Fast alles was Sie über Embedded-Boards wissen sollten

Eingebettete Systeme sind die Basis für viele elektronische Geräte, wobei die Range der Anwendungen groß ist. Gerade das Internet der Dinge mit seinen vielfältigen smarten Geräten und Maschinen erhöhen die Bedeutung von Embedded Systems nochmals. Wearables, Smart Homes, smarte Fabrik und vieles mehr tragen zum Anstieg von IoT-Anwendungen an und fördern damit auch das Wachstum eingebetteter Systeme. Deshalb ist es sehr nützlich, einige Grundlagen aus diesem Bereich zu kennen.

Was ist ein Embedded-System?

Ein Embedded-System ist ein Computersystem, das in eine größere Maschine oder ein Gerät integriert ist, um spezifische Funktionen bzw. Aufgaben auszuführen. Es verrichtet seine Arbeit für den Benutzer weitestgehend unsichtbar.

Der Rechner übernimmt in vielen Anwendungsbereichen und Systemen entweder Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelfunktionen oder ist für eine Form der Daten- bzw. Signalverarbeitung zuständig.

Aus diesen Komponenten besteht ein Embedded-System

Typischerweise besteht ein aus drei Hauptkomponenten: der Hardware, der Software und dem Gehäuse. Die Hardware umfasst den Prozessor, den Speicher, die Ein- und Ausgabegeräte sowie andere elektronische Komponenten, die für die Funktion des Systems erforderlich sind. Die Software besteht aus einem Betriebssystem und Anwendungsprogrammen, die speziell für das Embedded-System entwickelt wurden. Das Gehäuse schützt die Hardware und sorgt für die physische Integration in die umgebende Maschine oder das Gerät.

Aufgrund ihrer speziellen Anforderungen an Größe, Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Echtzeitanforderungen unterscheiden sich Embedded-Systeme oft von herkömmlichen Computersystemen. Sie sind in der Regel auf eine spezifische Hardware-Plattform zugeschnitten und können aufgrund ihrer begrenzten Ressourcen und Leistungsfähigkeit spezielle Herausforderungen bei der Entwicklung und Programmierung mit sich bringen.

Bei komplexen Gesamtsystemen wie sie beispielsweise im Automotive- und Avionik-Bereich gegeben sind, handelt es sich meist um eine Vernetzung einer Vielzahl von ansonsten autonomen eingebetteten Systemen. Oft werden eingebettete Systeme speziell an eine Aufgabe innerhalb eines größeren Systems angepasst.

Einsatzbereiche von Embedded-Systemen

Das große Wachstum des Bereichs Embedded Systems ist wesentlich auf das Internet der Dinge zurückzuführen. Expandierende IoT-Anwendungen, wie zum Beispiel Wearables, Drohnen, intelligente Gebäude, Videoüberwachung, 3D-Drucker, intelligentes Transportwesen etc. kurbeln das Wachstum von Embedded Systems an.

kommen in vielen verschiedenen Bereichen zum Einsatz, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, in Haushaltsgeräten, medizinischen Geräten, Industrieanlagen, Mobiltelefonen und vielen anderen elektronischen Geräten. Sie werden verwendet, um Funktionen wie Steuerung, Überwachung, Kommunikation, Datenverarbeitung, Signalverarbeitung und vieles mehr auszuführen.

Was ist ein Embedded-Board?

Ein ist eine Hardware-Plattform, die speziell für den Einsatz in eingebetteten Systemen entwickelt wurde. Es handelt sich um eine kompakte und integrierte Platine, die in der Regel einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, Speicher, Ein- und Ausgangsschnittstellen sowie andere Komponenten enthält, die für die Funktion des eingebetteten Systems erforderlich sind.

Embedded-Boards sind Computer-Systeme, die in eine Vielzahl von Anwendungen integriert werden können. Oft werden in Geräten und Systemen eingesetzt, die spezielle Funktionen erfüllen, wie z. B. industrielle Steuerungen, medizinische Geräte, Überwachungssysteme, Robotik, IoT-Geräte (Internet of Things) und andere Anwendungen, bei denen Computerfunktionen in andere Geräte oder Systeme integriert werden müssen.

Embedded-Boards als flexible und skalierbare Lösung

Sie bieten eine flexible und skalierbare Lösung, die es ermöglicht, Geräte intelligent und vernetzt zu gestalten. Embedded-Boards gestalten Systeme kompakt und leistungsfähig und tragen damit erheblich zur Performance-Steigerung und zur Energieeffizienz von Embedded-Systemen bei. Der Fokus liegt darauf, die Wärmeentwicklung auf den Boards zu reduzieren und einen lüfterlosen Betrieb zu ermöglichen.

Es gibt verschiedene Arten von Embedded-Boards, die je nach Anwendung und Anforderungen verwendet werden. Embedded-Boards wie z. B. Computer on Modules (COM), Single Board Computer (SBC), System on Modules (SOM), Motherboards verfügen bereits über eine Vielzahl von Anschlüssen und Schnittstellen, wie beispielsweise USB, Ethernet, serielle Anschlüsse und Erweiterungssteckplätze. Sie können auch mit einer Vielzahl von Betriebssystemen und Programmiersprachen verwendet werden. Alle Peripherie- Schnittstellen befinden sich auf einer einzigen Platine. Kommt man mit den vorhandenen Schnittstellen des jeweils angebotenen Board-Typs aus, so stellen diese Boards eine schnelle, sichere und vor allem sehr kostengünstige Lösung dar. Da sie über eine goße Anzahl von standardisierten Schnittstellen verfügen, ermöglichen sie die Kommunikation mit unerschiedlichen Geräten oder Sensoren.

