CC BY
75Новости рынка встраиваемых систем:
наступление COM Express продолжается
Ассортимент модулей COM Express, позволяющих создавать современные встраиваемые системы с шиной PCI Express, продолжает расширяться. Не последнюю роль в этом процессе играет холдинг Kontron, развивающий свою продуктовую линейку ETXexpress за счет адаптации новых процессорных архитектур и разработки новых формфакторов.
Дмитрий АФОНИН
Производительность современных встраиваемых систем определяется не только скоростью используемых процессоров, но и пропускной способностью тех коммуникаций, которые обеспечивают обмен данными между различными подсистемами. Медленная, морально устаревшая шина PCI заставляет разработчиков проявлять чудеса изобретательности, чтобы задействовать хотя бы часть возможностей новых ЦП. Окончательно решить эту проблему можно, лишь отказавшись от параллельных интерфейсов и перейдя на интерфейсы последовательные, образуемые низковольтными дифференциальными парами проводников. LVDS-пары (Low Voltage Differential Signalin) используются в таких передовых коммуникационных технологиях, как RapidIO, InfiniBand, Serial-ATA, USB, PCI Express и др. Оптимальным вариантом для повышения внутренней пропускной способности является PCI Express.
Шина PCI Express приобретает все большую популярность в настольно-серверном секторе, что делает ее не только весьма привлекательной, но и фактически безальтернативной для встраиваемых PCI-приложений. В самом деле, на рынке Embedded давно уже не разрабатывают новые шины для каждого нового процессора. Сегодня успеха здесь добивается тот, кто научился своевременно воплощать в реальных продуктах свои ноу-хау — что-либо такое, что есть у него и отсутствует у конкурентов. Выбрав стандартные интерфейсные технологии и сосредоточив усилия на высокоуровневом проектировании, разработчик может быстро реагировать на меняющиеся требования рынка и эффек-
тивно использовать потенциал современной компонентной базы.
Уходит в прошлое и еще одна «порочная» практика: создание для каждого нового ЦП новой процессорной платы. В наши дни нет ничего проще, чем загубить хороший проект, погрязнув в базовой интеграции чипсета, памяти и процессора. Ведь клиенту нужен продукт с некоторым более-менее известным набором характеристик за разумные деньги. И если конкурент, полагающийся на популярные технологии и стандартизованные формфакторы, предложит ему такой продукт раньше вас, все ваши усилия пропадут втуне.
Рост конкуренции на рынке встраиваемых систем создает благодатную почву для изделий типа «компьютер-на-модуле» (Computer On Module — COM). Использование изделий типа COM позволяет радикально ускорить и удешевить разработку. Кроме того, сегодня в секторе COM наращивает обороты стандартизация, сулящая разработчику дополнительные преимущества. Смысл всякого стандарта заключается в организации участников рынка по принципу рационального разделения труда с подключением экономических механизмов. Когда ключевые технические требования к некоторой категории продуктов четко определены, а сами эти продукты предлагаются большим количеством независимых поставщиков, начинают действовать известные законы, обусловливающие падение цен, рост товарного разнообразия и стремление к новациям. В конечном итоге каждый участник рынка занимается тем, что у него получается лучше всего, и делает это с полной отдачей.
С учетом вышесказанного успех спецификации COM Express, которая впервые позволила применять шину PCI Express во встраиваемых системах на стандартизованной основе, был вполне предсказуем. История COM Express началась в 2003 г., когда, осознав неизбежность проникновения технологии PCI Express в сектор «компьютеров-на-модуле» и открывающиеся в связи с этим перспективы, специалисты холдинга Kontron (www.kontron.com) стали работать над новой спецификацией одноплатных компьютеров. Вскоре инициатива Kontron была поддержана корпорацией Intel и другими лидерами рынка встраиваемых систем, что привело к созданию комитета COM Express под эгидой международного консорциума PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group, www.picmg.org), занимающегося стандартизацией и курированием различных компьютерных технологий.
