Bildergalerie
Bild 1: Größenvergleich der COM-Express-Versionen Extended, Basic und Compact.
Bild 2: conga-BM67 vom Typ 2 mit drei DDIs.
Bild 3: Display-Schnittstellenkarte conga-ADD2DP.
Bild 4: conga-TM67 Typ 6 mit Core i7 Gen2 CPUs.

Schnittstellen-vielfalt

Mehr als 5 Jahre nach der ersten Veröffentlichung der COM-Express-Spezifikation macht die neue Revision 2.0 den COM-Express-Standard nun fit für die Zukunft. Zu den Neuerungen gehören beispielsweise bis zu vier USB-3.0-Schnittstellen, bis zu drei Digital Display Interfaces sowie maximal zwei zusätzliche PCIe 2.0-Lanes.

Die Revision 1.0 der COM-Express-Spezifikation definierte zwei Formfaktoren für COM-Express-Module: Basic (125 mm x 95 mm) und Extended (155 mm x 110 mm). Während der eher selten verwendete Extended-Formfaktor sich gut für Module mit hohem Stromverbrauch (Beispiel Server-Technologie) eignet, ist der deutlich häufiger gebrauchte Basic-Formfaktor für stromsparende mobile Embedded-Technologien konzipiert. Schon kurz nach der offiziellen Ratifizierung von Rev. 1.0 haben mehrere Hersteller, darunter congatec, platzsparende 95 mm x 95 mm-Module entwickelt, die allgemein als Compact-Module bekannt wurden. Die offizielle Aufnahme dieser zusätzlichen Formfaktor-Größe in Rev. 2.0 der COM-Express-Spezifikation kann als eine Hommage an die Popularität dieser Modulgröße angesehen werden. Die geringen Abmessungen der Compact-Module erleichtern die Integration, insbesondere bei stromsparenden Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Neuerungen bei den Schnittstellen

Einige Änderungen in der neuen COM-Spezifikation tragen der fortwährenden Schnittstellenentwicklung Rechnung. Da heutzutage alle modernen Displays und TVs digitale Signale mit hoher Bandbreite, wie zum Beispiel HDMI, akzeptieren, kann auf analoge Videoübertragung über das TV-out verzichtet werden.

Ein großer Vorteil des Computer-on-Module-Konzepts besteht darin, dass die Firmware eines Systems auf dem Modul oder auf dem Carrierboard gespeichert werden kann. Bei Rev. 1.0 gab es nur eine Möglichkeit, die Firmware von einem externen Speicher zu laden – und zwar über das Low Pin Count Interface oder kurz die LPC-Schnittstelle. Mit Rev. 2.0 steht nun Serial Peripheral Interface (SPI) als primäre Schnittstelle für extern gespeicherte Firmware zur Verfügung. Es ist zwar weiterhin möglich, das System über einen Firmware-Hub mittels LPC-Bus zu booten; angesichts der Vorteile der SPI-Schnittstelle empfiehlt sich dies aber bei neuen Designs nicht. SPI-Flashs sind nicht nur kostengünstiger und kompakter, sondern bieten auch mehr Speicherplatz als LPC-Flashs. In Rev. 2.0 können die bestehenden GPIO-Pins wahlweise als SDIO-Schnittstelle fungieren. Neben den typischen SD- und SDHC-Karten zur Massenspeicherung kann die SDIO-Schnittstelle auch zum Anschluss von I/O-Karten wie WLAN, Bluetooth und GPS dienen, vorausgesetzt sie haben die gleiche Größe wie die SD-Karte.

Neu ist auch die offizielle Unterstützung von HD-Audio. Da moderne Embedded-Plattformen keine AC97-Unterstützung boten, wurde HD Audio bereits in Modulen der Rev. 1.0 verwendet, zum Beispiel beim Modul conga-BM67, obwohl es nicht Bestandteil der Rev. 1.0 der COM-Express-Spezifikation war. In Rev. 2.0 können die ehemaligen AC97-Pins nun entweder HD Audio oder AC97-Signale übertragen, je nach Modulanbieter. Beide Schnittstellen liegen auf dem selben Pin, AC97 und HD Audio haben aber verschiedene Protokolle und sind daher nicht kompatibel.

Brandneue Steckverbinder

Zusätzlich zu den bestehenden Pinout-Typen 1 bis 5, definiert Rev 2.0 der COM-Express-Spezifikation mit Typ 6 und Typ 10 zwei vollkommen neue Steckverbinder. Pinout-Typ 10 ist eine aktualisierte Version von Typ 1 und nutzt einen einzigen 220-poligen Connector. COMs vom Typ 10 bieten eine moderne Display-Anbindung, die entweder als TMDS (HDMI/DVI), Display Port (DP) oder SDVO ausgeführt werden kann. Die Zahl der LVDS-Kanäle wurde halbiert, so dass nur ein LVDS-Kanal verfügbar ist. Ein zusätzlicher Typ-10-Steckverbinder (bisher 12 V) am A-B-Connector ermöglicht es dem Carrierboard, zwischen Rev 1.0 Typ 1, Rev. 2.0 Typ 1 und Typ 10 Modulen zu unterscheiden.

