CC BY
7встраиваемые системы i iss
Холдинг Kontron начинает
наступление на рынок ARM
Норберт ХАУЗЕР (Norbert HAUSER)
Анонсированное в сентябре 2011 года стратегическое решение о выходе холдинга Kontron на рынок ARM уже принесло первые плоды. Это 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 альтернативой для процессоров других типов, которые традиционно устанавливали 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 (Venture Development Corporation) и многими отраслевыми организациями. Цель Kontron — 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 уровне плат и аппаратно-зависимого ПО вкупе с предоставлением расширенных программных сервисов. При наличии такой стандартизации изменять программное обеспечение либо не потребуется вовсе, либо объем 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 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 (таблица).
В том, что касается наиболее популярных интерфейсов (USB, Ethernet, графика) и ОЗУ, платы формата Pico-ITX мало отличаются друг от друга. Новые изделия на базе процессоров ARM прекрасно вписываются в существующее продуктовое предложение по данному направлению.
Фундаментальное отличие ARM-решений от решений на базе микроархитектуры x86 состоит в том, что интерфейсы, предоставляемые процессорами ARM, более специализированы и не так широко распространены, как, 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
Таблица. Параметры плат Kontron в конструктиве Pico-ITX
Параметры Плата формата Pico-ITX на процессоре ARM (запланирована на I квартал 2012 г.) Плата KTA55/pITX Плата pITX-SP
Процессор NVIDIA Tegra 2 (тактовая частота 1 ГГц, два ядра) AMD Embedded G-Series (тактовая частота 1 ГГц, два 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, бортовая флэш-память типа NAND Два интерфейса Serial ATA, слот MicroSD Два интерфейса Serial ATA, два интерфейса Parallel ATA
Звук Стереовход, стереовыход, микрофонный вход, интерфейс SPDIF Интерфейсы HD Audio Интерфейсы HD Audio (аналоговые и SPDIF)
Ввод/вывод 16 линий GPIO, два порта RS232, интерфейсы CSI, I2C, SPI и JTAG 8 линий GPIO 8-разрядный интерфейс GPIO, интерфейс SDIO
временем наработки на отказ. Конечные системы с процессорами ARM оказываются проще в разработке и производстве, а отсутствие необходимости в вентиляторах и те-плоотводах приводит к уменьшению как веса, так и цены.
Впрочем, в стандартизации ARM-интер-фейсов 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 задач. Механическая совместимость в пределах всего существующего продуктового предложения по направлению Pico-ITX значительно упрощает проектирование систем.
Решения Kontron на уровне плат обладают еще 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 форм-фактора, KEAPI обеспечивает гомогенность на уровне проекта и позволяет гораздо быстрее выходить на рынок при значительно меньшей стоимости разработки. Кроме того, эта технология дает возможность поручать разработку аппаратной части ARM-решений третьим фирмам.
Новые процессоры и масштабируемость
Привел ли холдинг Kontron технологию ARM в те форм-факторные ниши, где раньше использовались лишь x86-совместимые процессоры? Означает ли это окончание войны микроархитектур? В той мере, в какой это зависит от самого Kontron, ответ будет положительный. 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 форм-факторах, 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 еще более утратит свое значение как ключевой фактор выбора.
Фокус внимания сегодня смещается на такие характеристики, как энергопотребление и производительность из расчета 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, и новые процессорные платформы можно интегрировать в единую софтверную экосистему. Стандартные форм-факторы 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 серьезных 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 классические встраиваемые порты вроде UART, I2C 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, Camera Serial Interface, CSI), которые пока не нашли отражения в каком-либо стандарте на процессорные модули.
