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Bild 1: Das Kontron ETXexpress-SC ist das erste COM Express Computer-on-Module im „Basic”-Formfaktor das den Intel Core i7 2715QE Quad-Core-Prozessor der zweiten Generation zusammen mit dem Intel Mobile QM67 I/O Hub und USB 3.0 integriert.
Bild 2: Mit der plattformübergreifenden Middleware, der Kontron Embedded Application Programming Interface (Kontron EAPI), hat Kontron den Zugriff und die Steuerung von Hardwareressourcen für alle neuen Kontron-Embedded-Computing-Plattformen standardisier

Auf einen Blick

Intel-Core-i3/i5/i7-Prozessoren werden auf allen wichtigen Standard Embedded Formfaktoren verfügbar sein, zum Beispiel auf dem COM Express basic Computer-on-Module Kontron ETXexpress-SC. OEMs können ohne irgendwelche Codeanpassungen auf neue Plattformen mit Kontron EAPI umziehen, denn die Softwareschnittstellen zu den Hardwarefunktionen und I/Os bleiben unabhängig vom Formfaktor identisch.

Die zweite Generation der Intel Core Prozessorfamilie bringt deutliche Verbesserungen hinsichtlich Rechenleistung, Grafikperformance und Leistungsaufnahme. Mit höherer Leistung und kleinerem Footprint empfehlen sich die neuen Prozessoren 2011 als die Design-in-Ablösung für fast alle x86er Plattformen, abgesehen von der Intel-Atom-Klasse. Aber was genau macht die neuen Prozessoren so attraktiv?

Neue Prozessorarchitektur

Die zweite Generation der Intel Core Prozessoren basiert auf Intels neuer Mikroarchitektur, die über den LGA-1155-Sockel verfügt und einen deutlich erweiterten Funktionsumfang bietet. Neben dem Speichercontroller mit ECC-Unterstützung sowie PCIe 2.0 (5 GTps) integrieren die Prozessoren eine leistungsstarke Grafikeinheit auf einem einzigen Die. Hierfür wurde auch die GPU im 32-nm-Prozess gefertigt, was sie besonders energieeffizient macht. Zusätzlich trägt auch die variable Taktrate zu einer insgesamt optimierten Energieaufnahme des Prozessors bei. Die neue Ringarchitektur ermöglicht es den Grafik- und Prozessorkernen Ressourcen wie Cache oder Speicher auf sehr effiziente Weise zu teilen. Applikationsentwickler profitieren dadurch von einer signifikant verbesserten Rechen- und Grafikleistung bei gleichbleibender Energieeffizienz.

Hochintegriert

Der um 22 % reduzierte Footprint (31 mm x 24 mm) der Prozessoren ermöglicht einen besonders hohen Integrationsgrad. Damit ist diese Prozessorgeneration auch für Small Form Faktor Applikationen geeignet, die erstmals von Quad-Core profitieren. Dank ihrer hohen Skalierbarkeit hinsichtlich Rechenleistung, Funktionalität und Strombedarf ist die zweite Generation der Intel-Core-Prozessorfamilie aber nicht nur besonders gut für zunehmend kleinere und mobilere Applikationen geeignet, sondern kann im ganzen Einsatzspektrum von Embedded Applikationen eingesetzt werden, bis hinauf zum HPEC (High-Performance Embedded Computing) mit bis zu vier Prozessor-Kernen.

Zusätzliche Verbesserungen

Für besonders leistungshungrige Applikationen bieten die Prozessoren zudem eine verbesserte Intel-Turbo-Boost-Technologie. Diese verteilt Prozessorkerne sowie Ressourcen der Grafikeinheit automatisch entsprechend der Auslastung um, was die Leistung verbessert und einen zusätzlichen Performanceschub ermöglicht, wann immer dieser benötigt wird. Eine weitere Innovation der Prozessoren besteht in den Verbesserungen des 256-Bit-Befehlssatzes, der von Intel als Advanced Vector Extensions (AVX) bezeichnet wird. Dieser hat eine bessere Performance, einen reichhaltigen Funktionsumfang und die Möglichkeit Daten effizienter zu verwalten, zu ordnen und zu sortieren. Der neue Befehlssatz beschleunigt anspruchsvolle Floating-Point-Applikationen wie Number Crunching oder die digitale Bild-, Video- und Audio-Verarbeitung.