Embedded Boards: Formfaktor, Bussystem, Architektur und Betriebssystem

Durch den Einsatz eines Embedded-Boards können Entwickler ihre Kosten senken, da sie bereits fertige Boards verwenden und somit auf den Kauf zusätzlicher Komponenten verzichten können. Auch reduziert sich die Komplexität der Softwareentwicklung. Ein Board-spezifischer Treiber vereinfacht die Programmierung und das Debugging erheblich. Weiterhin bietet ein Embedded-Board Zugang zu einem Software Development Kit. Damit können benutzerdefinierte Programme geschrieben werden.

Es ist wichtig zu überlegen, welcher Typ von Embedded-Board für die jeweilige Anwendung infrage kommt. Auch die Fragen nach dem geeigneten Formfaktor, vorhandenen Bussystemen sowie nach der Architektur und dem Betriebssystem müssen geklärt werden.

Welche Embedded Boards es gibt

Single-Board-Computer (SBC) / Einplatinencomputer

Ein Single-Board-Computer oder Einplatinencomputer besteht aus einer einzelnen Hauptplatine, die alle wesentlichen Komponenten eines Computers enthält. Single-Board-Computer (SBC) sind sehr verbreitete Embedded-Boards, da sie kleiner und kostengünstiger sind als andere Optionen. Insbesondere für IoT-Projekte stellen sie eine günstige und leistungsstarke Lösung dar.

Da diese Plattformen sofort einsatzbereit sind, werden Entwicklungszeit und -kosten erheblich reduziert. haben jedoch zwei wesentliche Einschränkungen: Zum einen können bestehende Boards nicht auf die neusten Prozessorgenerationen skaliert werden, da CPU und Ein-/Ausgabe auf derselben Platine platziert sind. Zum anderen ist die Anpassung eines bestehenden SBCs nicht möglich, da CPU und I/Os fest verbaut sind.

Einplatinencomputer bestehen aus folgenden Kernkomponeten

• Prozessor: Der Prozessor führt alle Berechnungen und Datenverarbeitungsaufgaben durch. Bei Einplatinencomputern kommen häufig ARM- oder x86-Prozessoren zum Einsatz.
• Arbeitsspeicher (RAM): Der Arbeitsspeicher dient zur temporären Speicherung von Daten und Programmen, auf die der Prozessor zugreifen kann. Er ermöglicht schnelle Zugriffszeiten und beeinflusst die Gesamtleistung des Computers.
• Speicher: Einplatinencomputer verfügen normalerweise über einen integrierten Speicher, der entweder als Flash-Speicher oder als microSD-Kartenslot ausgeführt sein kann. Auf diesem Speicher werden das Betriebssystem, Programme und Daten gespeichert.
• Anschlüsse: Einplatinencomputer bieten verschiedene Anschlüsse zur Kommunikation mit anderen Geräten und zur Erweiterung der Funktionalität. Typische Anschlüsse umfassen USB-Anschlüsse (für Tastatur, Maus, Speichersticks usw.), HDMI- oder DisplayPort-Anschlüsse (für die Bildausgabe), Ethernet-Ports (für die Netzwerkverbindung) und Audio-Anschlüsse.
• Grafikprozessor (GPU): Einige Einplatinencomputer enthalten einen integrierten Grafikprozessor, der die Bildausgabe und die Verarbeitung von Grafiken übernimmt. Dies ist insbesondere bei computergesteuerten Projekten oder Multimediaanwendungen relevant.
• Betriebssystem: Einplatinencomputer benötigen ein Betriebssystem, das den grundlegenden Betrieb des Computers ermöglicht. Beliebte Betriebssysteme für Einplatinencomputer sind Linux-Distributionen wie Raspbian (für den Raspberry Pi) oder Ubuntu (für andere Modelle).

Zusätzlich zu diesen Grundkomponenten können Einplatinencomputer weitere Funktionen wie drahtlose Konnektivität (WLAN, Bluetooth), GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) zur Steuerung von externen Geräten und Sensoren sowie andere spezifische Schnittstellen und Erweiterungsmöglichkeiten aufweisen. Es gibt verschiedene Modelle von Einplatinencomputern auf dem Markt, darunter der beliebte Raspberry Pi, Arduino und BeagleBone Black, von denen jeder seine eigenen spezifischen Komponenten und Merkmale hat.

Sehr häufig werden Einplatinencomputer mit Überwachungsschaltungen (Stromausfall-Erkennung, Watchdog) versehen, die den Rechner im Falle eines unerwarteten Fehlers im Programm oder in der Stromversorgung in einen definierten Ausgangszustand zurücksetzen. Alle neueren Einplatinen-PC-Boards sind sparsam mit der Energieaufnahme und lüfterlos zu betreiben. Sogar ein Einsatz im erweiterten Temperaturbereich ist meistens problemlos möglich.

