FA143 Modulstandards
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Modulstandards im Vergleich Möglichkeiten und technische Limits der verschiedenen Aufsteck-Boards 1 Seit knapp 2 Jahrzehnten sind Aufsteckmodule verfügbar, die über standardisierte Schnittstellen an ein Doch was bedeuten diese Abkürzungen, Base-Board kontaktiert werden können. Die eindeu- welche Schnittstellen verbergen sich tigen Vorteile bescheren diesen Modulen eine immer dahinter und wo haben diese Konzepte stärker wachsende Nachfrage: Geringere Entwick- Ihre Vorteile im Vergleich zu anderen? lungszeit und -kosten, Verfügbarkeit, Skalierbarkeit von Performance und Preis, die Austauschbarkeit zwischen unterschiedlichen Anbietern und die Reduzierung von Risiken durch das Verwenden von zertifizierten Modulen Nachfolgend werden die geläufigen Abkürzungen rund sind Gründe, sich für Plug-On Boards zu entscheiden. um das Thema Plug-On Modul-Lösungen und Begriffe inkl. deren Schnittstellen und deren Möglichkeiten Die Anforderungen hinsichtlich Größe, Preis, Verfüg- näher erklärt. barkeit und die rasch voranschreitenden Chip-Tech- nologien stellen die Anbieter von Systemlösungen vor Package on a Package (PoP) Herausforderungen, die jedoch durch die Verwendung von Aufsteck-Modulen sehr gut managebar sind. Sind Ein „Package on a Package“ stapelt Einzel-Packages während der Designphase Anforderungen an Perfor- in Form von kleinen bestückten Platinen vertikal über- mance, Schnittstellen, Abmessungen, aber auch z.B. einander, welche durch Ball-Grid-Arrays miteinander Temperaturbereich und Störaussendung definiert, kann verbunden werden. Sozusagen wird eine komplexe meist sehr unkompliziert eine passende Board-Lösung Schaltung flächentechnisch in kleinere Bereiche unter- und der damit verbundene Standard-Formfaktor für teilt, übereinander angebracht und miteinander verlötet, das Trägerboard gewählt werden. um eine möglichst kleine Baugröße zu erreichen. Packages können diskrete Komponenten (Speicher, CPU Das Wissen, welche Vorteile die jeweiligen Standards usw.) oder ein „System in a Package“ sein, das mit einem aufweisen, um den geeignetsten für die Kundenan- anderen Package verbunden wird, um zusätzliche forderung zu wählen, hilft HEITEC bereits in der Kon- Funktionen zu ermöglichen. PoP gewährleistet mehr zeptphase einer Kundenanfrage. Bei Projektanfragen Packungsdichte und vereinfacht Leiterplattendesigns. beschreiben Kunden häufig lediglich die Funktionen Die kurzen Verbindungen zwischen den Komponenten und Randbedingungen wie max. Größe, Temperaturbe- können zudem die Signalausbreitung verbessern. reich des Einsatzgebietes usw., die Umsetzung obliegt dann jedoch dem beauftragten Unternehmen. Hier System on a Chip (SoC) kann HEITEC auf ein großes Repertoire an Standards, Anwendungsbeispielen und langjährige Erfahrungen im Ein System on a Chip vereint alle erforderlichen Embedded Markt zurückgreifen, um die bestmögliche Komponenten eines Computers zu einem einzigen Lösung auch hinsichtlich Langzeitverfügbarkeit und Chip oder einer integrierten Schaltung. Allgemein kann Traceability für den Kunden zu bieten. ein SoC um einen Mikrocontroller (bestehend aus CPU, RAM, ROM & Peripherie) oder einen Mikroprozessor PoP, SiP, SoM, SoC, CoM sind Akronyme und (CPU) herum aufgebaut sein. Initialismen, mit denen man im Bereich der Aufsteck- Lösungen regelmäßig konfrontiert wird. Software für einen SoC abstrahiert gewöhnlich die Funktionalität, so dass sie einfach programmiert und mit ihr verbunden werden kann. Der Vorteil eines SoC ist, dass diese Lösung kostengünstig und energieeffizient ist. Nachteilig ist die fehlende Erweiterbarkeit in ihrer Konfiguration einer SoC-Lösung im Gegensatz zu einem Full-Size- Computer. 2 System on a Module (SoM) (VDC) geprägt und erschienen erstmals im Bericht des VDC über „The Global Market for Merchant Computer Ein System on a Module (SoM) ist eine Schaltung auf Boards in Real Time and Embedded Applications“ vom Leiterplattenebene, die eine Systemfunktion in einem November 2001. Ab dem Beginn der Industrialisierung einzigen Modul integriert. Es kann digitale und analoge des COM Express-Formats im Jahr 2005 wurden die Funktionen auf einer einzigen Karte integrieren. Eine Begriffe immer präsenter. typische Anwendung liegt im Bereich der Embedded Systeme. Im Gegensatz zu einem Full-Size-Computer Durch die Standardisierung von Schnittstellen wurden erfüllt ein SoM eine spezielle Funktion, ähnlich wie die bis zu diesem Zeitpunkt bereits existierenden zahl- ein SoC, jedoch nicht auf Chip-, sondern auf Leiter- reichen Vorteile weiter erweitert, boten den Herstellern plattenebene. unter anderem die Flexibilität zum Einsatz von CoMs desselben Schnittstellenstandards verschiedener Computer on a Module (CoM) Hersteller und zudem eine Reduzierung der Time-to- Market (TTM). Computer on Module Lösungen sind komplette Embedded-Computer, die auf einer einzigen Leiter- Weitere Vorteile des Einsatzes von CoM-Produkten platte aufgebaut sind. Das Design basiert auf einem anstelle von aufwändigen Neu-Entwicklungen sind die Mikroprozessor mit RAM, Ein-/Ausgabesteuerung und Risikoreduktion, Kosteneinsparung, die Auswahl aus allen weiteren Eigenschaften die ein funktionsfähiger einer Vielzahl von CPUs aktueller Technologie bzw. Computer auf einer Leiterplatte benötigt. Im Generation, reduzierte Aufwände für das Kundendesign Gegensatz zu einem Full-Size-Computer fehlen dem sowie die Möglichkeit, sowohl Hard- als auch CoM jedoch in der Regel die Standardanschlüsse für Softwareentwicklung parallel durchzuführen. Ein-/Ausgabeperipheriegeräte, die direkt an das Board angeschlossen werden können. Rückblickend gibt es kein klares „Erstes Computer on Module“ Produkt, da eine Vielzahl kleiner kompo- Die Module müssen in der Regel auf einem Baseboard nentenartiger Single Board Computer bereits auf dem kontaktiert werden, das den Bus und die I/O-Signale zu Markt vertreten waren, als VDC den Begriff einführte. Standard-Peripheriesteckern führt. Eine Lösung auf CoM-Basis bietet ein Computersystem für den Einsatz in kleinen oder speziellen Anwendungen, Welche standardisierten Computer on die einen geringen Stromverbrauch oder eine geringe Module-Formate existieren, wodurch physikalische Größe erfordern, wie sie in Embedded- unterscheiden sich diese und wo finden Systemen benötigt wird. Da eine CoM Lösung sehr diese Verwendung? kompakt und hochintegriert ist, können auch komplexe CPUs, einschließlich Multicore-Technologie, auf einem CoM realisiert werden. Ein bekannter CoM-Standard ist COM Express. Einige CoMs basieren auf FPGA (Field Programmable Daneben sind weitere offene CoM-Standards wie Gate Array)-Lösungen, deren Funktionen als IP-Cores SMARC, Qseven, ESM, ETX, XTX, PMC, FMC und auf dem CoM selbst oder auf der Trägerkarte hinzu- XMC zu nennen. gefügt werden können. Die Verwendung von FPGA IP Cores erhöht die Modularität eines CoM Konzeptes, Weiter sind proprietäre CoM-Formate verfügbar, die z. B. da I/O-Funktionen ohne aufwändige Umverdrahtung das Design von SODIMM- und MXM-Steckverbindern auf der Leiterplatte an spezielle Bedürfnisse angepasst modifizieren, während andere Formate beliebige werden können. Board-Größen und verschiedene Arten von Leiter- plattensteckverbindern (z.B. für hohe Datenraten) Die Begriffe Computer on Module bzw. CoM wurden aufweisen. vom Marktforscher „Venture Development Corporation“ 3 1997 – PC/104-Plus 2003 – PCI/104 2010 – FMC 2021 – COM-HPC 2001 – PMC 2005 – COM Express 2013 – ESMexpress 2006 – XMC 2005 – XTX 2013 – SMARC 2000 – ETX 2003 – PPMC 2010 – Qseven 2015 – PCI/104-Express 2008 – PCIe/104 OneBank & PCIe/104 1992 – PC/104 2002 – ESM & PCI/104-Express OneBank Abb. Entwicklungsgeschichte der CoMs Standards wie PCI, IDE und ATA nicht mehr in der Lage sind, das volle Potenzial moderner CPUs, Grafikpro- ETX (Embedded Technology eXtended) zessoren (GPUs) und schneller Speicher auszureizen. ETX ist ein integrierter und kompakter Computer on XTX (extended lifecycle for ETX) Module Formfaktor (95x114mm), der in einem Layout für integrierte Schaltungen verwendet werden kann. XTX ist eine Erweiterung und Fortsetzung des ETX integriert Kern-CPU und Speicherfunktionalität ursprünglich sehr erfolgreichen ETX-Standards. Da der sowie die gemeinsame I/O, USB, Audio, Grafik und ISA-Bus in modernen Embedded-Anwendungen immer Ethernet eines PCs. weniger eingesetzt wird, bietet XTX eine Reihe von neuen Features. Zu diesen Merkmalen gehören neue serielle ETX Boards sind mit Prozessoren der x86 Architektur Hochgeschwindigkeitsbusse wie PCI Express und Serial wie AMD Geode, BIA, Intel Atom, Pentium, Celeron und ATA. Alle anderen Signale bleiben nach dem ETX- Core Duo Prozessoren erhältlich. Alle I/O-Signale sowie Standard identisch und sind somit vollständig eine vollständige Implementierung von ISA- und PCI- kompatibel. Wenn die Embedded-PC-Anwendung Bus werden durch vier Steckverbinder abgedeckt. Über weiterhin den ISA-Bus benötigt, kann eine ISA-Brücke die Steckverbinder werden der PCI-Bus, der ISA-Bus auf dem anwendungsspezifischen Baseboard sowie die PC-Schnittstellen wie z.B. USB, der IDE-Bus implementiert werden, oder ein entsprechend usw. auf das Baseboard geführt. verfügbarer LPC-Bus auf dem Modul verwendet werden. Der Standard spielt heute im CoM-Bereich keine große Die größere I/O-Bandbreite von XTX bietet ETX-Ent- Rolle mehr, da die von ETX unterstützten Legacy-I/O- wicklern eine kostengünstige Upgrade-Möglichkeit auf 4 leistungsstärkere Prozessoren ohne Redesign des einen Unterschied z.B. zu PC/104 Modulen darstellt. Baseboards. Im Verhältnis zu den Anforderungen Anders als klassische CoM-Konzepte unterstützen