Характерной чертой всех изделий класса COM и модулей COM Express, в частности, является то, что они устанавливаются на клиентские базовые платы, где реализуются необходимые разъемы и отражается прикладная специфика. В аспектах, не относящихся к сфере компетенции спецификации COM Express, клиент волен проектировать базовую плату по собственному усмотрению, сообразуясь с требованиями конкретных задач и воплощая свои ноу-хау.
Особое положение холдинга Kontron в секторе COM Express обусловлено тем, что он фактически создал эту индустрию, дав жизнь одноименному стандарту. Изделия серии Kontron ETXexpress отвечают требованиям COM Express в максимально возможной сте-пени1 и рассчитаны не столько на модернизацию старых, сколько на построение новых, высокопроизводительных, систем. Будучи встраиваемыми модулями следующего поколения, изделия ETXexpress не обязаны
1 ETXexpress — это торговая марка холдинга Kontron. Спецификация ETXexpress послужила основой для стандарта COM Express, который был назван так для того, чтобы не вызывать ассоциаций ни с каким конкретным поставщиком. Однако к моменту официального опубликования COM Express многие производители вслед за Kontron уже использовали в названиях изделий данного типа устоявшуюся аббревиатуру ETX. Это привело к тому, что сегодня слово ETXexpress является неофициальным синонимом COM Express и применяется по отношению вообще ко всем продуктам стандарта COM Express.
обладать обратной совместимостью с продуктами предыдущих поколений, что дает определенную свободу как инженерам Kontron, так и пользователям разработанных ими решений. Устремленность линейки ETXexpress в будущее выражается, в частности, в широком использовании на модулях этого типа принципа последовательной передачи данных по дифференциальным сигнальным парам: указанный принцип воплощен не только в локальной шине PCI Express, но и в таких перспективных интерфейсах, как Serial ATA, USB 2.0, LVDS и Serial DVO.
По таким показателям, как функциональность, производительность и пропускная способность, изделия COM Express / ETXexpress являются лучшими продуктами в своем классе, что не мешает им оставаться одними из самых малогабаритных встраиваемых систем: размеры COM Express составляют всего 95x125 мм. Кроме того, поскольку технология COM Express стандартизована и принята на вооружение многими производителями, она обеспечивает автоматическую защиту пользовательских инвестиций и снижает полную стоимость владения оборудованием.
Рассмотрим продуктовую линейку Kontron ETXexpress более подробно.
Модуль ETXexpress-PM: как все начиналось
Продуктовая линейка ETXexpress, а также стандарт COM Express и индустрия COM Express в целом ведут свою родословную с изделия ETXexpress-PM. Данный модуль, выполненный на базе чипсета Mobile Intel 915GM Express, стал одним из первых продуктов, позволивших разработчикам встраиваемых систем применять в своих решениях новейшие интерфейсные технологии (рис. 1).
Данный модуль оснащается процессором Intel Pentium M стактовой частотой до 2,13 ГГц, может нести до 2 Гбайт памяти и имеет развитую функциональность ввода-вывода,
включающую интерфейсы USB 2.0, Serial-ATA, ATA, LVDS и Ethernet. Спецификация COM Express предусматривает поддержку унаследованных плат расширения, и потому у ETXexpress-PM помимо основной системной шины PCI Express есть еще и 32-разрядный интерфейс PCI 2.1.
Благодаря наличию интегрированного контроллера Intel Graphics Media Accelerator 900 и поддержке технологии PCI Express Graphics (PCI Express x16) данное изделие будет хорошим выбором в тех случаях, когда предполагается сложная визуализация в реальном масштабе времени. Быстрый обмен данными с внешним миром обеспечивается портом 10/100Base-T Ethernet (вскоре должна по-
явиться версия ETXexpress-PM с интерфейсом Gigabit Ethernet), а подключение высокопроизводительной периферии — восемью интерфейсами USB 2.0.
