Auf einen Blick
Die äußerst kompakte, sparsame und leistungsfähige Single-Chip-Lösung Intel Atom BayTrail (E3800) setzt in der Welt der x86-Embedded-Anwendungen neue Maßstäbe. Um Aufwand und Design-Risiko zu minimieren, ist es ratsam, die Entwicklung in erfahrene Hände zu legen. Oft fällt die Wahl auf modulare Lösungen. Dort sind die Herausforderungen des Core-Designs bereits auf dem CPU-Modul gelöst. Auf dem Carrierboard, auf das das Modul aufgesteckt wird, können dann mit einfachen Mitteln applikationsspezifische Funktionen und Schnittstellen realisiert werden. TQ bietet hierfür Standard-Lösungen wie die Qseven-basierende QSys-Plattform sowie kundenspezifische Entwicklungen vom Modul bis zum fertigen System an. Wer von den äußerst kleinen Abmessungen des BayTrail profitieren will, ist in der Regel auf Singleboard-Designs angewiesen. Auch für diese Art von kundenspezifischen Entwicklungen können sich Unternehmen auf die Kompetenz von TQ verlassen.
Mit der Einführung der neuesten Intel-Atom-Plattform BayTrail hat Intel erstmals seine führende Tri-Gate-3D- 22-nm-Prozesstechnologie auch im Ultra-Low-Power-Segment eingesetzt. Demzufolge konnten die neuen Atom CPUs um ein Vielfaches leistungsfähiger, jedoch auch sparsamer als die Vorgängerversionen realisiert werden. Außer den bis zu vier CPU-Rechnerkernen, dem großzügigen L1/L2-Cache und dem 64-Bit-DDR3L-Speichercontroller sind auch alle weiteren Controller wie HD-Grafik, USB 2.0, USB 3.0, SATA II, PCIe Gen2, HD-Audio, I2C, SPI, eine Security Engine und selbst ein Image-Co-Prozessor in einem einzigen Silizium integriert, sodass auch diese Einheiten von den Vorteilen dieser neuesten Technologie profitieren. Damit ist das Gesamtpaket in Bezug auf Platzbedarf und Leistungsverbrauch äußerst schlank ausgelegt. Alle Komponenten sind nun aus einem Guss und optimal aufeinander abgestimmt. Flaschenhälse wie externe Chip-to-Chip-Verbindungen sind damit eliminiert, was ein großes Plus an Performance und Effizienz mit sich bringt.
Der Intel Atom „Bay Trail“ bildet mit seiner hohen Performance bei sparsamem Energieverbrauch eine sehr gute Grundlage, um passiv gekühlte und leistungsfähige Embedded-Systeme zu realisieren. Die QSys Plattform von TQ zeigt auf, wie darauf basierend ein kIntel Corporation
Skalierbare Performance im Pin-kompatiblen Gehäuse
Intel bietet mit der für den erweiterten Temperaturbereich qualifizierten E3800-Atom-Familie fünf Pin-kompatible Varianten mit einem Leistungsspektrum von der 1,46 GHz schnellen Single-Core-Ausführung bis zu einer mit knapp 2 GHz getakteten Quad-Core-Variante an. Damit wird eine Performance-Skalierbarkeit bis zum fast Sechsfachen der Einstiegsvariante erreicht. Nachdem sich Intel entschlossen hat, seine eigene, aus der Intel-Core-Familie stammende Gen 7 HD Graphics Engine auch in der Atom-Familie einzusetzen, steht nun auch für Ultra-Low-Power-Anwendungen ein leistungsfähiger Grafik-Controller mit Full-HD-Support mit voller MPEG/H.264 Encode-/Decode-Hardware-Unterstützung zur Verfügung.
