Kreditkartengroße Computer-on-Module

Zuerst einmal zur Beruhigung: das bekannte Industrie Mantra „Never change a running system“ gilt auch weiterhin. Entwickler, die ihre Systeme auf der Basis von COM Express Mini oder Qseven entworfen haben, haben sich für eine zuverlässige Plattform entschieden und können auch in den kommenden Jahren mit beiden Formfaktoren arbeiten. Aber welche Empfehlung gibt es für neue Systemdesigns? Was sollten die Systemdesigner hier beachten?

Tabelle: Native I/Os der Steckverbinder für die Formfaktoren COM Express Mini, Qseven 2.1 und SMARC 2.0. Der wesentliche Unterschied zwischen Qseven und SMARC 2.0 ist die Anzahl der Schnittstellen, die die Anwendungsbereiche in tiefere eingebettete Anwendungen für Qseven und mehr Multimedia-fokussierte Designs für SMARC 2.0 aufteilt. Congatec

Es gibt keine einfache Antwort auf diese Frage und man braucht einen gewissen Einblick in den Markt, um eine gute Entscheidung zu treffen. Bevor Tablets und Smartphones auf den Markt kamen, war es einfach: Es gab COM Express Mini für x86. COM Express war weltweit führend. Weitere Prozessorarchitekturen mit stabilen Roadmaps und standardisierten Interfaces gab es nicht. Das hat sich mit den neuen Devices geändert. Sie bilden die solide Basis eines langfristigen Small Form Factor / Low-Power-Trends mit stabilen Prozessor-Roadmaps und standardisierbaren Featuresets. Da in diesen Devices jetzt jedoch konkurrierende Prozessor-Architekturen (x86 und ARM-Prozessoren) zum Einsatz kommen, die auch für viele industrietaugliche Embedded-Applikationen interessant sind, musste man neu überdenken, wie neue kreditkartengroße Computer-on-Module mit Standard-Formfaktor konzipiert sein müssen.

COM Express Mini

Bild 1: Intel-Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessoren (Apollo Lake) gibt es von Congatec in allen drei kreditkartengroßen Modulen: SMARC 2.0, Qseven und COM Express Mini sowie auf COM-Express-Compact-Modulen. Congatec

Beim COM-Express-Mini-Formfaktor, der 2012 von der PICMG als Derivat der COM-Express-Basic- und COM-Express-Compact-Formfaktoren ratifiziert wurde, sah man bislang nicht die Notwendigkeit, ARM-Prozessoren zu integrieren, sondern blieb innerhalb des x86-Ökosystems. Anders hingegen bei Qseven und SMARC. Entwickler, die ARM-basierte-Designs oder Designs anwenden, die beide Prozessorarchitekturen enthalten sollen, können COM Express Mini aus Ihrer Auswahlliste streichen, da COM Express diese Architektur nicht unterstützt.

Auf der anderen Seite bietet COM Express aber auch Vorteile, die kein anderer Modul-Formfaktor bieten kann: als führender Modulstandard verfügt er über die längsten Wurzeln, da COM Express bereits 2003 als ETX Express eingeführt und 2005 von der PICMG übernommen wurde. Folglich ist das kreditkartengroße COM-Express-Mini-Modul, auf das sich dieser Artikel konzentriert, in das seit langem etablierte und umfassende COM-Express-Ökosystem eingebettet. Dank einheitlicher Verbindungstechnologie und Konstruktionsleitfäden können Entwickler viele Funktionen wiederverwenden, auch wenn sich die Pinouts der Modulgrößen in einigen Bereichen unterscheiden: COM Express Basic und Compact werden mit Pinout Typ 6 – und ganz neu jetzt auch mit Typ 7 für Server angeboten; und COM Express Mini wird mit COM Express Type 10 Pinout angeboten.

Dennoch haben die Entwickler einen Standard, den sie nutzen können, um ihre Designs auf Basis von COM Express zu skalieren, von Mini-Modulen mit Intel-Atom-Prozessoren bis hin zu Intel-Xeon-D-Prozessoren für das Server-Segment. Wie bereits erwähnt, gibt es einige Einschränkungen aufgrund von Pin_out-Varianten, aber der Rest – einschließlich der Marketingaspekte wie das Angebot des führenden COM-Express-Standards – ist konsistent.