Все изделия, представляющие продуктовую линейку ETXexpress, имеют одинаковое расположение интерфейсов PCI Express, PCI, USB, Serial-ATA, ATA, LVDS и ACPI, что позволит разработчикам, выбравшим ETXexpress-PM, легко модернизировать свои системы в будущем. Для задач, предполагающих эксплуатацию оборудования в условиях повышенных ударно-вибрационных нагрузок, на модуле предусмотрено шесть монтажных отверстий, которых вполне достаточно для его надежного закрепления.
Существуют варианты поставки ETXexpress-PM в составе так называемых стартовых комплектов (starterkit), куда входит как сам модуль, так и все прочие аппаратные и программные средства, необходимые для начала разработки приложений, в том числе базовая плата, документация, кабели и блок питания. Стартовые комплекты различаются объемами предустановленной памяти и моделями процессоров.
Конструктив Compact COM Express: малые формы
Существуют задачи, требующие реализации шины PCI Express на платах еще меньших размеров, чем COM Express. Идя навстречу разработчикам, имеющим дело с такого рода приложениями, специалисты холдинга Kontron создали новый формфактор, развивающий идеи, заложенные в COM Express.
Сведения о стандарте COM Express
Подключение модуля COM Express к базовой плате обеспечивается одним или двумя 220-контактными разъемами (обязательным и опциональным). В «обязательный» коннектор выведены шина PCI Express, интерфейс Serial ATA, канал ЖК-монитора (LVDS), шина LPC, линии управления системой и питанием, ТВ-выход, порт VGA, интерфейс локальной сети, а также заземление и силовые линии. Опциональный соединитель позволяет использовать старые интерфейсы PCI и IDE, выход SDVO, а также дополнительные интерфейсы PCI Express, Ethernet, линии питания и заземления.
Физический уровень интерфейса PCI Express образован дифференциальными сигнальными парами LVDS с уровнем напряжения 0,8 В и схемой кодирования 8/10b. Скорость передачи по одному двухпроводному каналу новой шины составляет 2,5 Гбит/с в каждом направлении (полезные данные пересылаются несколько медленнее — 2 Гбит/с); в перспективе планируется выход на уровень 10 Гбит/с. Увеличение числа сигнальных пар приводит к повышению полной пропускной способности в соответствующее число раз. Канал может состоять из 1, 2, 4, 8, 12, 16 и 32 пар LVDS, причем взаимодействие с другими уровнями никак не зависит от физической ширины интерфейса PCI Express. Процессы инициализации и работы с устройствами новая шина позаимствовала у PCI, следствием чего стала автоматическая поддержка PCI Express всеми популярными операционными системами и ОС реального времени.
Один модуль COM Express может иметь до 32 сигнальных пар PCI Express (максимальная совокупная пропускная способность — 80 Гбит/с), интерфейс PCI Express x16 для подключения внешнего графического контроллера, до четырех каналов Serial ATA-150 (полная пропускная способность — 600 Мбайт/с), до трех интерфейсов Gigabit Ethernet (в будущем — 10 Gigabit Ethernet), до восьми портов USB 2.0, до двух каналов LVDS и до двух выходов Serial DVO. Предусмотрена совместимость с 5-ги-гагерцовой версией PCI Express и 300-мегабайтным вариантом Serial ATA, благодаря чему максимальная пропускная способность соответствующих подсистем ввода-вывода может быть удвоена (160 Гбит/с и 1,2 Гбайт/с соответственно).
Стандартизованный механический конструктив COM Express позволяет инженеру адресовать свои решения сразу нескольким классам прикладных задач. Одна и та же базовая плата, снаряженная разными модулями, может вполне подойти и для ультразвукового сканера, и для контрольно-измерительной системы, и для игрового автомата, и для мультимедийного киоска, и для электронного рекламного щита.
В качестве основы для малогабаритного конструктива был взят стандарт COM Express международного консорциума PICMG.
