Компьютеры на модуле стандарта SMARC 2.0 компании ADLINK

Компьютер на модуле – сравнительно новое решение, предназначенное для упрощения реализации встраиваемых систем. Тем не менее, уже успел сформироваться ряд конкурирующих стандартов, в статье рассказано об одном из них – SMARC. Описаны некоторые модули компании ADLINK, которая входит в число авторов стандарта SMARC.

Солдатов Сергей

235
В ЗАКЛАДКИ

Введение

Компьютер на модуле (COM – Computer-on-Module) совершенствует встраиваемые технологии за счёт использования совместимых и готовых к применению платформ. Применяя COM-модули, компании могут сфокусироваться на основной задаче – разработке собственной системы и несущей платы как базовой электронной конструкции, которые будут взаимодействовать с удалёнными датчиками, приводами и целыми установками.
При этом разработка и настройка COM-модулей может быть передана сторонним разработчикам. Модули, готовые к применению, могут быть доработаны с учётом конкретных требований заказчика и модернизированы по мере необходимости, без дополнительных работ по их интеграции.
На данный момент выделяют три основных стандарта COM – это COM Express, Qseven и SMARC. Несмотря на то что все три стандарта обладают преимуществами в части компактных размеров и энергосбережения, наиболее перспективным видится стандарт SMARC.

Спецификация SMARC

Спецификация SMARC 1.0 (Smart Mobility ARChitecture) для COM-устройств была представлена группой стандартизации встраиваемых технологий SGET (Standardization Group for Embedded Technologies) в 2012 году. Спецификация определяет два форм-фактора устройств (рис. 1): полнораз­мерный модуль (82×80 мм), а также ком­пактный модуль размером с кре­дитную карту (82×50 мм). Устройства, соответствующие данной спецификации, являются весьма миниатюрными, низкопрофильными и обладают малым энергопотреблением.



Модули SMARC применяются в качестве блоков для построения мобильных и стационарных встраиваемых систем. Они используются совместно с несущими платами, которые поддерживают широкий набор шин и различные типы памяти. Модульный подход обеспечивает масштабируемость, необходимую производительность, низкую потребляемую мощность и компактный размер конечного изделия. Также он позволяет снизить затраты на разработку и сократить сроки выхода на рынок.
Ряд системных интеграторов уже предлагает заказчикам как отдельные платы, так и целые системы. А несколько OEM-производителей (Original Equip­­ment Manufacturer – изготовитель комплектного оборудования) выпускают системы на основе модулей SMARC большими сериями. С 2012 года количество участников SGET выросло до 53 членов, и на сегодня все ведущие производители модульных вычислительных устройств имеют SMARC-продукты в своём портфеле изделий.