В новой COM-спецификации холдинг Kontron определил два новых форм-фактора, 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
• •
Full Size Module* 82mm x 60mm
Short Module: 82 mm x 50 mm
BllllllHiJililiiuiiliiiilini lUllTliillHhHiniliiiinrilill
111 111 11 : : ! ! 111 Ii I Ii I I ! I ' 111 ' I I
IM I IIIIIHIÍI lllllllll i
Рис. 1. Два новых форм-фактора для обеспечения масштабируемости
для малопотребляющих однокристальных систем и чипов с архитектурой ARM
встраиваемые системы 1157
семейства спецификаций COM Express, уже доказала, что промышленные стандарты де-факто могут завоевывать мировое признание даже без участия таких организаций, как PICMG и VITA. Новую COM-спецификацию авторства Kontron уже поддержал один известный поставщик встраиваемых продуктов — компания 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.
Новая спецификация
Новая спецификация была разработана на базе 314-контактного разъема MXM 3.0 и определяет плоские модули с позолоченным краевым соединителем (рис. 2). Чтобы обеспечить возможность учета различных прикладных требований к механике, в стандарт была заложена поддержка нескольких форм-факторов. На данный момент определены два типоразмера: меньший (82x50 мм) и больший (82x80 мм), причем последний предполагается использовать главным образом для будущих быстрых процессоров с несколькими ядрами.
Холдинг Kontron адресует эту спецификацию малопотребляющим системам, в том числе решениям на основе микроархитектуры ARM, и позиционирует ее как альтернативу существующим частнофир-менным платам, которые нередко предназначены лишь для одной модели процессора. Разъем 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 его можно применять в автомобильных приложениях. Не менее важен и тот факт, что назначение контактов и интерфейсная функциональность разрабатывались специально под процессоры ARM и однокристальные системы. Новый разъем позволяет использовать новые интерфейсы: сейчас для подключения дисплеев доступен выход LVDS, в дальнейшем к нему могут быть добавлены порт DisplayPort, 24-разрядный выход RGB и порт HDMI. В стандарт впервые включена поддержка выделенного интерфейса камеры. Благодаря всему этому пользователю больше не придется иметь дело с малоэффективными спецификациями и искать компромисс между богатой функциональностью х86-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. Последнее очень важно для тех задач, где требуются максимальная го-
Рис. 2. Плоский коннектор
товность и функционирование в режиме реального времени. Подобно тому как х86-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. OEM-производители в результате смогут сконцентрировать 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-спецификацией, международный холдинг Kontron собирается представить на выставке Embedded World 2012. Законченные ARM-системы вроде планшетов, человеко-машинных интерфейсов и решений типа Box PC появятся начиная со второй половины 2012 года.
Малогабаритный одноплатный компьютер на базе двухъядерного процессора NVIDIA Tegra 2
Разрабатываемая холдингом Kontron компактная плата формата Pico-ITX (100x72 мм), которая появилась на рынке в первом квартале 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 (рис. 3). Это малогабаритное решение имеет интерфейс Fast Ethernet, три порта USB 2.0, шестнадцать свободно конфигурируемых линий GPIO и слот MicroSD. Объем бортового 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 (1080p). 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 флэш, видео и звука гарантирует плавность воспроизведения разнообразного мультимедийного и веб-контента в высоком качестве.
Встраиваемый модуль на базе процессора серии Ti Sitara AM387x
Новый исключительно компактный (размером с визитку — 50x82 мм) «компьютер на модуле», разрабатываемый сейчас холдингом Kontron, 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 этот продукт поддерживает визуализацию в качестве 1080p при частоте обновления 60 Гц, что позволяет использо-
вать его для вывода графики и видео на большие панели высокого разрешения. В наличии видеоинтерфейсы LVDS, eDP (embedded DisplayPort) и HDMI 1.3 (разъем 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, например 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 IT-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 COM предусмотрены интерфейс PCI Express Gen 2.0 и три порта SDIO, позволяющие применять различные Wi-Fi- 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 со сложной периферией, а также в задачах, требующих чтения системных функций с целью параметризации через интерфейс USB.
Чтобы клиенты могли быстро приступать кразработке 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. ■
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 '2012
