De evolutie van industriële rekenharten

Reading time: 8 minutes

Author:

Christian Eder is Marketingmanager bij Congatec in het Duitse Deggendorf.

Systeembouwers die hun ontwikkeltijd en -kosten willen reduceren, kiezen tegenwoordig vrijwel altijd voor computers-op-modules. Deze bieden onder meer een grotere flexibiliteit en een betere schaalbaarheid. De meest voorkomende standaarden zijn ETX (vastgesteld in 2000), Com Express (2004), XTX (2005) en het meest recente QSeven. Dit artikel bepreekt de ontwikkeling van deze Com-standaarden en vergelijkt ze onderling om de sterke en zwakke kanten te laten zien.

Computers-op-modules (Coms) maken inmiddels deel uit van de gevestigde orde in het X86-gebaseerde embedded-computersegment. Het modulaire concept maakt eenvoudige aanpassing van gestandaardiseerde pc-modules mogelijk voor de meest uiteenlopende eindtoepassingen. Het speciaal geproduceerde dragerbord (carrier board) maakt van een normale pc een oplossing op maat. Vooral door de kleine afmetingen en het grote aantal beschikbare interfaces is de module het ideale rekenhart voor talloze industriële toepassingen.

Het is inmiddels acht jaar geleden dat de eerste embedded pc met een modulaire indeling het licht zag. De gebruikte indeling, of vormfactor, droeg de naam Embedded Technology Extended (ETX) en was afgeleid van een Pentium-platform met PCI Isa en bestaande I/O-interfaces. Vandaag de dag voldoet deze standaard echter niet meer. De huidige chipsets en veeleisende toepassingen leggen de lat hoger.

Om een opvolger voor ETX te ontwikkelen die investeringsveiligheid biedt, verenigde een aantal grote spelers zich in de PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PicMG). In 2004 kwam deze groep met de Com Express-module. Dankzij de twee beschikbare groottes en de vijf verschillende pin-outs voor de twee 220-pins aansluitingen, is deze standaard bijna overal inzetbaar in het embedded pc-segment.

Een Com Express-module met een op maat gesneden dragerbordje

Overstappen kan een kostbare aangelegenheid zijn, aangezien Com Express niet compatibel is met ETX. Afmetingen, aansluitingen en interfaces zijn anders of nieuw. De meeste Com Express-borden die momenteel beschikbaar zijn, zijn van het type 2, waarbij de basismodule 125 bij 95 mm groot is. Daarnaast definieert de PicMG-specificatie vijf verschillende pin-outs en er zijn meer dan vier afmetingen van moduleleveranciers in omloop.

Het XTX Consortium had het gevoel dat dit de gebruikers in verwarring zou brengen. Daarom kwam het in 2005 met een eigen standaard. Deze bouwt voort op het succesvolle ETX, maar biedt toch nieuwe interfaces voor de huidige chipsets die gebruikmaken van de bestaande vier 100-pins aansluitingen op het dragerbord. De oplossing van het consortium is eigenlijk vrij simpel: de pin-out van de aansluiting met het Isa-bussignaal voor ETX is opnieuw gedefinieerd. De overige drie aansluitingen, de afmetingen en de koeloplossingen zijn onveranderd gebleven. In tegenstelling tot Com Express is XTX daarom een ’ware‘ opvolger van ETX.

De nieuwste vormfactor is QSeven. De standaard is onlangs opgesteld door een onafhankelijk consortium onder leiding van Congatec in Duitsland en Seco in Italië. Inmiddels ondersteunen meer dan tien partijen de definitie. De naam van de standaard verwijst naar de afmeting van de modules: 7 centimeter in het kwadraat. Met deze footprint is het nog steeds goed mogelijk om een X86-pc-platform te ontwikkelen dat prima presteert, uiterst energiezuinig is en een breed scala aan interfaces biedt.

Terwijl Com Express focust op de beste computerprestaties en een maximumenergieverbruik van 188 watt, richt QSeven zich op ultramobiele toepassingen. Daarbij ondersteunt de standaard slechts een maximaal verbruik van 12 watt. QSeven zet heel duidelijk alle verouderde interfaces overboord en levert een reeks functies die nog vele jaren beschikbaar zullen zijn. Het biedt alleen differentiële, seriële interfaces met hoge bandbreedte en goed EMC-gedrag.