Исходные идеи эволюционировали, в результате чего были разработаны не один, а сразу два новых COM-стандарта: Compact COM Express, являющийся продолжением концепции COM Express в области малых габаритов, и базовая спецификация, предполагающая наличие на плате только классической шины PCI и называющаяся поэтому просто Compact COM. Интерфейс PCI включен в новый стандарт в угоду пользователям модулей предыдущих поколений, желающим комбинировать в своих системах новую и старую шины. Несмотря на то что спецификация ETX, базирующаяся на PCI, все чаще обнаруживает свою несостоятельность там, где требуется повышенная производительность и адекватная этой производительности пропускная способность, многие разработчики еще не готовы отказаться от унаследованной аппаратной базы и полностью перейти на PCI Express. Спецификация Compact COM — это не шаг назад, а ступенька на пути вверх и вперед: мало кто сомневается в неизбежности тотальной замены PCI на PCI Express во всех нынешних PCI-приложениях, однако слишком многие разработчики встраиваемых систем хотят осуществить этот фазовый переход не скачком, а постепенно.
В продуктовом предложении Kontron стандартам Compact COM и Compact COM соответствуют продуктовые линейки microETXexpress (интерфейс PCI Express) и microETX (только классическая шина PCI).
От изделий COM Express новые платы отличаются лишь своими размерами (95x95 мм) и наличием дополнительного монтажного отверстия в правом верхнем углу (рис. 2). Модули microETXexpress (стандарт Compact COM Express) имеют площадь 90,25 см2, что
составит 76% от площади ETXexpress (стандарт COM Express), которая равна 118,75 см2.
Разумеется, модули microETXexpress уступают в функциональности изделиям ETXexpress: при переходе на меньшие габариты приходится отбрасывать все, что в них не вписывается. Однако значительная часть спецификации ETX переходит в новый стандарт без каких-либо изменений, что не только упрощает работу по составлению документации, но и дает дополнительные преимущества.
Линии PCI и PCI Express у модулей microETX и microETXexpress выведены в разные разъемы, расположение же прочих интерфейсов, предназначенных для взаимодействия с периферией, сетями и накопителями (PCI, IDE, Fast Ethernet и шесть портов USB 2.0), полностью совпадает. Это сделано для того, чтобы при переходе с PCI на PCI Express, а также при комбинировании PCI с PCI Express базовая плата претерпевала минимальные изменения. Пользователи, планирующие расширять свои системы в будущем, могут уже сегодня реализовывать на базовых платах интерфейсы PCI Express и SATA. Когда придет время задействовать эти технологии, будет достаточно заменить одни модули на другие. Поддержка шин PCI и/или PCI Express обеспечивается бортовым чипсетом.
Создавая базовые платы, подходящие для модулей сразу трех типов (microETX, microETXexpress и ETXexpress), инженеры работают на перспективу — системы на основе таких плат будут масштабируемыми в широчайшем смысле этого слова: по производительности процессора, скорости обмена данными с накопителями (IDE или SATA), пропускной способности внутренней шины (PCI или PCI Express) и скорости сетевых интерфейсов (Fast Ethernet или Gigabit Ethernet). Заметим, что проектировать базовые платы с прицелом только на PCI Express проще, по-
скольку для одного сегмента этой шины требуется меньше дорожек, что во многих практических задачах является существенным преимуществом.
Задумывая новый формфактор для систем с шинами PCI и PCI Express, холдинг Kontron заботился о перспективах проектов, где используются модули ETX различных версий. На платы ETX сегодня можно устанавливать процессоры с энергопотреблением на уровне 1,4-мегагерцового Intel Pentium M. Специалисты Kontron готовят к выпуску ETX с процессором Intel Core Duo. И все же для интеграции быстрых современных ЦП, нуждающихся в больших количествах электроэнергии, лучше использовать модули microETX и microETXexpress. Следует иметь в виду, что независимо от физических габаритов изделия ETX на основе шины PCI достигнут предела своей производительности гораздо раньше, чем продукты стандартов COM Express и Compact COM Express.
