Qseven auf PC/104 adaptiert

Nach Erscheinen des PC mit seiner kartenbasierten Architektur erwies es sich für die Embedded-Branche als attraktiv, diese Technik auch für sich zu nutzen. Der herkömmliche IBM-PC schied jedoch aus – aus Platzgründen und weil er nicht für widrige Umgebungsbedingungen ausgelegt war. 1987 entwickelte deshalb Ampro als Workaround dafür das PC/104-Format, um bestehende PC-Technologie für Embedded-Anwendungen mit speziellen Echtzeit-Datenerfassungs- und Verarbeitungsfunktionen nutzen zu können. Der gesamte PC/104-Markt mit allen alten und neuen Technologien hatte 2008 ein Volumen von rund 262 Millionen US-Dollar: Das Marktpotenzial bleibt hier nach wie vor groß, denn bei kommerziellen, industriellen und auch militärischen Anwendungen wird trotz inzwischen eingeführter Weiterentwicklungen weiter auf PC/104 gesetzt. Insbesondere unbemannte Fahrzeuge für militärische und nichtmilitärische Anwendungen bilden hier ein wichtiges Segment.

Trägersystem als Kernfrage

30 Jahre nach Einführung der PC/104-Architektur sind die neuesten Prozessoren der Intel Atom-E6xx-Serie nun auf COM-Technologie (Computer-on-Module) verfügbar. Mit bis zu 8 GByte RAM werden Microsoft Windows, Linux und andere Betriebssysteme unterstützt, und Embedded-Anwendungen profitieren von der enormen Rechenleistung der Atom-Prozessoren auf diesen Computer-on-Modules.

Das COM-Konzept bietet Vorteile für Projekte in der Größenordnung von einigen hundert bis zu einigen hunderttausend Stück. Es erfordert eine individuell zu entwickelnde Trägerplatine, die mit einer ganzen Palette von COM-Boards bestückt werden kann. Der Grundgedanke hierbei ist, dass Systemhersteller sich nicht mehr darum kümmern müssen, Motherboard, Prozessor und Speicher auszuwählen sowie Treiber für ein Produkt ausfindig zu machen und zu pflegen, das vielleicht bereits nach einem oder zwei Jahren aus dem Programm genommen wird. Im schlimmsten Fall bietet der Zulieferer mehrere verschiedene Baseboards mit unterschiedlichen Anbietern und Software-Builds an, so dass sich das Konfigurations-Management als Alptraum erweisen kann.

COM-Boards sind mit allem Nötigen bestückt und enthalten auch die Treibersoftware. Systemhersteller können deshalb mehr Ressourcen in die Applikationsentwicklung investieren, denn wegen der Pinkompatibilität der COM-Module zwischen den verschiedenen Zulieferern lassen sich auch Second-Source-Anbieter in Produktpaletten einbinden, wobei der Produkt-Support gesichert ist.

Die Rolle von Qseven

Zu den jüngsten Innovationen der COM-Technologie gehört die Einführung des Qseven-Formats durch eine Reihe europäischer Hersteller, darunter Congatec, MSC Vertrieb und Seco. Das 70 x 70 mm große Qseven-Modul besitzt einen MXM-Systemsteckverbinder mit einer unabhängig vom Anbieter standardisierten Anschlussbelegung. Die Spezifikation ist bei der Qseven-Standards-Organisation erhältlich (www.qseven-standard.org).

Verglichen mit dem 90 x 96 mm großen PC/104-Format ist das Qseven-Modul ein deutlich kompakterer, kompletter PC-on-­Module. Ideal also die Kombination aus Qseven-Technologie mithilfe einer speziellen Trägerplatine mit dem PC/104-Format: Damit wird die Qseven-COM-Technologie für viele mit dem PC/104-Format arbeitende Entwickler zugänglich, und alle COM-typischen Vorteile können genutzt werden. Um das zu ermöglichen, hat Congatec mit der nordamerikanischen Firma Connect Tech zusammen eine Qseven-Trägerplatine entwickelt, die sich an den Spezifikationen und vor allem am Preisniveau von PC/104-Express orientiert.

Die COM-Technologie verkürzt die Markteinführungszeit für neue und existierende Designs. Systemhersteller haben außerdem Gelegenheit, ihre Produkte skalierbar zu machen, indem sie verschiedene COM-Produktoptionen mit unterschiedlicher Leistungsaufnahme, Performance und Preisgestaltung anbieten. Die Pinkompatibilität der COM-Produkte sorgt dafür, dass die früheren Probleme mit veralteter Technologie der Vergangenheit angehören und Mid-Life-Updates reibungsloser vorgenommen werden können. Innerhalb des offenen Qseven-Standards lassen sich so neu entwickelte Produkte weitgehend ohne Altlasten upgraden.