Neben der Verfügbarkeit verschiedener Formfaktoren und Prozessoren unterscheiden sich SBCs vor allem durch die langfristige Verfügbarkeit ihrer Chipsätze und sonstigen Bauteile von Consumer Produkten.

Einplatinencomputer Raspberry Pi

Der Raspberry Pi wurde von der Raspberry Pi Foundation entwickelt. Er wurde erstmals im Jahr 2012 eingeführt und hat seitdem eine große Anhängerschaft gewonnen.

Der Raspberry Pi besteht aus einer Platine, die alle notwendigen Komponenten für einen voll funktionsfähigen Computer enthält. Dies umfasst einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabeanschlüsse sowie verschiedene Schnittstellen. Beim Speicher kommt je nach Version eine Standard-SD-Karte oder eine microSD-Karte zum Einsatz. Schnittstellen gibt es für USB, HDMI, Ethernet, Audio, Video, GPIO, ein Display Serial Interface DSI und ein Camera Serial Interface CSI. Aktuelle Versionen haben WLAN.  Der Raspberry Pi basiert auf einer ARM-Architektur und läuft in der Regel mit einer Linux-Distribution, wie z. B. Raspbian (jetzt umbenannt in Raspberry Pi OS).

Der Raspberry Pi hat eine breite Palette von Einsatzbereichen. Er wird häufig als Heimserver, Medienzentrum, , Lernwerkzeug für Programmierung und Elektronik oder als Basis für verschiedene DIY-Projekte eingesetzt. Aufgrund seiner geringen Größe, des niedrigen Energieverbrauchs und der Flexibilität ist der Raspberry Pi eine kostengünstige Lösung für viele verschiedene Projekte.

Die Raspberry Pi Foundation unterstützt eine aktive Community von Entwicklern und Enthusiasten. Es gibt eine Fülle von Ressourcen, Tutorials und Projekten, die im Internet verfügbar sind, um bei der Nutzung des Raspberry Pi zu helfen und neue Möglichkeiten zu erkunden.

Verschiedene Modelle des Raspberry Pi

Den von der Raspberry Pi Foundation entwickelten Compute gibt es in diversen Versionen. Unter dem Namen Raspberry Pi werden drei verschiedene Bauformen des Raspberry Pi gebaut. Der Raspberry Pi Zero, das Raspberry-Pi-Modell A, sowie das Raspberry-Pi-Modell B. Die Modelle unterscheiden sich in Größe, Ausstattung, Preis und Leistung. Die bekannteste Version des Raspberry Pi ist das Modell B.

• Raspberry Pi Zero
• Raspberry Pi Modell A
• Raspberry Pi Modell B
  • Raspberry Pi Baureihe 1
  • Raspberry Pi Baureihe 2
  • Raspberry Pi Baureihe 3 und 4
• Raspberry Pi 400
• Raspberry Pi Compute Module
  
  

Hauptbestandteil des Mini-Computers Raspberry Pi ist ein System on Chip (SoC) von Broadcom. Dieser enthält einen Single-Core-Prozessor mit 700 MHz und abhängig vom Modell 256 (Modell A) oder 512 MByte (Modell B) Arbeitsspeicher, sowie einen OpenGL-ES-kompatiblen Grafikkern, der einen Decoder und Encoder für MPEG2, MPEG4 und andere Codecs enthält.

Raspberry Pi Modell A

Die A-Plattform des Raspberry Pi reiht sich zwischen dem Raspberry Pi Zero und den B-Modellen ein. Sowohl was Preis, als auch was Leistung und Ausstattung angeht.

Raspberry Pi Zero

Die Bauform Zero ist die kleinste und günstigste Raspberry-Pi-Plattform. Alle Modelle verfügen lediglich über einen Prozessor mit nur einem Kern und 512 MB RAM. Außer einem Mini-HDMI und einer Micro-USB-Port gibt es keine Schnittstellen. Dafür ist der Zero nochmals deutlich günstiger als die anderen Modelle. Zusätzliche Peripherie kann beispielsweise über einen USB-Hub angeschlossen werden.

Raspberry Pi Modell B

Der erste Raspberry Pi war ein Modell-B und wurde im Jahr 2012 veröffentlicht. Die B-Reihe ist bis heute die erfolgreichste. Es handelt sich hierbei um die am besten ausgestatteten Raspberry Pi Modelle. Es gibt verschiedene Baureihen.

Raspberry Pi 400

Der Raspberry Pi 400 ist ein kompletter Personal Computer, der zusammen mit einer Tastatur in ein Gehäuse eingebaut ist. Im Jahr 2020 hat die Raspberry Pi Foundation den Raspberry Pi 400 vorgestellt. Was die Elektronik angeht, handelt es sich dabei nicht wirklich um ein neues Modell, denn es wird die Hardware des Raspberry Pi 4 mit 4GB RAM verwendet. Allerdings ist der Takt der CPU mit 1,8 GHz anstatt 1,5 GHz etwas höher.

Raspbery Pi Compute Module

Das Raspberry Pi Compute Module ist ein Embedded-System, dass sich zum Einbau in andere Geräte eignet. Anders als ein normaler Raspberry Pi hat das Compute Module keine Anschlussbuchsen oder Pfostenstecker. Das Modul muss auf eine universelle Basisplatinen gesteckt werden, um dessen Schnittstellen und Funktionen nutzen zu können.