Спецификация SMARC 2.0

В июне 2016 года была опубликована спецификация SMARC 2.0. В данной спецификации группе SGET удалось найти баланс между обеспечением обратной совместимости с сохранением уже сделанных инвестиций и реализацией поддержки перспективных интерфейсов, ориентированных на будущее.
Условные обозначения: eDP0/1 –универсальный встраиваемый дисплейный интерфейс для мобильных устройств; DP++ – интерфейс дисплея Dual-Mode DisplayPort для поддержки разрешений до Ultra HD/4K; LVDS – низковольтная дифференциальная передача сигналов, ch0/ch1 – канал 0 и 1 соответственно; HDMI – интерфейс для мультимедиа высокой чёткости; CSI0/1 2/4 lanes – последовательный интерфейс камеры; PCIe – интерфейс PCI Express; GbE – гигабитный Ethernet; DSI – последовательный интерфейс для подключения дисплея; USB – USB-интерфейс; SATA – SATA-интерфейс; ESPI – расширенный SPI-интерфейс; SPI – последовательный периферийный интерфейс; SDIO (4 bit) – интерфейс для подключения периферийных устройств через SD-слот; GPIO – интерфейс ввода/вывода общего назначения; I2C – интерфейс I2C; UART – последовательный интерфейс; CAN – CAN-интерфейс; I2S0 – интерфейс электрической последовательной шины, использующийся для соединения цифровых аудиоустройств; HDA – цифровой аудиоинтерфейс; Support Signals – вспомогательные линии; VDD_IN 10x – питание.
Новая спецификация SMARC 2.0 использует все 314 контактов MXM-разъёма (рис. 2) и представляет собой новый этап развития миниатюрных устройств размером с кредитную карту, имеющих большое количество интерфейсов в ограниченном пространстве.
Основным требованием данной спецификации было то, что сигналы интерфейсов, которые практически не используются или, скорее всего, будут заменены в ближайшее время более современными интерфейсами, было разрешено переназначить для других задач. Другим важным требованием было, чтобы компоненты платы не получили электрическое повреждение при случайной установке модуля 2.0 в несущую плату SMARC 1.1, или, наоборот, при установке модуля SMARC 1.1 на несущую плату спецификации 2.0. Тем самым продлеваются сроки использования существующих разработок после окончания производства модулей SMARC 1.1. Стоит отметить, что большинство основных интерфейсов, поддерживаемых в спецификации 1.1, не изменилось и в версии 2.0.
Но что же ещё привнесла спецификация 2.0? Прежде всего, появились новые интерфейсы для подключения дисплея. Технологии отображения, используемые в SoC (System-on-Chip – система на кристалле), быстро развивались в последнее время, что привело к добавлению нового интерфейса дисплея DP++ (Dual-Mode DisplayPort) c поддержкой Ultra HD/4K разрешением 3840×2160 пикселей. Поддержка DP++ упрощает реализацию DVI- и HDMI-дисплеев, поскольку всё, что требуется, – это преобразование уровня электрического сигнала из TMDS в LVDS. Кроме того, поскольку одноканальный LVDS в SMARC 1.1 стал двухканальным LVDS в 2.0, этот интерфейс теперь может управлять двумя дисплеями с низким разрешением или одним с высоким разрешением. В зависимости от того, какой процессор используется, интерфейс может поддерживать до 1920×1200 пикселей при частоте 60 Гц. С другой стороны, параллельный ЖК-интерфейс больше недоступен, поскольку в SoC-системах редко поддерживается ARM/x86 верхнего уровня. Интерфейс HDMI/DP не изменился, разработчики могут подключать до трёх цифровых дисплеев высокого разрешения через современные последовательные интерфейсы. Существующие несущие платы с одноканальным LVDS и HDMI могут использоваться с модулями SMARC 2.0 так же, как и раньше.
Надо отметить, что значительно возросло число USB-интерфейсов. В предыдущей версии было всего три USB-порта (без учёта блоков альтернативных функций, AFB – Alternate Function Blocks), теперь поддерживается до шести USB-портов High Speed 2.0 с пропускной способностью 480 Мбит/с. Дополнительно реализованы два интерфейса SuperSpeed версии 3.0, обеспечивающих впечатляющие 4000 Мбит/с каждый. Это особенно важно для высокоскоростных Plug&Play-устройств хранения информации, а также высокоскоростных камер и специальных решений для видеозахвата или цифровых сигнальных процессоров. Для всех существующих USB-интерфейсов поддерживается одинаковое назначение контактов.
Поддержка не одного, а двух гигабитных интерфейсов Ethernet позволяет реализовать подключение нескольких устройств через одно промышленное устройство, тем самым уменьшая количество кабелей за счёт реализации линейных или кольцевых топологий вместо топологии «звезда». Встроенная поддержка второго интерфейса Ethernet также является плюсом для IoT-шлюзов (IoT – Internet of Things, Интернет вещей) при работе в системах с вертикальной интеграцией, где один Ethernet-порт соединяется с полевым уровнем, а другой – с уровнем управления.
В тех случаях, когда имеющихся на модуле интерфейсов недостаточно, возможно расширение за счёт четырёх интерфейсов PCIe. Три PCIe совместимы со SMARC 1.1. Одна из двух шин SPI была обновлена до версии eSPI/SPI, а вместо трёх интерфейсов I2S (I2S 2 для HDA) и SPDIF теперь поддерживается 1×I2S (на платформе ARM) и 1×HDA (на платформе x86). Поддержка HDA особо важна для интеграции, поскольку кодеки HDA гораздо больше стандартизированы, чем I2S. Тем не менее, I2S тоже поддерживается, поэтому гибкость и бо́льшая энергоэффективность, которые предлагает эта шина, по-прежнему доступны разработчикам.
Спецификация SMARC 2.0 больше не поддерживает параллельный интерфейс камеры и параллельные интерфейсы ЖК-дисплеев. Кроме того, больше не поддерживаются интерфейсы eMMC/SD (8 бит), так как в большинстве случаев они уже реализованы в COM-модуле в качестве загрузочного носителя. Также разработчики должны в дальнейшем исключить применение редко используемых вспомогательных сигналов PCIe.
Что не изменилось: поддержка 1×SATA, 12×GPIO, 2×CAN, 1×SDIO (4 бит), 4×UART, 1×HDMI, 1×SPI и 4×I2C. Значительные улучшения были достигнуты за счёт устранения блоков альтернативных функций (AFB). Поскольку был очень большой разброс в функциональности AFB, это приводило к различиям в конструкции несущей платы в SMARC 1.1, которые нельзя было заменить один в один. В SMARC 2.0 область AFB была заменена специальной фиксированной распиновкой.
Когда дело доходит до количества интерфейсов в ограниченном пространстве, новая спецификация SMARC 2.0 является подходящей платформой для реализации высокоинтегрированных компьютеров на модуле в формате кредитной карты. При сравнении набора функций, например, с прародителем всех ведущих спецификаций COM ETX очевидно, что существующие модули SMARC поддерживают значительно более современные интерфейсы, несмотря на их меньшую площадь. Одной из причин является высокий уровень интеграции новейших процессоров.
Ещё одним существенным фактором стал переход на последовательные шины. Все маломощные и ультрамаломощные процессоры могут быть использованы для реализации SMARC-платформы. Модули SMARC 1.1 могут быть реализованы, например, на следующих процессорах: Altera Cyclone V, AMD Embedded G-Series, Freescale i.MX6, Intel® Atom E3800, Intel® Quark, Nvidia Tegra, а также Texas Instruments ARM Cortex A8 и A9.