Technische Details der Integration

Die Qseven-Trägerplatine von Connect Tech basierte auf der Prozessorserie Intel Atom Z53xx mit einem Intel SCH-US15W-Chipsatz mit integriertem Grafik- und Speichercontroller sowie ausschließlich von Altlasten freien Schnittstellen. Mit dem Intel Atom, der typisch mit 5 W Leistungsaufnahme läuft, bietet das Qseven-Modul gute Voraussetzungen für Low-Power-Anwendungen, die nach Performance auf Notebook-Niveau verlangen. Das RAM wird für Embedded-Anwendungen fest auf die Leiterplatte gelötet, und optional ist auch ein Solid-State-Drive (SSD) mit 4 GByte oder 8 GByte vorhanden. Neben Windows, Windows CE und Linux kommen auch andere Embedded-Betriebssysteme in Frage.

Bei der Connect-Tech-Trägerkarte der ersten Generation waren sämtliche Ein- und Ausgangs-Steckverbinder für jede Funktion des Congatec-Qseven-Moduls verfügbar. Die hieraus resultierende Notwendigkeit, die PC/104-Karte mit dem kompletten Steckverbindersatz auszustatten, trieb allerdings die Kosten in die Höhe. Connect Tech plant deshalb jetzt einige Varianten mit abgespeckten I/O-Fähigkeiten. Dies ist eine interessante Option möglicherweise für Systementwickler, bei denen zwar der erste Prototyp alle I/O-Varianten benötigt, während das Produktionssystem beispielsweise mit Ethernet und einer seriellen Schnittstelle auskommt. COM-Produkte kommen fast immer in kundenspezifischen Designs zum Einsatz. Ein Systemdesigner, der ein Produktionsvolumen von einigen tausend Stück anpeilt, wird deshalb in der Regel eine passgenau auf die Systemanforderungen zugeschnittene Trägerplatine verlangen und dabei die Kosten genau im Blick behalten. Weniger Steckverbinder bedeuten niedrigere Kosten.

Connect Tech verfügt bereits über ein fertiges Trägerplatinen-Design, von dem sich kundenspezifische Varianten ableiten lassen, was eine deutlich kostengünstigere Option sein kann als ein vollständig kundenspezifisches Design.

Mit der Einführung des Qseven-Moduls Conga-QA6, ausgestattet mit der aktuellen Atom E6xx-Prozessortechnologie mit im Vergleich zum Vorgänger 50 Prozent höherer Grafikleistung und einem industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C, haben die Hersteller von Embedded-Systemen jetzt die Möglichkeit, in PC/104-Gehäusen auf die neueste stromsparende, industrielle PC-Architektur zurückzugreifen.

Vorteile der Atomkraft

Der wichtigste Fortschritt der Prozessoren der Atom-E6xx-Serie besteht darin, dass Grafik, High-Definition-Audio, Speicher-Controller, SM-Bus-Interface und das PCI-Express-Interface in den Prozessor integriert sind. Da der RAM-Zugriff direkt aus dem Prozessor heraus erfolgt, erhöht sich die Verarbeitungsleistung entscheidend – auch bei Ultra-Low-Power-Prozessoren. Eine weitere wichtige Verbesserung in der I/O-Hub-Architektur des Prozessors ist der massive Bandbreitenzuwachs zwischen Prozessor und G20-Hub infolge der PCI-Express-Schnittstelle.

Qseven auf PC/104 aufgepfropft

Bei Verwendung des PC/104-Trägersystems von Connect Tech stellt das Conga-QA6 mit Atom-E6xx-Prozessor eine komplette, stromsparende, leistungsstarke und höchst kompakte PC-Plattform im PC/104-Format zur Verfügung. Wichtig für PC/104-Applikationen ist ferner die Ausstattung mit bis zu 2 GByte eingelötetem RAM-Speicher. Weitere Features sind ein optionales eingelötetes Solid-State-Drive mit bis zu 32 GByte, Gigabit-Ethernet und ein CAN-Bus am Intel G20-Hub. Letzterer bringt eine echte Kosten­ersparnis, wenn das System nur eine einzige CAN-Bus-Schnittstelle benötigt.

Hersteller von PC/104 werden außerdem vom individuell anpassbaren Congatec-BIOS profitieren. Es bietet volle Unterstützung für das neueste AMI Optio UEFI BIOS, voll programmierbaren Multi Stage Watchdog-Support sowie optionale Unterstützung für das Batteriemanagement.

Anbieter von PC/104-Systemen, die auf die COM-Technologie setzen, können dadurch nicht nur eine Palette umfassend skalierbarer Produkte anbieten, sondern auch von erheblich kürzeren Markteinführungszeiten profitieren. Sie haben außerdem die Chance, deutlich früher als die Konkurrenz, jeweils aktuelle Intel-Technologie anbieten können, bei größeren Projekten niedrigere Kosten verzeichnen und höhere Gewinnspannen erzielen. Nicht zuletzt dürfte sich die Wartung der Systeme im Feld wesentlich unkomplizierter gestalten.

(Robert Unseld)