Update, 29.09.2023: Details zum neuen Raspberry Pi 5

Ab Oktober 2023 soll der Raspberry Pi 5 verfügbar sein. Angedacht ist, dass die 4-GB-Variante 60 US-Dollar und die 8-GB-Variante 60 US-Dollar kosten wird. Mit dem Raspberry würde praktisch jeder Aspekt der Plattform verbessert: So verfügt der Raspberry Pi 5 über neue Funktionen und ist mehr als doppelt so schnell wie sein Vorgänger.

Die wichtigsten Merkmale des Raspberry 5 in der Übersicht

Die wichtigsten Merkmale sind:

• 2,4 GHz Quad-Core 64-Bit Arm Cortex-A76 CPU
• VideoCore VII GPU, unterstützt OpenGL ES 3.1, Vulkan 1.2
• Dual 4Kp60 HDMI® Display-Ausgang
• 4Kp60 HEVC-Decoder
• Dual-Band 802.11ac Wi-Fi
• Bluetooth 5.0 / Bluetooth Low Energy (BLE)
• Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für microSD-Karten mit Unterstützung des SDR104-Modus
• 2 × USB 3.0-Anschlüsse, die den gleichzeitigen Betrieb mit 5 Gbit/s unterstützen
• 2 × USB 2.0-Anschlüsse
• Gigabit-Ethernet, mit Power over Ethernet (PoE+)-Unterstützung (separates PoE+-HAT erforderlich, in Kürze erhältlich)
• 2 × 4-Lane-MIPI-Kamera-/Display-Transceiver
• PCIe 2.0 x1-Schnittstelle für schnelle Peripheriegeräte
• Raspberry Pi Standard 40-Pin GPIO Header
• Echtzeituhr
• Einschalttaste

Alle wichtigen Informationen zum Raspberry Pi finden Sie aber im Detail auch noch in unserer Zusammenfassung hier.

Was verbirgt sich hinter Arduino?

Vereinfacht gesagt ist Arduino ein Steuersystem, bei dem die Ausgänge je nach Programmierung und in Abhängigkeit der Eingänge reagieren. Dadurch ist es möglich, bestimmte Abläufe automatisch zu steuern. Das reicht von einer simplen LED-Schaltung bis hin zu einer komplexen Maschinensteuerung. Derartige Funktionen sind zum Beispiel bei einer Kaffeemaschine erforderlich, bei der bestimmte Abläufe in Abhängigkeit von Sensorwerten stehen.

Der erste Arduino mit einem ATMEL ATmega8 Controller wurde im Jahr 2005 von Massimo Banzi und David Cuartielles in Italien entwickelt. Der Name „Arduino“ stammt von einer Bar in Ivrea, in der sich die Projektgründer gewöhnlich trafen.

Ein Arduino besteht grundsätzlich aus zwei Komponenten. Einmal die Hardware, also das Arduino-Board, und einer Software (Arduino-IDE), mit deren Hilfe das individuelle Schalt- oder Steuerprogramm (Sketch) erstellt wird. Die Arduino-Boards als auch die Arduino Software sind "Open Source Systeme" und damit quelloffen. Das heißt, dass die Schaltpläne und Layouts der Hardware-Boards frei zugänglich sind und jeder sie für seine Zwecke verwenden oder modifizieren kann.

Welche Boards gibt es?

Grundsätzlich gibt es Standardmodelle wie den „Uno“ oder den rechenstärkeren „Due“. Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Spezialmodelle wie die „Internet of Things“ Arduinos für Projekte mit vernetzten Geräten / Sensoren.

Was ist ein Embedded-Motherboard?

Ein Motherboard ist die Hauptplatine eines Computers. Es wird auch als Systemplatine oder Mainboard bezeichnet. Das Motherboard ist die Platine, auf der alle Systemkomponenten eines Computers eine physikalische und logische Verbindung erhalten.

Die wichtigsten und einige leistungsbeeinflussenden Bauteile sind fest auf dieser Platine miteinander verbunden. Embedded-Motherboards sind grundsätzlich wie Mainboards in herkömmlichen PCs aufgebaut. Das Motherboard bietet Steckplätze und Anschlüsse für die Installation von Prozessor (CPU), Arbeitsspeicher (RAM), Grafikkarte, Festplatte, SSDs, Netzwerkkarte und anderen Erweiterungskarten. Es enthält auch Chipsätze, die die Kommunikation zwischen diesen Komponenten koordinieren und die grundlegenden Funktionen des Systems steuern.

Im Wesentlichen bestimmt die Ausstattung des Motherboards über Systemleistung, Erweiterbarkeit und Zukunftsfähigkeit eines Computersystems. Die meisten Motherboards sind auf eine bestimmte Anwendung mit einem bestimmten Prozessor zugeschnitten. Man kann also nicht jeden beliebigen Prozessor auf jedem Motherboard verwenden. Der Einsatz eines Prozessors hängt vom Motherboard bzw. vom Prozessorsockel und dem Chipsatz ab.

Formfaktoren von Embedded-Motherboards

Motherboards eignen sich dank vieler Schnittstellen für ein breites Spektrum an Anwendungen. Auch sie gibt es in mehreren Formfaktoren. Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Mainboards hat überraschend wenig mit Technik zu tun sondern betrifft die Größe.