Etwas begrenzend ist die Tatsache, dass COM Express Typ 10 nur 220 Pins bietet. Dennoch wird mit Hinblick auf I/O eine komplette PC-ähnliche Funktionalität geboten, inklusive LVDS- und DDI-Grafik, Gigabit Ethernet, PCI Express und USB für generische Erweiterungen sowie serielle Interfaces und GPIOs. Und seien wir mal ehrlich: wer nutzt wirklich alle I/Os in einem Design? Ergo: COM Express Mini ist eine ausgereifte Option. Aber wenn Designs nicht mit weiteren COM-Express-Designs in Verbindung stehen, dann erscheinen Qseven und SMARC 2.0 noch attraktiver. Was unterscheidet Qseven von SMARC 2.0 also und umgekehrt?

230 oder 314 Pins?

Der Unterschied zwischen Qseven und SMARC lässt sich ganz einfach erklären: Auf der Steckerseite bietet Qseven 230 Pins und SMARC 314 Pins. SMARC ist eher auf leistungsfähige Multimedia-Anwendungen ausgerichtet, während Qseven mehr I/Os anbietet, die in tief eingebetteten und  industriellen Applikationen gefordert sind. Alle weiteren Vorteile sind vergleichbar. Beide Standards ermöglichen aufgrund ihrer Flachsteckverbindungen eine schlankere Konstruktion im Vergleich zu COM Express.

Beide haben zuverlässige Anbieter für diese Konnektoren: Der Qseven-Konnektor wird derzeit von drei und der SMARC-2.0-Konnektor von zwei Herstellern unterstützt. Für alle, die Qseven in der Vergangenheit kritisiert haben, weil es zeitweise nur einen Anbieter für Konnektoren gab, muss man unterstreichen, dass dieser Anbieter-Engpass mittlerweile nicht nur verschwunden ist, sondern im Vergleich zu SMARC 2.0 einen leichten Vorteil bietet.

Der Unterschied in der Interface-Anzahl zwischen Qseven und SMARC 2.0 ist auch so etwas wie ein Preisindikator für kreditkartengroße Design: Qseven ist für weniger komplexe Designs entwickelt und SMARC für die High-End-Applikationen. Generell hängt jede Entscheidung also davon ab, was die Aufgabe des Embedded-Systems werden soll. Nachdem dieser grundlegende Unterschied zwischen SMARC und Qseven klargestellt ist, kann man nun die dedizierten Interfaces der bevorzugten Modulkategorie anschauen und entscheiden, ob sie passt oder nicht. Hinsichtlich Anbietern und Marktanteilen ist die Landschaft heute nämlich mehr oder weniger ausgeglichen. Der globale Markt der Computer-on-Module wird im Prognosezeitraum von 2016 bis 2020 bei einem CAGR von annähernd 18 Prozent wachsen, und COM Express, SMARC und Qseven sind derzeit die führenden Standards, wie die jüngsten Studien von Analysten wie Technavio zeigen.

Qseven-Interfaces versus SMARC-2.0-Interfaces

Um letztendlich den passendsten Small-Form-Faktor-Standard für ARM- oder x86-Low-Power-Prozessoren zu bestimmen, ist es also nur noch erforderlich, die Interfaces zu betrachten.

Bild 2: Die Footprints der verschiedenen Module in Kreditkartengröße unterscheiden sich nur leicht. Congatec

Wie bereits erwähnt, ist Qseven ideal für industrielle und tief eingebettete Designs. Für diese bietet es sehr gute industrielle Peripherieunterstützung über bis zu 2 × USB 3.0, 8 × USB 2.0 sowie bis zu 4 × serielle Interfaces oder CAN-Bus. Zusätzlich können bis zu zwei MIPI-CSI-Kameras über einen Flachfolienstecker am Modul angeschlossen werden. Für die Internet-Konnektivität verfügt es über einen Gigabit-Ethernet-Port und für den Display-Support können Qseven-Module mit bis zu drei unabhängigen Displays aufwarten.

