Co-Prozessor

Mit Einführung der Intel Atom-Prozessoren haben x86-basierte Embedded-Systeme immer mehr Bereiche erobert, auch solche, die vormals dedizierten Systemen vorbehaltenen waren. Die Atom-E6x5-Serie, die erstmals einen x86er-Prozessor mit einem Altera Field Programmable Gate Array (FPGA) auf einem Multi-Chip-Modul kombiniert, wird diese Entwicklung weiter vorantreiben: Mit dem FPGA können Entwickler die Schnittstellen und Funktionen frei nach ihren Bedürfnissen programmieren. Mit einem PCIe/104-Embedded-SBC (Single-Board-Computer) macht Kontron diese Technologie nun als Standardprodukt verfügbar. Das Kontron MSMST eignet sich zudem auch als Evaluierungsplattform für kundenspezifische Designs, die auch auf Basis des neuen COM-Express-FPGA-Starterkits mit flexibler x86-Bestückung entwickelt werden können.

In der Vergangenheit war lange Zeit die Performance das wichtigste Kriterium für die Entwicklung neuer x86-Prozessortechnologie. Zuletzt waren es jedoch der zunehmende Integrationsgrad und die Energieeffizienz, die für Aufmerksamkeit sorgten. So bietet beispielsweise der sehr kleine, in 45-Nanometer-Technologie gefertigte Intel Atom-Prozessor mit einer TDP von nur wenig mehr als 2 W bei 1,6 GHz Performance, ein bisher nicht da gewesenes Performance-pro-Watt-Verhältnis. Der geringere Stromverbrauch macht sich auch in der Abwärme bemerkbar, so dass komplett lüfterlose Designs in vollständig geschlossenen Gehäusen möglich sind. Das führt auch dazu, dass sich die flexible x86-Technologie immer tiefer in Embedded-Applikationen einbetten lässt.

Designhürde: Proprietäre und Legacy-Schnittstellen

Zudem wandern immer mehr Interfaces weg von dedizierten Controllern hinein in die Chipsätze. Mittlerweile integrieren Chipsätze nahezu alle in der PC-Technologie relevanten Interfaces. Das führt auf der anderen Seite allerdings auch zu einem gewissen Overhead. Denn je tiefer ein Embedded-PC eingebettet werden soll, desto dedizierter und spezifischer werden die benötigten Interfaces, so dass viele der verfügbaren Standard-PC-Schnittstellen an dieser Stelle gar nicht benötigt werden. Wenn es also darum geht, ein dediziertes Angebot von möglicherweise proprietären Schnittstellen auszuführen, stößt selbst das breite Schnittstellenangebot der x86-Technologie an seine Grenzen. Nicht nur, weil kein Anbieter beispielsweise all die verschiedenen Feldbus-Implementierungen für alle derzeit am Markt konkurrierenden Protokolle in einem Produkt anbieten kann. Sondern auch, weil neuere Prozessoren ältere Schnittstellen wie den ISA-Bus nicht länger unterstützen. Tatsache aber ist, dass selbst heutige Applikationen noch immer den alten aber bewährten ISA-Bus nutzen.

Die kosteneffizienteste Lösung bestand bislang darin, mit PCI-auf-ISA-Implementierungen zu arbeiten, anstatt die ISA-basierten I/O-Karten auf PCI oder PCI-Express zu portieren. Das ist nicht nur aufwändig, sondern machte auch platzraubende Zusatzbaugruppen notwendig. Zudem ist absehbar, dass eines Tages auch PCI von Standardchipsätzen nicht mehr unterstützt werden wird. Diese Entwicklung zeichnet sich bereits ab und ist teilweise sogar schon eingetreten, schaut man sich die neuesten Prozessoren an, die nur noch PCIe-Lanes zum Chipsatz ausführen.