Die gängigsten Formfaktoren sind Mini-ITX für Motherboards mit den Abmessungen 170 mm × 170 mm, Micro-ATX für Mainboards mit den Abmessungen 244 mm × 244 mm, ATX für Mainboards mit den Abmessungen 305 mm × 244 mm, FLEX ATX für Mainboards mit den Abmessungen 229 mm × 191 mm und E-ATX für Mainboards mit den Abmessungen 305 mm × 300 mm.

Was ist ein System-on-Module (SoM)?

Die Bezeichnung System-on-Module (SoM) wird in ähnlicher Weise benutzt wie Computer on Module (CoM) mit dem Unterschied, dass das SoM-Konzept weiter reicht als das CoM-Konzept. So werden in den SoM-Konzepten die neuesten Prozessortechnologien und Schnittstellentechnologien realisiert und auf einem Modul werden komplette Systeme realisiert. Ein System-on-a-Module (SoM) ist eine Schaltung auf Leiterplattenebene, die eine Systemfunktion in einem einzigen Modul integriert. Es kann digitale und analoge Funktionen auf einer einzigen Karte integrieren. Im Gegensatz zu einem Full-Size-Computer erfüllt ein SoM eine spezielle Funktion, ähnlich wie ein SoC, jedoch nicht auf Chip-, sondern auf Leiterplattenebene.

Im Gegensatz zu einem "Single Board Computer" (SBC), bei dem alle Komponenten auf einer einzigen Platine integriert sind, besteht ein SoM aus zwei Hauptkomponenten: dem eigentlichen Modul und einem Trägerboard. Das Modul enthält den Prozessor, den Arbeitsspeicher, den Flash-Speicher und andere Komponenten, während das Trägerboard die Schnittstellen und Anschlüsse für die Einbindung des Moduls in ein größeres System bereitstellt.

Einsatzgebiete von SoM

SoM werden oft in eingebetteten Systemen, Internet-of-Things (IoT) -Geräten, industriellen Steuerungssystemen, Robotern, Medizingeräten und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine kompakte und leistungsstarke Computerplattform benötigt wird.

Was sind Computer-on-Modules?

Computer-on-Module-Lösungen sind komplette Embedded-Computer, die auf einer einzigen Leiterplatte aufgebaut sind. Das Design basiert auf einem Mikroprozessor mit RAM, Ein-/Ausgabesteuerung und allen weiteren Eigenschaften, die ein funktionsfähiger Computer auf einer Leiterplatte benötigt. Im Gegensatz zu einem Full-Size-Computer fehlen dem CoM jedoch in der Regel die Standardanschlüsse für Ein-/Ausgabeperipheriegeräte, die direkt an das Board angeschlossen werden können. Die Module müssen in der Regel auf einem Baseboard kontaktiert werden, das den Bus und die I/O-Signale zu Standard-Peripheriesteckern führt. Sie können digitale und analoge Funktionen auf einer Platine integrieren.

Die besonderen Vorteile einer Computer-on-Module-Lösung liegen darin, dass die Investitionen in die Hardware-Planung beschränkt sind auf das Carrierboard und es sich um einen bewährten Standard handelt. Die skalierbare und zukunftssichere Lösung bietet langfristige Verfügbarkeit und ist kompatibel mit ARM-Prozessoren und x86-Prozessoren.

Elemente von Computer-on-Modules

Zu den Elementen gehören: Mikroprozessor, Flash-Speicher, Speichertechnologien wie RAM und DRAM, NVRAM, Taktmanagement und Energiemanagement. System on Modules enthalten in der Regel Peripheriefunktionen, die in das Mikroprozessorsystem auf dem Chip (SOC) integriert sind. Anwendungsspezifische Funktionen wie E/A-Anschlüsse werden auf der Trägerkarte implementiert.

Computer-on-Module bieten eine hohe Skalierbarkeit. Während ein Prozessorwechsel nur bei Pin-kompatiblen Prozessoren möglich ist, die zudem in der Regel nur innerhalb einer bestimmten Prozessorgeneration gegeben sind, können Computer-on-Modules grundsätzlich sämtliche Prozessoren aller führenden Embedded-Prozessorhersteller aufnehmen. Ein Beispiel ist das Upgrade auf die 12. Generation der Intel Core-Prozessoren, selbst bei geändertem Grid-Array und Speicherschnittstelle. Bei der Verwendung eines kundenspezifischen Boards müssten die Entwickler ihre Boards neu layouten. Mit Computer-on-Modules ist zudem ein Wechsel zwischen Prozessorgenerationen und Anbietern deutlich einfacher und jederzeit möglich – eine neue Produktgeneration kann durch einen einfachen Wechsel des Moduls erstellt werden. Auch die Langzeitverfügbarkeit der Applikationen wird durch diese Skalierbarkeit vergrößert; denn wenn der sieben- oder zehnjährige Produktlebenszyklus eines Embedded-Prozessors endet, ist schon oft ein Nachfolger verfügbar, der zur Nachrüstung verwendet werden kann.

Skalierbarkeit durch Schnittstellenstandardisierung

Skalierbarkeit kann nur durch eine Schnittstellenstandardisierung gewährleistet werden. Computer-on-Modules erreichen diese durch die Standardisierung ihres Footprints sowie der Schnittstelle zwischen Modul und kundenspezifischem Carrierboard. Es gibt verschiedene COM-Formfaktoren und Standards, darunter COM Express, Qseven, SMARC und ETX. Diese Standards definieren die physischen Abmessungen, die elektrischen Spezifikationen und die Anschlüsse der COM-Module, um die Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern und Systemen sicherzustellen.