Bewältigung großer Datenmengen

Diese neuen Funktionen machen Embedded Plattformen auf Basis der zweiten Generation der Intel Core Prozessoren zu idealen Lösungen für Applikationen, in denen große Datenmengen bei einer streng limitierten Verlustleistung verarbeitet werden müssen. Eines der ersten Applikationsfelder, die von Innovationen wie AVX und der verbesserten Grafikleistung profitieren werden, ist am besten mit „Situational Awareness“ zu beschreiben, also Applikationen wie Radar, Sonar, Bildverarbeitung, Videoüberwachung mit Gesichtserkennung sowie computergestützte Diagnostik (CAD). Durch die neue Grafikeinheit können Embedded Plattformen zudem bis zu drei Displays unabhängig voneinander ansteuern. Im Zusammenspiel mit den neuen Digital Display Interfaces wie DisplayPort, der Kabellängen von bis zu 10 mn ohne Repeater erlaubt, ermöglicht es den dezentralen Betrieb mehrerer Displays als HMIs mit einer zentralen Rechenarchitektur. Genau dies ist das zweite Anwendungsfeld, nämlich Industrieserverapplikationen mit dezentralen Thin Clients, die als sogenannte KVM-Einheiten nur noch Tastatur, Bildschirm und Mouse beherbergen, was Installations- und Verwaltungskosten sowie den Wartungsaufwand deutlich reduziert. Der deutlichste Vorteil ergibt sich jedoch aus der stark verbesserten Grafikperformance (170 % laut 3D3DMark06 im Vergleich zu vorhergehenden Core-i7-Prozessoren).

Der neue Maßstab für x86er Geräte kommt in verschiedenen Ausführungen

Durch diese attraktiven Leistungsmerkmale sind die Core-Prozessoren i3/i5/i7 der zweiten Generation ideal für neue Designs geeignet, um zahlreiche bestehende Plattformen abzulösen. Da diese neue Technologie einen Meilenstein der Embedded Computer-Technologie darstellt, implementiert Kontron die innovativen High-Performance Low-Power Prozessoren auf allen geeigneten Formfaktoren – von Computer-on-Modules über SBCs und Motherboards bis hin zu extrem leistungsstarken VPX- und CompactPCI-Plattformen.

Das erste Kontron-Produkt auf Basis dieser hochintegrierten Prozessorfamilie ist das COM Express basic Computer-on-Module Kontron ETXexpress-SC. In diesem Quartal folgen Embedded Motherboards im mini-ITX- und Flex-ATX-Formfaktor sowie ein 6HE CompactPCI-Prozessor-Board. Weitere für 2011 geplante Plattformen umfassen 3HE CompactPCI-, 3HE VPX-, AdvancedMC-, PCIe/104- und ATX-Embedded-Motherboards sowie mehrere Industrie-PCs für Märkte wie Automatisierung und Transport- und Verkehrswesen. Ein Überblick über die geplanten Plattformen zeigt Bild 1.

Eine einzige Embedded API für alle zukünftigen Plattformen

Mit der Verfügbarkeit der neuen Prozessorgeneration auf einer wachsenden Anzahl von Boards, Systemen und Plattformen stehen OEMs vor der Herausforderung, die sich mit jedem neuen Prozessor stellt: Die Implementierung der neuen Technologie in neuen und bestehenden Applikationen, einschließlich der Validierung und Verifizierung aller Funktionalitäten, Hardwarefunktionen und I/Os. Um den F&E-Aufwand sowie Kosten und Markteinführungszeiten zu verkürzen suchen OEMs deshalb nach Möglichkeiten, um ihre initialen Entwicklungs- und Migrationsaufwendungen auf ein Minimum zu reduzieren.

Ein Ansatz ist es, den Migrationsservice eines Hardwareherstellers zu nutzen. Die Migration wird sogar noch komfortabler und kosteneffizienter, wenn die Plattformen bereits standardisierte und einheitliche Softwareinterfaces zur Hardware bereitstellen, wie etwa Embedded Application Programming Interface (EAPI) der PICMG oder IPMI, da so der Zugriff auf die Hardwarefunktionen nicht signifikant geändert werden muss. Aber solche Interfaces sind auf dedizierte Funktionsumfänge und Formfaktoren beschränkt.

Es gibt, was die Standardisierung angeht, also noch Potential nach oben, um die Migration komfortabler, effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Um dieses Potential zu erschließen, hat Kontron die plattformübergreifende Middleware Kontron EAPI entwickelt, die komplett unabhängig von Formfaktoren und Betriebssystemen ist. Sie ist konform zum EAPI der PICMG, wie es in der neuesten COM Express-Spezifikation, COM.0 Rev. 2, spezifiziert wurde, bietet aber einen erweiterten Funktionsumfang. Dieser umfasst zusätzliche Funktionsaufrufe beispielsweise für grundlegende Systeminformationen (zum Beispiel CPU, Speicher, HDD, Akku), Temperatur- und Spannungsanzeigen, CPU-Leistung und Temperaturkontrolle. Diese Softwareschnittstellen zur Hardware können leicht in jede höhere Programmierumgebung, beispielsweise auf Basis von C++ oder Java, eingebunden werden, was die Software- und Applikationsentwicklung deutlich erleichtert. Darüber hinaus können Entwickler ihr Know-how bei der Migration auf andere Kontron-Plattformen weiter nutzen. Das reduziert nicht nur den Aufwand für die Validierung und Verifizierung, sondern verkürzt auch die Markteinführungszeit. Das einheitliche API bietet auch Funktionen zur Fernsteuerung und Fernüberwachung, was den Service verbessert, die Wartung vereinfacht und zu einer günstigeren Total-Cost-of-Ownership beiträgt. OEMs können das Kontron EAPI ebenfalls dazu nutzen, zusätzlichen Mehrwert für ihre Kunden zu schaffen, beispielsweise durch die Fernüberwachung der Hardware und erweiterte Service- und Wartungsangebote.