Mehr Schnittstellenflexibilität durch FPGA

Einen Ausweg, um dedizierte, proprietäre oder ältere Legacy-Schnittstellen effizient und ohne unnötigen Overhead bereit zu stellen, bieten mittlerweile flexible Schnittstellenumsetzungen auf Basis von FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Diese programmierbaren Schaltkreise bieten nämlich den Vorteil, dass sie in ihrer Funktion immer wieder neu definiert werden können. Dies gelingt über so genannte IP-Cores, die dem FPGA seine individuelle Funktionalität verleihen. So kann der FPGA beispielsweise die Funktionalitäten von seriellen Schnittstellen, Industrial-Ethernet-Controllern, nutzerdefinierten I/O oder gleich die komplette Chipsatz-Funktionalität übernehmen.

Ein so definierter Chipsatz kann dann, neben einem dedizierten Angebot von Standard-PC-Schnittstellen, auch die benötigten proprietären Interfaces umsetzen. Und das ist genau das, was die Atom-E6x5C-Prozessorserie auszeichnet und sie zu einem interessanten Ansatz der x86-Technologie macht: Anstatt eines fest definierten Chipsatzes kombiniert sie den Atom-E6x5-Prozessor mit einem flexibel programmierbaren Altera-­FPGA auf einem einzigen kompakten Multichip-Modul. Möglich ist dies dadurch, dass bei der Atom-E6x5-Serie der Chipsatz erstmals über PCI-Express statt über den Intel-spezifischen Front-Side-Bus angebunden wird. Über PCI-Express kann so statt eines dedizierten Chipsatzes nun erstmals ein FPGA direkt an den Prozessor angebunden werden, was ein Maximum an Flexibilität und damit auch langfristige Designsicherheit erlaubt.

Doppelter Nutzen mit Multi-Chip-Modul

Durch die Symbiose der beiden Technologien profitieren Entwickler gleich doppelt: Einerseits, weil sie den flexibel programmierbaren FPGA direkt vorintegriert mit dem Prozessor erhalten. Damit entfällt der Aufwand, der bei der Integration eines separaten ­FPGA, beispielsweise über eine Zusatzbaugruppe anfallen würde. Jetzt genügen deutlich einfachere Tochterkarten, die lediglich noch die gewünschten physikalischen Schnittstellen ausführen. Das reduziert nicht nur Kosten bei der I/O-Kartenentwicklung, die reduzierte Stückliste und der höhere Integrationsgrad ermöglichen auch kompaktere Bauformen.

Zum anderen profitieren Applikationsentwickler dadurch, dass der FPGA die komplette Chipsatzfunktionalität übernehmen kann. Entwickler sind damit nicht länger von den Chipsatzfunktionalitäten abhängig, die der Prozessorhersteller für seine Chipsätze definiert hat, sondern sind komplett frei in der Entscheidung, welche Funktionalitäten und Schnittstellen ausgeführt werden sollen. Sie erhalten also deutlich mehr Freiheitsgrade beim Applikationszuschnitt. So kann der FPGA neben I/O-Funktionen auch zusätzliche Aufgaben übernehmen, die bisher speziellen Controller-Bausteinen vorbehalten waren, beispielsweise für Motion-Control oder die Vorverarbeitung von Echtzeitvideodaten.

Zuverlässiger Schutz

Außerdem lässt sich firmenspezifisches Know-how im FPGA zuverlässiger schützen, als bei normaler Software, da ein Re-Engineering des FPGA-Codes, der in HDL (Hardware Description Language) kodiert ist, nicht einfach kopiert und weiterverarbeitet werden kann. Angesichts dieser Vorteile mögen OEM sich jetzt fragen, wie sie auf dieser Grundlage effizient zu einer einsatzfertigen ­FPGA-basierten Lösung gelangen. Es gab nämlich bislang keine Standardplattform, die FPGA und x86er als einheitliches Standardprodukt oder Evaluierungsplattform angeboten hat. Es war insofern immer ein kundenspezifisches Design nötig, was sich mit der Verfügbarkeit der E6x5C-Serie ändert. Denn diese ist bereits auf einem kompakten und standardbasierten PCIe/104-SBC-Modul vorintegriert verfügbar.