Dank der Standardisierung entsteht ein breites Spektrum an kommerziell verfügbarem Zubehör, welches unter anderem Carrierboards, Heatspreader, Kabelsätze oder Gehäuse umfasst. Was den Einsatz von Drittanbieter-Komponenten ermöglicht, NRE-Kosten auf ein Minimum reduziert. Eine große Entwickler-Community innerhalb der Formfaktoren sorgt für eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Standards und dank der herstellerunabhängigen Standardisierungsgremien PICMG und SGET e.V. werden proprietäre Lösungen vermieden.

Diese Standardisierungsgremien gibt es:

SGET - Standardization Group for Embedded Technologies

Die Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) entwickelt unabhängige Spezifikationen für die Embedded-Computer-Technologie, darunter SMARC oder Qseven und OSM (ETX). Die Hauptziele der SGET sind die Etablierung von offenen Standards für eingebettete Technologien, die Interoperabilität von Produkten verschiedener Hersteller ermöglichen sollen. Die Organisation konzentriert sich insbesondere auf Standards für System-on-Module (SoM) und Computer-on-Module (CoM), die in vielen Anwendungen wie Industriesteuerungen, Medizintechnik, Automobilindustrie und Internet of Things (IoT) eingesetzt werden.

Die SGET arbeitet eng mit anderen Standardisierungsgremien zusammen, um Synergien zu schaffen und die Weiterentwicklung von eingebetteten Technologien voranzutreiben. Sie beteiligt sich aktiv an der Erarbeitung von Spezifikationen und Standards und stellt diese der Industrie und der Öffentlichkeit zur Verfügung.

PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG)

Die PCI Industrial Computer Manufacturers Group, kurz PICMG, ist ein Konsortium aus über 220 Unternehmen, die patentfreie Spezifikationen für leistungsstarke Telekommunikations- und Industrieanwendungen gemeinsam erarbeiten.

Das Konsortium wurde 1994 mit dem Auftrag gegründet, den Schnittstellenstandard PCI weiterzuentwickeln und in neuen Märkten zu etablieren. Sie hat ihren Sitz in den USA. Die Spezifikationen umfassen unter anderem AdvancedTCA, AdvancedMC, MicroTCA, COM Express, und CompactPCI und COM-HPC. Sie definieren Formfaktoren der Baugruppen und Computer-Busse.

Standardisierte SBC-Formate

Bei SBCs sind folgende Formate dominierend: Pico-ITX, NUC, 3,5“, EPIC Mini-ITX, Micro-ATX und ATX.

Standardisierte Computer-on-Module-Formate

Der Markt der CoMs wird im Wesentlich von folgenden Standards dominiert. COM-HPC, COM Express, SMARC und Qseven.

Der offene Standard SMARC - (Smart Mobility ARChitecture)

Der offene Standard SMARC beschreibt Computer-Module mit kleinem Formfaktor und richtet sich an Anwendungen, die wenig Strom, niedrige Kosten und hohe Leistung erfordern. Die Module verwenden typischerweise ARM SoCs, die den in Geräten wie Tablet-Computern und Smartphones verwendeten Prozessoren ähneln.
Alternative Low-Power-SoCs und CPUs, wie z. B. Tablet-orientierte x86-Chips können ebenfalls verwendet werden. Die Leistungsaufnahme des Moduls liegt typischerweise unter 6 W, obwohl Designs bis zu etwa 15W möglich sind. Der Formfaktor bietet dank 314 Pins (MXM-3-Connector) Platz für eine Vielzahl von Schnittstellen.

Der Standard definiert im Grunde zwei Größen:

Es gibt die Größen SMARC small (82 mm × 50 mm) und SMARC large mit 82 mm × 80 mm. Die Module werden bevorzugt für tragbare und stationäre Embedded-Systeme eingesetzt. Die Core-CPU und deren Beschaltung, einschließlich DRAM, Boot-Flash, Power Sequencing, CPU-Netzteile, Gb-Ethernet und zweikanaliger LVDS-Display-Sender sind auf dem Modul implementiert. Die Module werden mit anwendungsspezifischen Carrier-Boards verwendet, die weitere Funktionen wie Audio-CODECs, Touch-Controller, drahtlose Geräte usw. implementieren.

Der modulare Ansatz ermöglicht Skalierbarkeit, schnelle Time-to-Market und Upgrades bei gleichzeitig niedrigen Kosten, geringem Stromverbrauch und geringer physikalischer Größe.

Der Qseven-Standard

Qseven und μQseven sind zwei Standards für Computer-on-Module (COM). Qseven-Module haben einen standardisierten Formfaktor von 70 mm × 70 mm (Qseven) bzw. 40 mm × 70 mm (μQseven) und verfügen über eine standardisierte Pinbelegungen (230 Pins) auf Basis des Hochgeschwindigkeits-MXM-Systemsteckverbinders – unabhängig vom Steckerhersteller. Dieser stellt die Baseboard-Schnittstelle zur Verfügung, um alle I/O-Signale zum und vom Qseven-Modul zu übertragen.