Das einheitliche Interface wird dazu beitragen, die F&E-Kosten zu reduzieren und die Migration zu vereinfachen und zu beschleunigen. So ist es jetzt beispielsweise möglich, die Validierung zunächst flexibel und modular auf einem Computer-on-Module mit passendem Carrierboard durchzuführen und nach erfolgreicher Validierung die eigentliche Implementierung dann auf einem Motherboard oder VPX-Modul umzusetzen. Auf diese Weise kann die neueste Technologie zeitgleich mit der Verfügbarkeit neuer Prozessoren auf allen geeigneten Formfaktoren verfügbar gemacht werden.

Für Softwareentwickler bricht damit eine neue Ära an. Haben Entwickler einmal das neue Interface implementiert, wird jede weitere Migration deutlich einfacher. Indem Entwickler den Zugriff auf die Hardwarefunktionen auf einer hohen Abstraktionsebene abwickeln können, wird zudem der Programmier- und Zeitaufwand extrem verringert, auch bei vollständig neuen Designs. Die Spezifikation 1.0 von Kontron EAPI wird von Kontron auf allen neuen Standardprodukten implementiert. Weitere funktionelle Erweiterungen stehen bereits auf der Agenda und sollen bei voller Rückwärtskompatibilität in den existierenden Standard einfließen. Dies erleichtert das Life-Cycle Management der OEMs und verbessert signifikant die Langzeitverfügbarkeit aller entwickelten Applikationen – unabhängig von Formfaktoren und Prozessorgenerationen.

Custom Design Services, einschließlich FPGA-basierter I/O Optionen

Neben der Bereitstellung von Embedded-Computing-Technologie auf verschiedenen Standard-Formfaktoren bietet Kontron auch umfassende Custom Design Services für die neue Prozessorplattform. Dieses Serviceangebot beginnt beim OEM-spezifischen Schnittstellenzuschnitt eines Standardboards und reicht bis zu vollständig kundenspezifisch entwickelten und gefertigten applikationsfertigen Boards, Systemen und Plattformen mit allen erforderlichen Zertifizierungen. Die 20 PCIe-Lanes, die die zweite Generation der Intel-Core-Prozessoren bereitstellt, sind zudem rechenintensive Applikationen, mit über FPGA umgesetzten DSPs. Alle möglichen FPGA-Implementierungen können mit dem COM Express-FPGA-Starterkit parallel zum Launch der neuen Prozessoren getestet und validiert werden. Das Starterkit stellt zwei HSMC-Konnektoren zum Altera Cyclone IV GX FPGA bereit und wird auch das COM Express-Modul ETXexpress-SC unterstützen.

Unterstützung bei der Softwaremigration

Kontrons Global Software Design Center bietet Entwicklern auch Unterstützung bei der Migration ihrer Applikationen auf das neue Kontron EAPI. Im Vergleich zu einer konventionellen Migration ist bei Kontron EAPI davon auszugehen, dass der Programmieraufwand für den Hardwarezugriff deutlich reduziert wird. Die Einsparungen in Hinblick auf die F&E-Kosten beginnen daher schon mit dem ersten Design-In, das auf einem Board mit Kontron EAPI-Unterstützung umgesetzt wird. Die Softwareentwickler der OEMs können parallel an neuen Applikationsfunktionen feilen um die Gesamtfunktionalität zu verbessern und so das Beste aus einem Design herausholen. Bei zukünftigen Upgrades der Hardwareplattform können sie sogar ganz auf die Migrationsservices verzichten, da OEMs ohne irgendwelche Codeanpassungen auf neue Plattformen mit Kontron EAPI umziehen können, denn die Softwareschnittstellen zu den Hardwarefunktionen und I/Os bleiben ja identisch. Und das auch noch unabhängig vom Formfaktor. In der Konsequenz wird die Aufgabenteilung zwischen der Softwareentwicklung beim OEM und dem Hardwarehersteller zunehmend transparenter und definierter. Mit einer zunehmend standardisierten Ansprache der Hardware wird auch die Zusammenarbeit zwischen Hardwareherstellern und Softwareabteilung der OEMs deutlich effizienter.