Am erfolgreichsten ist bisher der COM Express Pinout-Typ 2. Das liegt vermutlich an der Vielzahl der unterstützten Schnittstellen wie PCI, PCIe, IDE, SATA und USB 2.0, die darüber hinaus den meisten der aktuellen x86-Plattformen entsprechen. Die eher selten verwendeten Typen 3 bis 5 eignen sich spezifisch für individuelle Anwendungen, die weitere Ethernet-Verbindungen oder PCIe-Lanes benötigen.

Der ebenfalls neu definierte Pinout-Typ 6 baut auf den gleichen Erfolgsprinzipien wie Typ 2 auf und berücksichtigt dabei auch zukünftige Schnittstellen. Der A-B-Connector hat fast die gleiche Belegung wie Typ 2 der Revision 2.0. Lediglich einige Pins sind für UART, FAN (PWM), Lid- und Sleep-Signale reserviert. Die UART-Pins (2x SER_Tx/Rx) wurden aufgrund ihrer Einfachheit für Debugging-Zwecke (zum Beispiel Konsolenumleitung) in die Spezifikation aufgenommen. Der C-D-Connector wurde für Pinout-Typ 6 komplett neu definiert und auf Legacy-Schnittstellen wie PCI und IDE dabei verzichtet; stattdessen werden fortschrittliche  Schnittstellen unterstüzt, darunter vier USB-3.0-Schnittstellen, drei Digital Display Interfaces und PCIe 2.0-Lanes.

Neues bei der digitalen Displaydatenübertragung

Digital Display Interface (DDI) bezeichnet eine Summe von Differential-Paaren die Displaydaten übertragen. Der neue Pinout-Typ 6 bietet bis zu drei unabhängige DDI-Kanäle. Der erste DDI-Kanal unterstützt SDVO, Display Port und TMDS. Je nach I/O-Anschluss kann TMDS als HDMI oder DVI ausgeführt werden. Der zweite und dritte DDI-Kanal unterstützt nur TMDS und Display Port. Der Carrierboard-Designer muss also entscheiden, welche Schnittstelle am Besten für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Wird ein DDI-Kanal als Display Port ausgeführt, ist es einfach, den COM-Express-Stecker direkt mit dem I/O-Anschluss auf der Trägerplatte zu verbinden. Dagegen ist bei TMDS-Auslegung wegen der unterschiedlichen Spannungspegel ein zusätzlicher Level-Shifter auf dem Carrierboard erforderlich.

Einige Hersteller, darunter congatec, haben das Potenzial der Digital Display Interfaces erkannt und bieten diese Schnittstellen in den neuesten Typ 2 Rev. 1.0 kompatiblen Modulen an. Allerdings muss in diesen Modulen als Ausgleich auf PCIe Graphics (PEG) verzichtet werden. Pinout-Typ-6-Module wie das conga-TM77 unterstützen dagegen PEG-Port und DDI.

Ein unersetzlicher Leitfaden für den Entwickler

Um die Entwicklung von kundenspezifischen Carrierboards zu erleichtern, haben sich einige der größten COM-Express-Modulhersteller zusammengetan und im Rahmen eines technischen PICMG-Unterausschusses gemeinsam einen Carrierboard Design Guide entworfen. Dabei ist ein detaillierter, 160 Seiten umfassender Leitfaden entstanden, der Anleitungen zur Entwicklung von benutzerdefinierten Carrierboard-Systemen für COM-Express-Module gibt und alle notwendigen Referenz-Schaltpläne zur externen Anbindung der COM-Express-Peripheriefunktionen enthält.

Ausblick

Die technologische Entwicklung geht unaufhaltsam voran, und COM Express entwickelt sich entsprechend weiter. Für die erste Jahreshälfte wird die Rev. 2.1, eine leicht revidierte Fassung der COM-Express-Spezifikation, erwartet. Diese Version wird den Weg für den Wegfall der Grafikschnittstellen VGA und LVDS innnerhalb der nächsten Jahre ebnen sowie einen noch kleineren Formfaktor als den Compact mit sich bringen.

Alle Änderungen seit Rev. 1.0 müssen auch im Carrierboard Design Guide integriert werden. Der technische Unterausschuss dazu wird gerade gebildet. Wenn die neu formierte Mannschaft von Spezialisten gut mit ihrer Arbeit vorankommt, dann können wir noch 2012 mit einem aktualisierten Design Guide rechnen.

Die neuen Steckverbinder Pinout-Typ 6 und -Typ 10 erfüllen insbesondere das Marktbedürfnis nach optimaler Display-Unterstützung. Typ 6 geht sogar noch einen Schritt weiter und bietet Unterstützung für bis zu vier USB 3.0-Kanäle und zwei zusätzliche PCIe-Lanes, so dass sich eine PCIe x8-Konfiguration auf dem Carrierboard realisieren lässt. Im Gegensatz dazu wurde die Belegung von Typ 1 bis 5 nur geringfügig geändert, wodurch Rev. 1.0 Geräte weitgehend abwärtskompatibel bleiben. Die offizielle Aufnahme des Compact-Formfaktors ist ein logischer Schritt in Anbetracht seiner marktweiten Umsetzung. Insgesamt ist der Zeitpunkt für dieses Update richtig, um den COM-Express-Standard zukunftssicher zu machen.