Das Qseven-Modul stellt die funktionalen Anforderungen an eine Embedded-Anwendung. Diese Funktionen umfassen unter anderem Grafik, Sound, Massenspeicher, Netzwerk und mehrere USB-Ports.

Qseven-Anwendungen sind skalierbar. Das bedeutet, dass nach der Entwicklung eines Produkts die Möglichkeit besteht, die Produktpalette durch den Einsatz verschiedener Qseven-Module der gleichen Leistungsklasse zu diversifizieren. Qseven-Module unterstützen CPU-und Chipsatz-Lösungen mit niedriger „Thermal Design Power“ (TDP). Darüber hinaus sollte die Leistungsaufnahme der Module 12 W nicht überschreiten.

Der PICMG-Standard COM Express

COM Express ist ein PICMG-Standard für Computer-on-Module. Die spezifizierten Schnittstellen bieten einen nahtlosen Übergang von Legacy-Schnittstellen bis hin zu differentiellen Signalen. Hierzu zählen DisplayPort, PCI Express, USB 3.0 und Serial ATA.

COM Express definiert bis zu 440 Signalpins zwischen dem COM-Express-Modul und dem Carrierboard. Ältere Schnittstellen wie beispielsweise PCI, und Parallel-ATA werden noch von Typ 2 Legacy-Module unterstützt. Typ 6 Module bieten zusätzlich PCI Express 2.0/3.0, USB 3.0, drei DisplayPort-Ausgänge. Der PEG Port ist nicht mehr mit den Grafiksignalen gemultiplext. Das Typ 7 Pinout wurde für Server-Applikationen entwickelt. Es bietet bis zu vier 10 Gb Ethernet Ports und bis zu 32 PCI Express Lanes. Es ist auf einen Betrieb ohne Grafikausgabe (Headless) ausgelegt. Es werden keine Video- und Audioschnittstellen ausgeführt. Möglich ist aber ein Out-of-Band Management.

Der COM-Express-Standard definiert vier verschiedene Formfaktoren, die auf der Größe des Moduls basieren. Low-power Typ 10 Module werden im Mini Format (84 mm × 55 mm) implementiert. Typ-6-Module können im Compact- (95 mm × 95 mm) und Basic (95 mm × 125 mm) -Formfaktor eindesigned werden. Typ-7-Module sind in der Größe Basic verfügbar. Die Extended (155 mm × 110 mm) -Baugröße ist eine potenzielle Erweiterung für Typ 7 Module.

So wie auch Qseven und SMARC definiert die COM-Express-Spezifikation einen Heatspreader, der als thermisches Interface zwischen dem COM-Express-Modul und der Kühllösung des Systems dient. Alle Abwärme produzierenden Komponenten werden über diesen Heatspreader zusammengeführt, um Hot-Spots zu vermeiden. COM Express bietet bis zu 32 PCI Express Lanes.

Zu den typischen Videoausgängen von COM-Express-Modulen zählen LVDS für den direkten Support von Flat-Panels und bis zu 3 DDIs (Digital Display Interfaces). Jedes DDI kann als TMDS DVI oder als DisplayPort beschaltet werden. Neue Typ-6-Module unterstützen zudem embedded DisplayPort (eDP), der mit dem LVDS A Channel gemultiplext ist. Typ-7-Module sind „headless“ ausgelegt und unterstützen deshalb keine direkten Videoausgänge.

COM-HPC (High Performance Computing)

COM-HPC definiert die Pinout-Typen Server und Client und den erst kürzlich vorgestellten Mini. Es gibt fünf verschiedene Modulgrößen, die von 120 mm x 95 mm bis 160 mm x 200 mm reichen.

COM-HPC Server und COM-HPC Client

Anwendungen wie die künstliche Intelligenz, 5G etc. kommen mit einem enormen Datenhunger daher und erfordern die blitzschnelle, algorithmenbasierte Auswertung der riesigen Datenmengen. IoT-Geräte, Sensoren und Aktoren produzieren enorme Datenmengen, zum Beispiel von autonomen Fahrzeugen. Hunderte von Signalen müssen in Bruchteilen von Sekunden verarbeitet werden.

Um eine Antwort auf die anspruchsvollen neuen Herausforderungen im Embedded-Computing zu geben, definierte das Standardisierungsgremium der PICMG den Computer-on-Module-Standard COM-HPC für High Performance Computing. COM-HPC ist ein Industriestandard für hochleistungsfähige Computer-on-Module (COMs), der im Jahr 2020 veröffentlicht wurde. Der modulare Standard wurde entwickelt, um die steigenden Anforderungen an Bandbreite und Datenintelligenz von High-End-IoT-Client-Geräten und Embedded-Edge-Servern in verschiedenen Marktsegmenten zu erfüllen. Unterstützt werden Schnittstellen wie PCI Express Gen 5, USB4, DisplayPort 2.0 und 25G Ethernet sowie Prozessoren der Serverklasse.

Im Vergleich bietet der COM-Express-Standard 440 Pins, während der COM-HPC-Standard 800 Pins vorsieht. Dadurch wird beispielsweise eine Verdoppelung der PCIe-Lanes von 32 auf 64 erzielt, die darüber hinaus durch PCIe Gen5 bis zu 32 Gb/s je Lane unterstützen – somit eine um Faktor vier höhere Datenrate als die PCIe Lanes bei COM Express, welche PCIe Gen3 gewährleisten.