Модули стандарта SMARC 2.0 компании ADLINK



Первыми продуктами, выполненными по новой спецификации SMARC 2.0, стали LEC-AL и LEC-iMX6/2GbE. С их характеристиками можно ознакомиться в табл. 1, там же приведены для сравнения характеристики модулей, выполненных по спецификации 1.1. Все SMARC-решения обладают крайне низким энергопотреблением и имеют следующие характеристики:
  • потребляемая мощность модуля от 2 до 6 Вт во время активной работы;
  • все модули безвентиляторные, с пассивным охлаждением;
  • низкая потребляемая мощность в режиме ожидания;
  • оптимизированы для работы от батареи;
  • напряжение ввода-вывода по умолчанию 1,8 В.
Модули нового поколения SMARC с современными процессорами Intel® Pentium и Celeron могут применяться в мобильных устройствах и промышленной автоматизации, медицинском оборудовании, аппаратуре для испытаний и измерений, а также в рекламных дисплеях и на транспорте. Благодаря проверенной технологии Extreme Rugged от ADLINK новые модули могут работать в расширенном диапазоне температур –40…+85°C.
В сочетании с облачной платформой ADLINK SEMA (Smart Embedded Management Agent), которая позволяет осуществлять удалённый мониторинг и управление встроенными платформами SMARC, новый модуль SMARC 2.0 станет отличным строительным блоком для разработки устройств, обеспечивающих безопасную связь IoT-устройств с облаком.

Поддержка клиентов

Для клиентов, использующих модули SMARC от ADLINK, большая часть разработки уже выполнена. Хотя прототипы модулей состоят из 8–12-слойных печатных плат, несущие платы обычно требуют только 4, 6 или 8 слоёв, поскольку конструкция периферийных интерфейсов менее сложная.
ADLINK предлагает специалистам поддержку разработки несущих плат, например, путём предоставления типовых схем вместе с результатами моделирования электрических сигналов и потребляемой мощности.
Помимо этого ADLINK предоставляет дополнительные ресурсы для разработки, услуги по проектированию специализированной несущей платы и при необходимости сотрудничает на местном уровне с различными проектно-конструкторскими бюро сторонних производителей, которые также предлагают услуги по проектированию несущей платы стандарта SMARC. Это позволяет OEM-производителям, где бы они ни находились, быстро и эффективно получить индивидуальные модульные платформы (рис. 3).



  Для сокращения времени выхода разрабатываемых продуктов на рынок ADLINK предлагает стартовые комплекты разработчика (табл. 2), которые содержат практически всё необходимое для самостоятельной разработки (рис. 4).


По запросу предоставляются готовые к применению образы стандартных операционных систем с предварительно интегрированными BSP (Board Support Platform – платформа поддержки платы), включая Windows 10 IoT Enterprise, Windows 10 IoT, Core и Yocto Linux, VxWorks и Android BSP.

Заключение

ADLINK – одна из немногих компаний на рынке встраиваемых систем, которая не просто разрабатывает устройства, но и изготавливает их. Опыт производства, а также контроль над всеми технологическими процессами дают существенные преимущества по сравнению с другими поставщиками. Клиенты получают превосходное качество и длительные сроки доступности устройств даже в тяжёлых промышленных условиях. Вместе с высокой доступностью продуктов и всесторонней поддержкой это приводит к снижению общей стоимости владения нового оборудования.
SMARC – это новый стандарт для промышленной автоматизации. Низкая потребляемая мощность (до 15 Вт), компактность, а также широкие возможности масштабирования и множество встроенных интерфейсов позволяют применить его для широкого круга задач. В свою очередь, ADLINK является одним из создателей SMARС и имеет большой опыт внедрения встраиваемого оборудования. В совокупности это делает выбор SMARC-модулей от ADLINK наиболее верным решением. ●

E-mail: ssacompany@mail.ru


ПОДПИСАТЬСЯ НА НОВОСТИ

Будьте всегда в курсе самых свежих новостей
и узнавайте первыми о содержании нового номера

Подписка на новости