Beschikbare interfaces op de verschillende Com-modules
Interface ETX XTX Com Express (type 2) QSeven
Isa ja nee nee nee
LPC ja ja ja ja
PCI (32 bit) ja ja ja nee
PCI Express nee 4 banen 6 banen + Peg 4 banen
Peg nee nee ja, gedeeld met SDVO nee
USB 2.0 4x 6x 8x 8x
Lan (Mbit) 10/100 10/100 10/100/1000 10/100/1000
Pata 2x 2x 1x nee
Sata 2x (ETX 3.0) 4x 4x 2x
SDIO nee nee ja ja
SDVO nee nee ja, gedeeld met Peg ja, gedeeld
LVDS ja ja ja ja
Displayport nee nee nee ja, gedeeld
HDMI nee nee nee ja, gedeeld
Legacy I/O ja ja nee nee
PS/2 ja ja nee nee
I2C/SMBus ja ja ja ja
Software-Api nee nee nee ja

QSeven is het ideale platform voor ultramobiele technologieën zoals de Intel-processor uit de Atom Z5xx-serie en de Intel System Controller Hub US15W. Deze geoptimaliseerde combinatie verbruikt minder dan 5 watt. In tegenstelling tot de andere Com-standaarden is QSeven specifiek ontworpen voor mobiele en op batterijen functionerende toepassingen. Daarnaast is de vormfactor voorbereid op de toekomst met interfaces die compatibel zijn met de allernieuwste chipsets voor mobiele toepassingen.

Voor QSeven zijn geen dure board-to-board-aansluitingen vereist. De modules maken gebruik van een betaalbare MXM-kaartsleuf met 230 pinnetjes in een configuratie van 0,5 mm. Deze sleuf, die al wordt gebruikt voor grafische kaarten in laptops, maakt het mogelijk om Peg-gegevens (PCI Express Graphics) zeer snel te verzenden. Omdat de CPU-module ’randvingers‘ heeft die in de kaartsleuf worden gestoken, is er geen extra aansluiting op de module nodig, wat de kosten beperkt.

Uitwisselbaarheid

Com Express, XTX en QSeven hebben voor op ETX dat ze over een PCI Express-bus beschikken, een vereiste voor toepassingen met een snelle I/O-integratie. Waar de 32 bit PCI-bus van ETX een theoretische bandbreedte heeft van slechts 133 Mbit per seconde, staat Een x1 PCI Express-baan 2,5 Gbit/s toe in beide richtingen. Com Express-modules van het type 4 en 5 maken zelfs een x16 PCI Express-verbinding mogelijk. De benodigde chipsets hiervoor zijn echter nog niet beschikbaar. Zowel Com Express als XTX ondersteunt nog wel de legacy 32 bit parallelle PCI-bus.

QSeven biedt als enige van de vier een SDIO-interface. Hiermee is het mogelijk om Secure Digital (SD)-kaarten in te zetten voor massaopslag. Tot voor kort gebruikten embedded systemen daar veelal Compactflash voor, aangestuurd via een parallelle IDE-interface. SD is echter geleidelijk goedkoper geworden en nu ook beschikbaar voor industriële toepassingen. De SDIO-interface biedt bovendien meer flexibiliteit. De SD-standaard maakt het mogelijk om functionaliteit als Bluetooth, RFID en WLan toe te voegen met hetzelfde type kaart.

Com Express is de enige vormfactor met ondersteuning voor een PCI Express Graphics-poort (Peg), die de verbinding van een supersnelle videocontroller via een speciale x16 PCI Express-baan mogelijk maakt. Daarmee kan de standaard de grafische uitdaging aan die gamestoepassingen ook aan de embedded-sector stellen. In de chipset geïntegreerde grafische controllers voorzien weliswaar in steeds meer functies en voldoen aan steeds meer prestatie-eisen, maar nog steeds niet aan alle eisen. Com Express met Peg biedt daar meer mogelijkheden. De overige standaarden gebruiken geïntegreerde grafische controllers met een gedeelde geheugenarchitectuur. Dat geeft ook goede prestaties, maar haalt het niet bij de externe Peg-oplossingen.

Eigenschappen van de populairste Com-standaarden

ETX

www.etx-ig.com

XTX

www.xtx-standard.org

Com Express (type 2)

www.picmg.org

QSeven

www.qseven-standard.org

Afmetingen (mm) 95 bij 114 95 bij 114

95 bij 125 (basis)

110 bij 155 (extended)

70 bij 70
Connector 100 pin (4x) 100 pin (4x) 220 pin (2x) 230 pin (direct)
Voedingsspanning (V) 5 5 12 5
Max. energieverbruik (W) 40 40 188 12
Bus PCI, Isa, I2C PCI Express (4x), PCI, LPC, I2C PCI Express (max. 22x), PCI, LPC, I2C PCI Express (4x), LPC, I2C
Audio Analoog Analoog, digitaal (AC‘97/HDA) Digitaal (AC‘97/HDA) Digitaal (HDA)
Video On board, PCI, Isa On board, PCI Express (max. 4x) On board, Peg, SDVO (2x) On board, PCI Express (max. 4x), SDVO
Displayinterface VGA, tv-out, LVDS VGA, tv-out, LVDS VGA, tv-out, LVDS, SDVO LVDS, SDVO, HDMI, Displayport
I/O-bandbreedte (Gbyte/s) 0,6 (ETX 3.0: 0,9) 3,3 12,4 2,9