COM-HPC Mini

COM-HPC Mini ist ein neuer Computer-on-Module-Standard. Mit ihm soll das derzeit kleinstmögliche standardisierte High-Performance-Modul geliefert werden. COM-HPC Mini soll die Eigenschaften der COM-HPC-Client- und Server-Standards nun auch in Small-Form-Factor (SFF)-Designs bereitstellen.

Wie COM Express Mini sieht auch die COM-HPC-Client-Mini-Spezifikation die Verwendung nur eines Steckverbinders vor anstelle der zwei, die für die größeren Module (Größen A - E) verwendet werden. Bei COM-HPC bedeutet die halbe Anzahl von Signalpins immer noch 400 Signalleitungen, was 90 Prozent der Kapazität entspricht, die COM-Express-Typ-6-Module bieten. Im Vergleich zu COM-HPC-Client-Modulen Size A – dem bisher kleinsten verfügbaren COM-HPC-Formfaktor – reduziert COM-HPC Mini den Footprint ebenfalls auf 50 Prozent.

Solche kleinen Module mit Abmessungen von nur 60 mm × 95 mm werden für High-End-Embedded-Computerlogik in Geräten wie Hutschienen-PCs für Schaltschränke in der Gebäude- und Industrieautomation oder in tragbaren Test- und Messgeräten benötigt. Die neue Spezifikation wird es Entwicklern ermöglichen, moderne Computerschnittstellentechnologien wie PCIe Gen4 und Gen5 in kleine, hoch performante Geräte zu integrieren.

Das sind die Formate: COM-HPC/Server mit Size E (160 mm × 200 mm) bzw. Size D (160 mm × 160 mm) und COM-HPC/Client mit Size A (95 mm × 120 mm), Size B (120 mm × 120 mm) und Size C (120 mm × 160 mm). Diese unterscheiden sich im Wesentlichen in Größe und Anzahl bzw. Art der Schnittstellen. So bietet die
„Client“-Ausführung Video/embedded Display Interfaces, worauf die „Server“-Variante verzichtet. Diese bietet jedoch 10Gb Ethernet Interfaces, die für Serveranwendungen essenziell sind.

OSM: Open-Standard-Module

OSM steht für Open-Standard-Module und wurde im Jahr 2020 von der SGET gelauncht und ist seit Mitte 2022 in der Spezifikation 1.1 verfügbar. OSM bietet vier Größen, die alle kleiner sind als SMARC oder µQseven. Bereits das größte Modul ist mit 45 mm × 45 mm 28 Prozent kleiner als µQseven beziehungsweise 51 Prozent kleiner als SMARC, bietet aber 662 Kontakte. Weitere Modulgrößen der neuen OSM-Spezifikation sind noch kleiner: OSM Size-0 (Zero) ist mit 30 mm × 15 mm der kleinste Formfaktor mit 188 BGA-Kontakten. OSM Size-S (Small) misst bei 332 Kontakten 30 mm × 30 mm, OSM Size-M (Medium) bietet 476 Kontakte auf 30 mm × 45 mm. Der Fortschritt in Richtung kleinere Größe und mit größerem Funktionsumfang beziehungsweise höherer Packungsdichte auf gleichem Raum geht also unvermindert weiter und schlägt sich in dieser neuen Spezifikation nieder.

Die SGET hat mit der OSM-Spezifikation einen Standard für Embedded-Module definiert, der die Skalierbarkeit von Performance und Schnittstellen ermöglicht und gleichzeitig den Platzbedarf minimiert. Die OSM-Module sind in Produktion und Beschaffung kostenoptimiert, da sie rein maschinell bestückt, gelötet und getestet werden. So kann man auf den sonst üblichen Board-to-Board-Steckverbinder verzichten.

Abmessungen von Formfaktoren bei Computer-on-Modules

SMARC definiert zwei Modulgrößen:

SMARC (82 mm × 50 mm) für sehr kompakte Low-Power-Designs

SMARC (82 mm × 80 mm) für leistungsfähigere SoCs mit einem erhöhten Platz- und Kühlungsbedarf

Qseven

Qseven (70 mm × 70 mm)

µQseven (70 mm × 40 mm)

COM-Express-Modulgrößen

COM Express Extended (155 mm × 110 mm)

COM Express Basic (95 mm × 125 mm)

COM Express Compact (95 mm × 95 mm)

COM Express Mini (84 mm × 55 mm)

COM-HPC-Modulgrößen

COM-HPC Client:

COM HPC Size A (95 mm × 120 mm)

COM HPC Size B (120 mm × 120 mm)

COM-HPC Size C (160 mm × 120 mm)

COM-HPC Server:

COM-HPC Size D ( 160 mm × 160 mm)

COM-HPC Size E (200 mm × 160 mm)

Abmessungen der Formfaktoren bei Single Board Computern (SBC)/Mainboard:

Pico-ITX (100 mm × 72 mm)

NUC (102 mm × 102 mm)

3,5“ (146 mm × 102 mm)

EPIC (165 mm × 115 mm)

Mini-ITX (170 mm × 170 mm)

Micro-ATX (244 mm × 244 mm)

ATX (305 mm × 244 mm)