Grafikschnittstellen nutzen
Mit dem BayTrail setzt Intel auf zukunftsorientierte Schnittstellen. Dies wird vor allem auch im Bereich Grafik bemerkbar. Zwar unterstützt der Prozessor noch immer die klassische analoge VGA-Schnittstelle, wenn es jedoch um die digitalen Grafikschnittstellen geht, wird der neue Trend schnell deutlich: Weg von LVDS, hin zu eDP (Embedded Display Port). Diese Schnittstelle unterstützt weitaus höhere Displayauflösungen als das klassisch im Industriebereich eingesetzte Dual-Channel-LVDS-Interface und hat schon alleine deshalb ein wesentlich besseres Zukunftspotenzial. Beim aktuellen Angebot an Standard- und Industrie-Panels ist LVDS derzeit jedoch noch nicht wegzudenken. Abhilfe schafft hier der Einsatz eines eDP-to-LVDS-Wandlers, der für Applikationen mit integriertem Display jedoch als zusätzlicher Chip im Design vorgesehen werden muss.
QSys ist eine äußerst kompakte, modular aufgebaute Embedded-Lösung mit Intel Atom E3800.TQ-Systems
Bei der externen digitalen Grafik-Schnittstelle setzt Intel ebenfalls auf Displayport. Während fast alle neuen Monitore im professionellen Office-Umfeld bereits einen Displayport-Eingang haben, sind Industrie-Monitore und ältere Standard-Monitore mit Schnittstellen wie DVI und/oder HDMI ausgestattet. Diese Brücke ist aber einfach zu schlagen: Der Displayport-Ausgang ist flexibel, denn für alle Verbindungsoptionen „Displayport-to-Displayport“, „Displayport-to-HDMI“ sowie „Displayport-to-DVI“ gibt es passende Standardkabel. Mit dem Displayport hat der Anwender nicht nur die Vorteile eines kompakten Steckverbinders, sondern im Gegensatz zu HDMI ist dieser auch verriegelbar und die Nutzung ist lizenzfrei möglich. Ein weiterer Pluspunkt des Displayports ist die Daisy-Chain-Funktion, die es ermöglicht, gleich mehrere Displays auch mit unterschiedlichen Bildschirminhalten an einen Displayport anzuschließen. Dafür werden die Signale einfach von Monitor zu Monitor weitergeschleift.
Die QSys-Embedded-Plattform ergänzt den Intel Atom E3800-Prozessor um eine Reihe nützlicher Funktionen.TQ-Systems
Wurden die ersten Anfänge, die Displayport-Schnittstelle auch im industriellen Umfeld einzusetzen, von manchen noch müde belächelt, so scheint diese in Produktanforderungen neuer Designs heute schon fast als „Must-Have“ etabliert zu sein. Ein Trend, den Intel mit seiner Single-Chip-Lösung 1:1 abdeckt, ohne dass Zusatzhardware benötigt wird.
Audio getunnelt oder per Extra-Chip
Wird Audio-Funktionalität benötigt, so kann dies mit dem neuen Intel Atom auf unterschiedliche Arten realisiert werden: Für eingebaute Lautsprecher in externen Monitoren wird dafür die Displayport-Verbindung genutzt. Sobald der Bildschirm den Audio-Support bei der automatischen Monitorerkennung an die CPU meldet, werden die Audiodaten getunnelt über einen Sideband-Kanal ohne jegliche Zusatzelektronik übertragen. Wer die komplette Audio-Funktionalität im System selbst realisieren möchte, benötigt einen zusätzlichen HD-Audio-Codec. Dieser kann je nach Anforderungen und Funktionsumfang frei gewählt werden und bietet somit höchste Flexibilität. Lediglich beim unterstützten Temperaturbereich muss der Entwickler aufpassen, denn HD-Audio-Codecs sind für den erweiterten Temperaturbereich nur schwer zu bekommen. Hier muss gegebenenfalls auf andere Schnittstellen wie I2S, die verstärkt in Branchen wie Automotive zum Einsatz kommen, ausgewichen werden. Auch dieses wird von Intels Single-Chip unterstützt.
Schnittstellen vergessen?