Voor de ’klassieke‘ aansturing van vlakke beeldschermen ondersteunen de vier vormfactoren Low Voltage Differential Signal (LVDS). De Com-modules hebben extra informatie nodig over het aangesloten scherm, zodat ze zich kunnen aanpassen aan de outputresolutie en de datatiming. Dit bewerkstelligen ze met DisplayID: gegevens in dit standaard formaat van de Vesa (Video Electronics Standards Association) worden via de I2C-bus gelezen vanuit de displayeenheid, waarna het video-Bios ze interpreteert. Dit maakt plug-and-play mogelijk en er hoeven geen ingewikkelde displayaanpassingen te worden gemaakt.

Com Express en QSeven hebben naast LVDS nog een tweede grafische poort voor een extra display. De fysieke signalen uit deze poort worden gebruikt door de Serial Digital Video Out (SDVO). Een hot plug-mechanisme detecteert welk type interface de klant gebruikt en configureert de grafische controller op basis van deze informatie.

Behalve SDVO ondersteunt QSeven ook Displayport en HDMI als aansluiting voor videosignalen. Displayport is een van de nieuwste Vesa-definities en wordt gezien als de belangrijkste kandidaat voor het opvolgen van HDMI, de huidige standaard. Een belangrijke reden hiervoor is dat Displayport gratis en open is. Vergeleken met DVI en LVDS biedt het bovendien een uitbreidbaar, op pakketten gebaseerd protocol dat niet alleen displaygegevens kan overbrengen maar ook extra informatie zoals audio. Met de vier differentiële kanalen kan maximaal 10,8 Gbit per seconde worden verzonden (DVI: 4,95 Gbit/s, LVDS: 2,835 Gbit/s). Dit is het equivalent van zes parallelle HD-tv-videokanalen.

Alle Com-formaten hebben aanvullende functies voor industriële toepassingen, zoals een Bios, gebruikersopslagruimte, helderheidsinstelling van de lcd, de mogelijkheid om de systeemtemperaturen af te lezen, een I2C-bus en een waakhondtimer. Doordat er tot nu toe geen gestandaardiseerde software-interface voor deze functies is vastgesteld, blijkt de theoretische uitwisselbaarheid van Coms in de praktijk moeilijker dan verwacht. Om aanpassingen aan de software te voorkomen, bevat de QSeven-specificatie een consistente software-Api. QSeven-modules van verschillende producenten zijn daarmee gemakkelijk te verwisselen zonder de hardware of software te hoeven wijzigen.

Zijlijn

De Com Express-standaard is niet de manier om tot nieuwe en snelle interfaces te komen die ook nog eens investeringsveiligheid bieden. De standaard ontwikkelt zich eerder uit de richting van langzame, verouderde poorten. Niet alleen de Isa-bus, die de jaren duidelijk begint te voelen, maar ook interfaces als Com, floppy, LPT en PS/2-muis en -toetsenbord worden niet meer ondersteund. De floppy-, parallelle en PS/2-poorten zullen de meeste systeemontwerpers waarschijnlijk niet missen, aangezien er allang afdoende USB-randapparatuur bestaat. Het ontbreken van Com-poorten zal tot meer kritiek leiden, omdat die toch de voorkeur hebben als communicatie- en debugginginterface, vooral in de industriële sector. Dit is waar de XTX-vormfactor punten scoort. QSeven is de standaard met de minste legacy. Het biedt geen ondersteuning meer voor de PCI-bus, maar bevat SDIO en de nieuwe panelinterfaces, Displayport en HDMI.

Marktleider Intel begint de parallelle PCI-bus en parallel Ata echter al naar de zijlijn te manoeuvreren. Nieuwe ontwikkelingen voor ETX worden daar duidelijk door beïnvloed. Op dit moment is XTX, de ’compatibele opvolger‘, al het gepaste alternatief voor alle toepassingen die kunnen functioneren zonder de Isa-bus. Vanwege de ’moderne‘ toewijzing van de Isa-aansluiting zal deze standaard beduidend langer op de markt blijven. Wie een volledig nieuw ontwerp overweegt en daarom het nut van compatibiliteit met ETX niet ziet, zal terugvallen op Com Express voor geavanceerde designs of QSeven voor kleine afmetingen en laag energieverbruik.