Стремление Kontron дополнить спецификацию COM Express новыми малогабаритными формфакторами непроизвольно и продиктовано желанием пользователей платить лишь за то, что им необходимо сегодня. PC-совместимым контроллерам, например, совершенно не нужны мощные графические платы с интерфейсом PCI Express x16, а вот дополнительная производительность не помешает. Иными словами, два новых конструктива делают одно общее дело, расширяя сферу применимости не столько шины PCI Express, сколько идеологии COM Express как таковой.
Первым представителем продуктовой линейки Kontron microETXexpress, удовлетворяющим стандарту Compact COM Express, стал модуль microETXexpress-PM, полностью соответствующий требованиям RoHS (пониженное содержание свинца) и оснащающийся процессорами Intel Pentium M и Intel Celeron M. Данное изделие может устанавливаться на существующие базовые платы, первоначально создававшиеся для COM Express, и может рассматриваться как решение начального уровня из «большого» семейства ETXexpress, образованного продуктовыми линейками ETXexpress и microETXexpress. Разработчик, купивший microETXexpress-PM, впоследствии сможет легко переходить не только на новые версии microETXexpress, но и на продукцию ETXexpress, а также на изделия стандартов COM Express и Compact COM Express от других производителей. Главной особенностью нового продукта является «заточенность» под мобильные системы, обусловленная его маленькими размерами.
Модуль Kontron microETXexpress-PM выполнен на чипсете Intel 855GME. Тактовая частота ЦП варьируется в пределах от 800 МГц до 1,4 ГГц (Intel Celeron или Intel Pentium M), объем памяти DDR достигает 1 Гбайт. Версии с процессорами Intel Pentium M поддерживают технологию Enhanced Speed Step, обеспечи-
вающую быстрое взаимодействие с памятью. Интегрированный видеоконтроллер Intel Extreme Graphics 2 обеспечивает вывод двумерной и трехмерной графики в разрешениях до 2048 х 1536 на два независимых монитора. Интеллектуальный порт JILI (фирменная разработка Kontron) автоматически определяет тип подключенного дисплея и выставляет соответствующие этому типу видеопараметры. В стандартной комплектации ввода-вывода (стандарт Compact СОМ) предусмотрено наличие двух каналов Serial-АТА II, шести портов USB 2.0, контроллера Ethernet, разъема PCI 2.1, канала IDE и звуковых выходов. Версия продукта, удовлетворяющая стандарту Compact COM Express, имеет дополнительную шину PCI Express. Модуль может работать под управлением различных версий Microsoft Windows, включая Windows СЕ, и Linux.
Продукт ETXexpress-CD: многоядерность на рынке СОМ
Эру многоядерности в истории продуктовой линейки Kontron ETXexpress и рынка COM Express открыл модуль ETXexpress-CD — первое изделие стандарта PICMG СОМ.О, выполненное на базе процессора Intel Core Duo (рис. 3). Имея до 2 Гбайт памяти и развитую функциональность ввода-выво-да, этот высокопроизводительный продукт рассчитан на приложения класса High End. Данный продукт создавался с прицелом на те задачи, где скорость вычислений имеет особенно большое значение. Если принять производительность старшей модели ETXexpress-РМ за 100%, производительность ETXexpress-CD составит около 196% при выполнении операций с плавающей точкой, 189% при выполнении целочисленных операций и 200% в тесте 3DMark. Новый продукт, таким образом, оказался почти вдвое быстрее предшественника, выполненного на базе ЦП с той же тактовой частотой и расходующего примерно столько же электроэнергии. В будущем, когда появится «многопоточное» программное обеспечение с поддержкой технологии Intel Virtualization Technology (VT), рост производительности будет еще более ощутимым. На момент написания настоящей статьи модуль ETXexpress-CD являлся самым массовым «двуядерным» изделием холдинга Kontron.
