Bild 1: Mit reinen Diashows und kleinen Filmchen ist es da längst nicht mehr getan, heutzutage sind immer öfter auch komplexe Echtzeit-3D-Grafiken oder die Verarbeitung von Videos in HD-Qualität gefordert.

Bild 1: Mit reinen Diashows und kleinen Filmchen ist es da längst nicht mehr getan, heutzutage sind immer öfter auch komplexe Echtzeit-3D-Grafiken oder die Verarbeitung von Videos in HD-Qualität gefordert.MEN

Starke Prozessoren alleine reichen nicht aus, komplexe Echtzeit-3D-Grafiken oder die Verarbeitung von Videos in HD-Qualität verlangen nach dedizierter Grafik-Hardware. Viele Chipsätze haben heute bereits den Grafik-Controller integriert und stellen für geringe und mittlere Anforderungen eine gute und günstige Lösung dar. In der Regel teilen sich bei dieser Architektur CPU und Grafikeinheit den gemeinsamen Hauptspeicher. Steuert man allerdings Bildschirme mit sehr hoher Auflösung oder gar mehrere Bildschirme mit verschiedenen, hochauflösenden Bildinhalten gleichzeitig an, so reduziert die Bandbreite dieses gemeinsam genutzten Speichers die Performance, sowohl der CPU als auch der Grafikeinheit. Hier wird eher auf externe, unabhängige Grafik-Controller mit eigenem Bildspeicher zurückgegriffen.

Auf einen Blick

Genauso robust und modular wie sein Vorgänger CompactPCI, packt der neue Standard CompactPCI Serial noch einmal mehr Performance und serielle Schnittstellen oben drauf. Es sind dafür Steckverbinder mit hoher Kontaktdichte an den System-Slot-Anschlüssen erforderlich. Die Air-Max-VS-Steckverbinder von FCI bieten dazu bis zu 184 Kontaktpaare auf einer 3-HE-Platine.

Wählt man einen externen Grafik-Controller, wird der Datendurchsatz der Verbindung zwischen Chipsatz und Grafik-Controller zum kritischen Performance-Faktor. Deshalb hat gerade diese Verbindung die modernen Busse vorangetrieben. So war die Entwicklung zunächst des PCI-Busses, dann des AGP-Busses und schließlich von PCI Express ganz maßgeblich durch Grafikkarten getrieben.

Im Gegensatz zu anderen seriellen Interconnects wie beispielsweise SATA und USB 3.0 beschränkt man sich bei PCI Express nicht auf eine einzige Lane (ein differenzielles Empfangs- und Sendeleitungspaar), sondern packt speziell zur Ansteuerung der Grafikkarte bis zu 16 dieser Lanes parallel (PCI Express x16). Grafikerweiterungen sind ein Grund für die besondere Architektur von CompactPCI Serial.

Der Air-Max-VS-Steckverbinder

Bild 2: Der in dem CompactPCI-Serial-Standard eingeführte Air-Max-VS-Steckverbinder spielte bei der Entwicklung des neuen Standards eine maßgebliche Rolle.

Bild 2: Der in dem CompactPCI-Serial-Standard eingeführte Air-Max-VS-Steckverbinder spielte bei der Entwicklung des neuen Standards eine maßgebliche Rolle.FCI

Der Steckverbinder Air Max VS von FCI skaliert Datenraten von 12 Gbit/s und mehr, ohne dass platzraubende Abschirmungen notwendig sind (Bild 2). Gleichzeitig bietet er eine viel höhere Dichte als herkömmliche 2-mm-Signal-Steckverbinder, welche sonst bei CompactPCI eingesetzt werden. Die CompactPCI-Serial-Spezifikation überträgt die CompactPCI-Architektur auf serielle High-Speed-Verbindungen und bietet so besseren Support für serielle Punkt-zu-Punkt-Strukturen. Damit beim klassischen CompactPCI Schnittstellen wie PCI Express, Serial ATA und Base-T Ethernet nicht alternativ, sondern parallel – also gleichzeitig – versorgt werden, sind Steckverbinder mit hoher Kontaktdichte an den System-Slot-Anschlüssen erforderlich.

Air Max VS bietet bis zu 184 Kontaktpaare auf einer 3-HE-Platine. Diese hohe Kontaktdichte ermöglicht auch die Verwendung einer Vielzahl von freien Pins für kundenspezifische Ein-/Ausgabe-Schnittstellen an den Peripherie-Modulen.

Verbindungen zwischen einem Front-System oder einem Peripherie-Board und der Backplane werden durch die Verwendung von abgewinkelten Stiftleisten und vertikalen Buchsenverbindern hergestellt. Die Schnittstelle zum rückwärtigen I/O-Board verwendet abgewinkelte Buchsenverbinder und vertikale Stiftleisten. Das offene Steckfeld-Design der Air-Max-VS-Signalsteckverbinder bietet die Flexibilität, Kontakte für Differenzial- oder Einzelader-Signale, Erdung oder Strom zu verwenden.

Für MEN Mikro Elektronik konnten die Vorteile des Air-Max-VS-Steckers nicht nur in Bezug auf CompactPCI Serial überzeugen, sondern sie kommen auch in einer neuen Box- und Panel-PC-Familie zum Einsatz. Die Besonderheit bei dieser Familie ist die Trennung der externen Schnittstellen von der Hauptplatine. Je nach Kundenanforderungen sind damit sehr unterschiedliche Systemvarianten auf Basis des Systemkerns möglich. Die Verbindung zum Systemkern kommt dabei ohne Kabel aus und wird erneut durch einen Air-Max-VS-Stecker realisiert.

Box-Lösung oder Modul?