Der MSMST PCIe/104-SBC ist laut Kontron die derzeit weltweit einzige verfügbare Lösung, die das hochintegrierte Multichip-Modul bereits implementiert hat. Durch die Symbiose dieser beiden Technologien auf einem einzelnen kompakten Single-Board-Computer profitieren Applikationsentwickler von einem vereinfachten Applikationsdesign und reduziertem Entwicklungsaufwand. Als langzeitverfügbare Standardkomponente erfüllt eine solche Plattform zudem alle Anforderungen hinsichtlich reduziertem Entwicklungsaufwand, minimiertem Designrisiko und Total-Cost-of-Ownership (TCO).

Evaluierungsplattform für neue Board-Designs

Parallel dazu bietet sich auch der Einstieg über das COM-Express-FPGA-Starterkit mit Altera Cyclone-IV-GX-FPGA an, welches Entwicklern einen sofortigen Start in die Entwicklung dedizierter, FPGA-basierter Applikationen ermöglicht. Das Starterkit beinhaltet alle Komponenten, die zur Evaluierung neuer Board-Designs mit frei definierbaren I/O benötigt werden. Die Komponenten des Starterkits und das ausgewählte Computer-on-Module sowie individuelle Highspeed-Mezzanine-Cards (HSMC) mit zusätzlichen physikalischen Schnittstellen sind in wenigen Minuten zusammengesetzt. Softwareentwickler können unmittelbar mit der eigentlichen Programmierung der Plattform beginnen.

I/O-Zuschnitt inklusive

Für den kundenspezifischen I/O-Zuschnitt bieten beide Lösungen HSMC-Steckplätze, die die gewünschten Schnittstellen des FPGA physikalisch ausführen. Werden kompatible HSMC beispielsweise direkt von Altera bezogen, gehören die passenden IP-Cores meist schon zum Lieferumfang. Die Applikationsevaluierung kann folglich nach nur wenigen Handgriffen und Installationsroutinen schnell starten. Nach erfolgreicher Evaluierung übernimmt Kontron dann bei Bedarf auch die serienreife Entwicklung und Fertigung der kundenspezifischen Plattform. Bereits validierte IP-Cores sind beispielsweise für applikationsspezifische I/O wie CAN-Bus, serielle Schnittstellen (SPI-Master, UART) sowie PCI-Express, I2C und GPIO verfügbar.

Weitere IP-Cores befinden sich in der Entwicklung oder Validierung. Dadurch lässt sich die Plattform schnell und einfach und zunehmend flexibel konfigurieren. OEM benötigen nur noch den erforderlichen IP-Core und die entsprechenden Highspeed-Mezzanine-Cards, um die Schnittstellen auszuführen. Für noch mehr I/O gibt es FPGA-Programmierung als Softwaredienstleistung. Diese Flexibilität, gepaart mit dem neuen x86/FPGA-Ökosystem und seinen IP-Cores und HSMC, machen die Kontron FPGA-Plattformen zu einer attraktiven Lösung für zahlreiche Embedded-Plattformen.

Outsourcing der Hardwareentwicklung

OEM mit eigener Hardwareentwicklung stehen deshalb jetzt vor der Frage, ob es sich mit der Verfügbarkeit von vorintegrierten COTS-Komponenten (Commercial-off-the-shelf) und -Lösungen überhaupt noch lohnt, den Aufwand für die Entwicklung und Fertigung der Hardwareplattformen selbst zu übernehmen. Denn alternativ könnten sie das Design auch an entsprechende Partner outsourcen, um sich so komplett auf die Applikationsentwicklung mit der spezifischen IP für die FPGA sowie der Softwareentwicklung für die Kundenapplikationen zu konzentrieren. Was in der Folge zu einem höheren Innovationspotenzial, kürzeren Entwicklungszyklen und gesteigerter Qualität führen kann.

Langfristig ist jedenfalls davon auszugehen, dass das Ökosystem um FPGA umso deutlicher in Richtung von applikationsfertigen Lösungen tendieren wird, je häufiger x86 und FPGA im Tandem miteinander vertrieben werden. Insofern sollte sich jeder OEM damit auseinandersetzen, ob eine solche integrierte Lösung nicht auch für sein Unternehmen von Interesse ist.

Kontron stellt auf der Embedded World aus: Halle 12, Stand 404.

(uns)