Wer beim Intel Atom E3800 nach einer integrierten Ethernet-Schnittstelle sucht, wird enttäuscht werden. Das ist aber kein Beinbruch, sondern bietet eher Flexibilität. Single-Chip-CPUs, die mit einer oder mehreren Ethernet-Schnittstellen ausgestattet sind, haben nur den MAC (Media Access Controller) integriert und benötigen für jede Schnittstelle noch einen externen zusätzlichen Baustein, den PHY (Physical Interface). Intel setzt hier auf externe Ethernet Controller wie den i210, der MAC plus PHY in einem äußerst kompakten Gehäuse integriert hat und über PCIe an die CPU angebunden wird. Der Anwender hat damit die Wahl, welche Features der Controller unterstützt und ist nicht auf die im SoC integrierte Version eingeschränkt. Besonders interessant wird dies, wenn mehrere identische Ethernet-Schnittstellen benötigt werden, denn meist unterscheiden sich die internen und externen Controller im Featureset und in der Device-Kennung, sodass bei solchen Anwendungen sowieso komplett auf externe Controller gesetzt werden muss.
Wie schon bei den Grafik-Schnittstellen zu sehen war, baut Intel auch bei den sonstigen Schnittstellen auf moderne Standards. Diese sind meist als differenzielle, serielle Schnittstellen wie PCIe, USB und SATA ausgeführt, was der begrenzten Anzahl an Anschlüssen bei einem Single-Chip zugutekommt. Speichermedien oder externe Steckverbinder und Funktionen können meist direkt angebunden werden, sodass der Entwickler hier leichtes Spiel hat. Nachdem Single-Chip-CPUs immer einen Kompromiss zwischen Anzahl an Schnittstellen und zur Verfügung stehenden Pins finden müssen, sollte der Entwickler gut aufpassen, ob der Chiphersteller viele Doppelbelegungen auf Pins vorgesehen hat und welche Funktionen sich gegenseitig ausschließen. Im Gegensatz zu Single-Chip-Lösungen anderer Hersteller ist dies beim BayTrail relativ entspannt zu sehen, doch auch hier muss der Entwickler schon in der Konzeptphase ein Augenmerk darauf legen. Hier sind ein genaues Studium der sehr ausführlichen Dokumentation, ein Abgleich mit der Softwarekonfiguration (BIOS/UEFI, Treiber, und so weiter) und manchmal zusätzlich auch ein Stück Erfahrung gefragt.
Dennoch eine Herausforderung
Einen großen Wermutstropfen für Entwickler gibt es neben den ganzen Vorzügen des Intel-SoC dennoch. Gerne verführt die Bezeichnung System-on-Chip (SoC) dazu, an eine einfache und schnelle Systemintegration und damit verbunden kurze und günstige Hardware-Entwicklungen zu denken. Bei Themen wie Spannungsversorgung und Speicheranbindung zeigen sich hier jedoch eine ähnliche Komplexität und ähnliche Herausforderungen wie bei „ausgewachsenen“ Prozessor-Designs.
Ein erster Blick in die Referenzdesigns lässt schon erahnen, dass die Themen rund um die Spannungsversorgung und das Power-Sequencing sehr komplex werden. Über zwanzig verschiedene Spannungsversorgungssymbole und rund ein Dutzend Steuer- und Statussignale lassen Entwickler hier hellhörig werden. Zum Glück gibt es zwar dedizierte, hochintegrierte PMICs (Power Management Integrated Circuit) für den BayTrail, jedoch liegen noch viele Aufgaben während der Entwicklung und Qualifizierung beim Entwickler selbst.
Ausführliche Design Guides helfen, Schnittstellen wie das DDR3 Interface einfacher in den Griff zu bekommen. Um ein Design aber zuverlässig über den gesamten Temperaturbereich stabil zu bekommen, bedarf es schaltungstechnischer Erfahrung und eines guten Layout-Know-hows, denn die effektiven Taktraten gehen hier über 1 GHz hinaus.
Harald Maier
(ah)