SMARC-2.0-Module bieten nahezu das gleiche Feature-Set, aber gewichten die I/O Anzahl mehr in Richtung Multimedia-Anwendung für Märkte wie Digital Signage, Vending und Infotainment. Im Vergleich zu Qseven unterstützt SMARC bis zu vier unabhängige Displays. Außerdem wird Audio parallel um High Definition Audio und I²S erweitert, was bei vielen mobilen Consumer-Devices üblich ist. Im Gegensatz zu Qseven werden zudem auch Kameraeingänge über den Konnektor ausgeführt.

Ein besonderes Feature von SMARC 2.0 ist die Unterstützung drahtloser Technologien auf dem Modul selbst. Für diese Aufgabe hat die Spezifikation einen speziellen Bereich auf dem Modul reserviert, der für die Platzierung von Mini-HF-Steckverbindern vorgesehen ist. Alle SMARC-2.0-Module mit Wireless-Funktionalität haben diese Anschlüsse an der gleichen Position, um eine gleichmäßige Austauschbarkeit zu gewährleisten. Idealerweise ist die Konnektivität für Logikgeräte wie WLAN und Bluetooth in einer modularen Weise und in Einklang mit der M.2-1216-Interface-Spezifikation integriert. Dies ermöglicht eine breite Auswahl an Funkprotokollen, was wiederum Anpassungen an Applikationen des Anwenders sehr flexibel macht.

Darüber hinaus unterstützt SMARC 2.0 auch 2 × Gigabit Ethernet, was ein besonderer Vorteil für IoT-angebundene Applikationen ist, da es zwei unabhängige Netzwerke ermöglicht, bei denen die Logik- und Sicherheitsaspekte vollständig getrennt sind. Zudem kann man auch kabelsparende Linien- und sogar redundante Ring-Topologien mit diesem doppelten Ethernet umsetzen. Beispielsweise bei leistungsstarken Infotainment- und Streaming-Gateways in Zügen, Bussen und Flugzeugen erhält man mit SMARC alle benötigten Funktionen auf einem einzigen Modul im Kreditkartenformat.

Neben der Ermittlung des richtigen Formfaktors ist sicherlich die Wahl des richtigen Modulherstellers mindestens genauso wichtig. Hier lohnt es sich darauf zu schauen, dass man Hersteller wählt, die auf effiziente Integrationsprozesse setzen. Sie machen es einem nämlich besonders einfach, Embedded-Module zu verwenden. Ein Indikator dafür ist, dass sie in der Regel nicht nur einige, sondern alle Formfaktoren anbieten. Dies garantiert auch eine bessere Beratung. Zudem ist es dadurch möglich, bei einem Hersteller von einem zum anderen Formfaktor zu wechseln. Auch BSPs, Firmware und Communication Middleware werden in der vernetzten Welt immer wichtiger.

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Hersteller ihr Angebot um eine komplette Cloud für das System ergänzt haben sollten, denn diese wird sowieso nie die Bedürfnisse eines Kunden vollständig erfüllen können. Es ist folglich wichtiger, einen genaueren Blick auf das zu werfen, was auf Board- und Modulebene selbst angeboten wird. Ist beispielsweise der Board-Management-Controller proprietär? Dann läuft man Gefahr, dass dieser in eine Sackgasse führt. Es ist deshalb besser, auf offene, nicht-proprietäre APIs zu setzen, denn Offenheit und Standards sind das Fundament für die effizienteste und einfachste Wiederverwertung bestehender Entwicklerleistungen.

Auch ist es besser, wenn ein Anbieter Integrationsunterstützung für ARM und x86 anbietet. Denn es ist besser, einen Entwickler zu bekommen, der beide Architekturen für eine einheitliche Produktfamilie unterstützt, als von zwei verschiedenen Entwicklern betreut zu werden, die zwei verschiedene Prozessorarchitekturen unterstützen. Dies erfordert auch einheitliche APIs. Schließlich sollte noch die Dokumentation überprüft werden. Von Vorteil sind zudem lokale Fertigungskapazitäten, denn dies ermöglicht es nicht nur, lokal einzukaufen, sondern kann auch vor potenziellen Regierungshandelsbeschränkungen schützen. Fabless Board-Level-Anbieter wie Congatec mit Tochtergesellschaften auf der ganzen Welt können all diese Vorteile bieten.

(ah)