Bild 3: Das modulare Innenleben der neuen Box- und Display-Computer-Familie: Verbunden durch den Air-Max-VS-Stecker gesellt sich zur leistungsstarken CPU-Karte eine flexibel konfigurierbare I/O-Karte.

Bild 3: Das modulare Innenleben der neuen Box- und Display-Computer-Familie: Verbunden durch den Air-Max-VS-Stecker gesellt sich zur leistungsstarken CPU-Karte eine flexibel konfigurierbare I/O-Karte. MEN

Die so verbundenen Elektronik-Bausteine sind voll auf anspruchsvolle Umgebungen ausgelegt und halten auch Schock und Vibration stand. Dank Konduktionskühlung – das Gehäuse der Box-Computer selbst dient dabei als Kühlkörper – kann das Gerät bei Temperaturen von -40 bis zu +85 °C gemäß der Bahnnorm EN 50155 Klasse Tx betrieben werden (Bild 3). Bei der Gestaltung des Gehäuses war der Einsatz als Display-Computer-Elektronik von Anfang an vorgesehen. Über ein einfaches Befestigungssystem auf der Rückseite eines Flachbildschirms kann der ursprüngliche Box-PC montiert werden und verwandelt sich so in einen intelligenten Panel-PC.

Als Inselrechner übernehmen Box-PCs verschiedenste Aufgaben. Dabei spielen Bilddaten eine immer wichtigere Rolle. Mit mittlerer bis höherer Grafikleistung eignen sich die Rechner hervorragend als Bordcomputer oder Content-Server. Über eine Drahtlosverbindung können sie mit einem Steuerzentrum kommunizieren und Informationen an mehrere Displays senden. Display Port unterstützt bei einer Leitungslänge von 15 Meter immerhin eine HD-Auflösung von 1920 x 1080 Pixel.

Zahlreiche Anwendungen in Bussen und Bahnen werden daher mit Hilfe solcher Box-Computer realisiert. Ein einzelner Rechner steuert in einem Bus beispielsweise zwei Monitore per Display Port an. Sie halten die Fahrgäste über den Fahrtverlauf auf dem Laufenden und zeigen die Haltestellen mit Haltewunsch an. Zwischendurch laufen Infofilme. Wenn der Bus ins Depot fährt, werden die Daten dort drahtlos per WLAN aktualisiert.

Flexibilität in der Ausführung der Box-Lösung kann für ein Produkt entscheidend sein. Wo mehr Leistung nötig ist, ist ein skalierbares Konzept vorteilhaft. An dieser Stelle hat momentan AMD die Nase vorn. Die Embedded G-Series paart Ein- oder Mehrkern-CPUs jeweils mit einem Grafikprozessor der Radeon-Reihe. Diese APUs (Accelerated Processing Units) machen durch ihre Kompatibilität die Rechenleistung skalierbar. Eine Auflösung von 2560 x 1600 Pixeln auf mehreren Monitoren ist auch in fahrzeugtauglichen Geräten möglich.

Bild 4: Vier Bildschirme an einer High-End-Grafikkarte in 3 HE CompactPCI mit AMD Radeon E6760 GPU – bis zu 28 Monitore gleichzeitig können in einem CompactPCI-Serial-System angesteuert werden.

Bild 4: Vier Bildschirme an einer High-End-Grafikkarte in 3 HE CompactPCI mit AMD Radeon E6760 GPU – bis zu 28 Monitore gleichzeitig können in einem CompactPCI-Serial-System angesteuert werden.MEN

Wird mehr Performance benötigt – etwa für den Einsatz in Leitstellen – sollte man CompactPCI Serial sprichwörtlich auf dem Schirm haben (Bild 4). Die Technologie ist dank der genormten seriellen Backplane-Schnittstellen ideal für den schnellen Austausch großer Datenmengen. Zu einer leistungsfähigen CPU gesellen sich in einem System als Peripherie sieben High-End-Grafikkarten, die 28 Monitore gleichzeitig in hoher Auflösung ansteuern. Eine CPU-Karte mit einem Intel Core i7 und QM57-Chipsatz unterstützt eine Auflösung von 2560 x 1600 Bildpunkten. Die Grafikkarten mit AMD Radeon E6760 unterstützen DirectX 11, OpenGL 4.1 und OpenCL 1.1. Vor allem OpenCL bringt durch parallele Datenverarbeitung ein hohes Plus an Performance mit.

Anwendung Luftbildaufnahmen

Da CompactPCI Serial sich auch in rauer Umgebung wohl fühlt, hat es ein Dienstleister für Luftbildaufnahmen mit an Bord geholt. Die Kamera im Rumpf des Flugzeugs macht aus bis zu 5000 Metern Höhe Aufnahmen für die Kartierung oder die Gleisvermessung auf Bahnstrecken. Stolze 150 Megapixel lösen das Bild auf bis zu 2 cm genau auf. So ein Flug ist teuer, deshalb muss das Rechnersystem zuverlässig funktionieren und die riesigen Datenmengen schnell speichern. Das Flugteam überprüft die Bilder bereits in der Luft am Monitor. Das System ist durch seinen modularen Aufbau leicht auf- oder umrüstbar, sobald eine neue Generation von Elektronik verfügbar ist, sei es die CPU, die Speichermedien oder die Kamera.

Für die unterschiedlichen Faktoren, also etwa Einsatzort und -bedingungen oder die Grafik- und Verlustleistung stehen Anwendern vielfältige Möglichkeiten zur Verfügung. Innovative Ideen und Technologien ermöglichen durch flexibel kombinierbare Standardkomponenten kostengünstige und robuste Grafiklösungen.