Технология Intel Virtualization Technology (для краткости — VT) «идет в комплекте» со всеми двуядерными процессорами и чипсетами. Данный аспект двуядерности представляет для разработчиков встраиваемых систем особенно большой интерес. Позволяя запускать на одном процессоре различные ОС и приложения в изолированных «разделах» (виртуальных машинах), технология Intel VT значительно упрощает администрирование и повышает общую стабильность системы, позволяя физически разделять те процессы, которые могут конфликтовать друг с другом в одноядерных конфигурациях. Брандмауэ-
Рис. 3. Внешний вид модуля ETXexpress-CD
ры, серверы данных, различные управляющие и иные подсистемы, традиционно pea-лизуемые как отдельные решения с собственными ЦП, теперь можно безболезненно объединять на одной плате с одним процессором, что позволяет достичь значительной экономии без какого-либо ущерба для безопасности. Немаловажно и то, что о поддержке технологии Intel VT уже заявили многие ведущие поставщики системного ПО, включая RedHat, Suse и MontaVista.
Процессоры Intel Core Duo, устанавливаемые на модуль ETXexpress-CD, поддерживаются чипсетом Intel 945GM. Взаимодействие с современными и с унаследованными платами расширения обеспечивается шинами PCI Express и PCI соответственно. Графическая подсистема включает интегрированный видеоконтроллер и слот PCI Express х16, куда можно установить стандартную видеокарту. Функциональность ввода-вывода тишина для продуктовой линейки ETXexpress (восемь портов USB 2.0, каналы АТА и Serial-АТА, интерфейс LVDS и гигабитный сетевой интерфейс). Поддерживаются основные форматы ТВЧ.
В процессорах серии Intel Core и соответствующих им чипсетах нашли воплощение и другие полезные новшества, такие как функции управления Intel AMT (Intel Advanced Management Technology). Холдинг Kontron намерен отражать в своих продуктовых линейках ход эволюции многоядерных ЦП марки Intel, поскольку, как и Intel, верит, что будущее принадлежит чипам с двумя и более ЦП-ядрами. Среди ближайших шагов, которые Kontron намерен предпринять в этом направлении, — принятие на вооружение процессоров Intel Core2 Duo Т7400, имеющих 4 Мбайт кэша L2 против сегодняшних 2 Мбайт и 64-разрядную архитектуру. Процессоры серий Intel Core и Intel Core2 представляют большой интерес для разработчиков встраиваемых систем, поскольку характеризуются длительными сроками доступно-
сти и обладают очень высокой производительностью на ватт потребляемой мощности.
Модуль ETXexpress-CN8: расширение горизонтов
Одними из своих актуальнейших задач холдинг Kontron считает расширение спектра процессорных архитектур, представленных в продуктовой линейке Kontron ETXexpress, а также закрепление своего лидирующего положения на рынке COM Express. В рамках соответствующей стратегии на II квартал 2007 г. запланирован выпуск изделия ETXexpress-CN8 (рис. 4), выполненного на базе ЦП VIA С7 с тактовой частотой 1,5-2 ГГц, что позволит расширить горизонты пользователей изделий COM Express, предоставив им доступ к новым процессорным архитектурам. Объем бортовой памяти нового изделия достигает 1 Гбайт. Имеется интегрированная звуковая подсистема АС97 и типичный для продуктовой линейки ETXexpress набор интерфейсов. Модуль ETXexpress-CN8 удовлетворяет требованиям RoHS (низкое содержание свинца) и дает разработчикам, выбравшим технологию COM Express, выход на еще одно семейство современных ЦП. Холдинг Kontron намерен и впредь расширять ассортимент модулей серии ETXexpress, дабы его клиенты, использующие шины PCI Express и PCI, могли применять самые разные процессоры. Такая политика должна иметь для индустрии COM Express в целом самые благоприятные последствия, поскольку будет усиливать позиции изделий этого типа в секторе СОМ-ре-шений с интерфейсами PCI Express и PCI.
Благодаря наличию сразу двух шин — PCI и PCI Express, модуль ETXexpress-CN8 подойдет как для систем среднего уровня, так и для решений класса High End. Данный продукт оснащен процессором VIA С7 с тактовой частотой от 1,5 до 2 ГГц. Рыночная ниша ETXexpress-CN7 располагается между нишами microETXexpress-PM и ETXexpress-PM:
