой системы или нового устройства. Область применения модулей E2Brain охватывает промышленную, медицинскую, коммуникационную, транспортную и военную электронику. Спецификация E2Brain определяет механический форм-фактор и набор функциональных интерфейсов, что делает разные модули E2Brain совместимыми и взаимозаменяемыми.
В отличие от ETX, встраиваемые модули Kontron, относящиеся к серии E2Brain, не привязаны жестко к какой-либо одной процессорной архитектуре и создаются на базе разнообразных RISC-процессоров. При этом изделия E2Brain несколько меньше: их размеры составляют 75x115 мм. Встраиваемые модули данного типа позволяют клиентам интегрировать в свои системы разнообразные современные процессоры, несовместимые с x86 (PowerPC, ARM, SH и др.).
Изделия E2Brain (Embedded Electronic Brain) будут хорошим выбором в тех случаях, когда необходимо добиться как можно меньшего расхода электроэнергии и использовать ЦП с архитектурой RISC. В настоящее время в семействе Kontron E2Brain представлены про---------------------www.finestreet.ru -
цессоры типа PowerPC и XScale. Впоследствии должны появиться модули E2Brain на базе других архитектур.
Встраиваемые модули, выполненные в конструктиве E2Brain, в обязательном порядке оснащаются интерфейсами шин PCI, LPC и I2C, а также двумя терминальными портами, од-ним-четырьмя быстрыми последовательными интерфейсами, служебным портом, интерфейсом JTAG/BDM и одним-двумя каналами Ethernet. Одноплатные компьютеры этого типа могут иметь как оперативную, так и энергонезависимую память, плюс разнообразные дополнительные контроллеры ввода-вывода (CAN, UTOPIA и др.), придающие отдельным изделиям E2Brain известную степень специализации. Благодаря применению экономичных процессоров и передовой схеме кондук-тивного охлаждения все одноплатные компьютеры данного типа могут работать в диапазоне температур от -40 до +85 °C. Это обстоятельство вкупе с малыми размерами, большой механической прочностью и хорошей защищенностью от электромагнитных помех делает модули E2Brain хорошо подходящими для эксплуатации в неблагоприятных условиях.
Как и их старшие братья формата ETX, модули E2Brain рассчитаны на подключение к специализированным базовым платам. Такие платы используются для наделения существующих портов физическими интерфейсами и монтажа дополнительных устройств ввода-вывода, сидящих на шинах PCI и LPC. Два из четырех разъемов, которыми модуль E2Brain подключается к базовой плате, клиент может использовать по своему усмотрению (интеграция новых интерфейсов типа PCI Express, Rapid IO и др.).
В настоящее время флагманом линейки Kontron E2Brain является модуль EB425 (рис. 2). Данное изделие несет на борту коммуникационный процессор Intel XScale IXP425 с тактовой частотой до 533 МГц, до 256 Мбайт оперативной памяти, два контроллера Fast Ethernet, интерфейс UTOPIA, порт USB 1.1 и интерфейс CAN (последнее опционально).
На другом конце шкалы производительности обосновался недорогой продукт EB855, построенный на базе процессора PowerQUICC MPC855T фирмы Freesccale с интегрированным коммуникационным ядром. Пользователю предлагается 16 Мбайт припаянной SDRAM-памяти, Flash-память объемом 4 Мбайт и энергонезависимая SRAM-память на 1 Мбайт.
К решениям E2Brain среднего уровня производительности, оптимизированным по соотношению скорость вычислений/цена, относится изделие EB405. Данный модуль несет 266-мегагерцовый процессор IBM/AMCC PowerPC 405EP, до 256 Мбайт SDRAM-памяти и Flash-память объемом 32 Мбайт.
ПК меньше визитки. Сверхминиатюрные процессорные решения формата DIMM-PC
Как и ETX, изначально DIMM-PC являлся внутренней разработкой фирмы JUMPtec (вошедшей впоследствии в состав холдинга Kontron и сменившей название на Kontron Embedded Modules), но в конечном итоге стал открытым промышленным стандартом.
При габаритах 68x40 мм (что меньше стандартной визитной карточки) изделия DIMM-PC оснащаются относительно быстрыми ЦП класса 386 и 486. Причем в конструктиве DIMM-PC оформляются не только процессорные, но и интерфейсные модули, обеспечивающие поддержку графического вывода, сетей Ethernet и др.
Прикладная часть типичной встраиваемой системы содержит, как правило, компоненты с малым числом выводов (реле, блоки питания, аналого-цифровые преобразователи и др.). Число же контактов во встраиваемом компьютере обычно гораздо больше, равно как и плотность размещения компонентов. Применение DIMM-PC можно рассматривать как отделение той части системы, где компоненты размещены редко и контактов мало, от той ее части, где компоненты размещены часто и контактов много.
Модули DIMM-PC не имеют отдельных периферийных коннекторов, цена которых нередко составляет весьма значительную часть общей стоимости встраиваемого компьютера. Для какого-нибудь модуля PC/104 с процессором 386SX стоимостный вклад коннекторов может достигать 25%! В случае DIMM-PC используется один-единственный недорогой разъем SO-DIMM. Изделия данного типа оказываются, таким образом, еще и весьма выгодными с экономической точки зрения.
Встраиваемые компьютеры DIMM-PC являются PC-совместимыми, то есть ориентированы на систему команд x86. Компания Kontron Embedded Modules оснащает такие изделия процессорами с тактовыми частотами от 33 до 133 МГц. Продукты данного типа как нельзя лучше подходят для задач мониторинга и управления. По умолчанию у каждого модуля DIMM-PC есть интерфейс клавиатуры, канал IDE, интерфейс флоппи-дисковода, последовательный и параллельный порты. Отдельные версии оснащаются также контроллерами
Компоненты и технологии, № 3'2005
локальной сети. Наличие бортовой Иа8Ь-па-мяти позволяет использовать модули Э1ММ-РС в отсутствие внешних накопителей.
Поскольку среди Э1ММ-РС есть не только встраиваемые компьютеры, но и интерфейсные решения, соответствующие базовые платы могут иметь более одного посадочного места: для собственно процессорного модуля и для дополнительных модулей расширения. Изделия Э1ММ-РС обоих типов устанавливаются в обычный разъем Э1ММ, от которого и происходит их название. Базовая плата служит платформой для реализации физических интерфейсов встраиваемого компьютера, а также дополнительных средств ввода/вывода и прикладных функций (периферия на шине КЛ).
sais }|| AMD3
-...........ElanSCS20-133AC
~..р ... IW
ElanSC520-133AC Rev AI ALPHA SAMPLE W88M83-9W6 ЄІ999АМО
Рис. 3. Компактное процессорное решение DIMM-PC/520-I
Наиболее продвинутым модулем DIMM-PC из тех, что предлагает на текущий момент компания Kontron Embedded Modules, является продукт DIMM-PC/520-IE (рис. 3). Данный одноплатный компьютер построен на базе 133-ме-гагерцового процессора AMD SC520 и оснащен интерфейсом Ethernet со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/с. Размер ОЗУ типа DRAM составляет 32 Мбайт, таков же объем бортовой Flash-памяти. Несмотря на чрезвычайно малые размеры, встраиваемый компьютер DIMM-PC/520-IE имеет полный набор базовых коммуникационных возможностей настоящего ПК: интерфейс флоппи-дисковода, канал IDE, один параллельный и два последовательных порта, а также интерфейс клавиатуры PS/2. Помимо версии DIMM-PC/520-IE существует еще и модификация DIMM-PC/520-IU, у которой вместо контроллера локальной сети есть интерфейс USB 1.1, а также недорогая модель DIMM-PC/520-I, у которой нет ни того, ни другого.
Чуть шире в плечах и чуть умнее. Миниатюрные компьютеры-модули X-Board
Мир встраиваемых систем не есть нечто статичное. Он постоянно развивается, и притом весьма быстрыми темпами. Появляются новые приложения и новые рыночные требова-
ния, в ответ с некоторым опозданием возникают новые стандарты и новые форм-факторы. В определенный момент образовалась брешь между функционально нагруженными модулями ETX и E2Brain, с одной стороны, и малютками DIMM-PC — с другой. Конструктив X-Board, разработанный компанией Kontron Embedded Modules, заполнил данный пробел (рис. 4). Концептуально X-Board есть не что иное, как попытка убить двух зайцев одним выстрелом, то есть получить сразу и очень малые размеры, и большое число интерфейсов. С высоты сегодняшнего дня видно, что эта попытка вполне удалась.
Изделия DIMM-PC строятся на базе недорогих x86-процессоров малой производительности (от 386 до AMD SC520) и требуют дополнительного модуля, если нужна поддержка графики. Средством расширения для таких продуктов служит только шина ISA. В случае DIMM-PC малые размеры — это самоцель, оправдывающая любые жертвы, но дающая хорошие плоды в тех приложениях, где свободного пространства крайне мало, а вот производительность и широта коммуникационных возможностей не имеют большого значения. Противоположностью DIMM-PC являются одноплатные компьютеры формата ETX, которые обладают богатейшей мультимедийной функциональностью, оснащаются быстрыми ЦП, работающими на частотах до 1 ГГц, и имеют все мыслимые интерфейсы, какие только может иметь система на базе архитектуры x86.
Являя собой великолепный пример «золотой середины», модули X-Board, чьи размеры составляют всего 68x49 мм (на 9 мм шире, чем DIMM-PC), оснащаются экономичными процессорами с архитектурами как x86, так и RISC. При этом набор интерфейсов, контроллеров и других функциональных блоков у данных продуктов более чем достойный: здесь есть и USB, и Ethernet, и последовательные порты, и звук, и видео, и DRAM, и даже Flash-память. Изделия X-Board позиционируются холдингом Kontron как современные, прогрессивные решения, поскольку они лишены порта PS/2, интерфейса флоппи-дисковода, параллельного порта и шины ISA. Принесение морально устаревших интерфейсов в жертву прогрессу позволило помимо всего прочего использовать при создании модулей DIMM-PC не только традиционные ЦП с системой команд x86, но и RISC-процессоры.
Изделия X-Board великолепно проявляют себя в тех ситуациях, когда необходимо экономить электроэнергию, хватает низкой или средней производительности и необходимо использовать модули как можно меньших размеров. На данный момент в линейке X-Board
компании Kontron Embedded Modules представлены х86-совместимые процессоры Geode SC1100 фирмы National Semiconductor и чипы Intel XScale 255. На очереди другие RISC-архитектуры: ARM и MIPS. Модули X-board отлично подходят для применения во встраиваемых системах самых разных типов и могут, кроме того, послужить толчком к отказу от устаревших интерфейсных технологий.
Стандартный набор характеристик X-Board включает шины расширения PCI и LPC, три порта USB, четыре последовательных порта (уровень TTL), контроллер сети 10/100 Ethernet, аудиоконтроллер AC97, интерфейсы жидкокристаллических и электронно-лучевых дисплеев, ТВ-выход, бортовое ОЗУ типа DRAM и флэш-память. Благодаря наличию последней модули X-Board могут работать как автономные встраиваемые компьютеры. Все X-Board довольствуются пассивным охлаждением.
Для установки модуля X-Board на специализированную базовую плату используются стандартные разъемы SO-DIMM. Базовая плата обеспечивает ввод-вывод и несет физические интерфейсы встраиваемого компьютера. Дополнительные подсистемы и прикладные функции оформляются как периферийные устройства на шинах PCI и LPC.
Рис. 4. Миниатюрный одноплатный компьютер серии X-Boаrd размером с визитку
Среди изделий формата X-Board, предлагаемых компанией Kontron Embedded Modules, есть продукт с процессором Intel XScale PXA 255 (тактовая частота— 200 или 400 МГц). Модуль называется X-Board<PXA>, располагает от 16 до 64 Мбайт оперативной памяти, от 8 до 32 Мбайт флэш-памяти, поддерживает жидкокристаллические дисплеи и работает под операционными системами WindowsCE и Linux.
Считается, что у X-Board есть неплохие шансы присоединиться к PISA, DIMM-PC, ETX, MOPS, E2Brain и JFLEX и стать еще одним открытым промышленным стандартом авторства Kontron Embedded Modules.
Окончание следует.
