Новые стандарты для встраиваемых систем существенно сокращают их размеры

Так как новые разработки встраиваемых систем совмещают высокоинтегрированные кремниевые чипы, портативные платформы и высочайшую скорость обработки данных, производители внедряют все меньшие форм-факторы, акцентированные на "холодную" надежную и производительную работу.

Продолжающийся тренд на уменьшение размеров промышленных, медицинских, потребительских и других критичных к размеру компьютеров запустил новую волну встраиваемых компьютерных платформ, имеющих очень маленькие размеры. Сочетая открытые и закрытые стандарты, новые платформы дают разработчикам большую свободу выбора готовых компьютерных модулей и периферии для упрощения требовательных к размерам конечных устройств. Несмотря на свои компактные размеры, эти миниатюрныеные модули используют преимущества новых компьютерных чипов, последовательных соединений и искусных технологий рассеивания тепла, что дает значительное увеличение скорости ввода-вывода и обработки данных.

Меньшие форм-факторы стали возможными благодаря фундаментальным изменениям в архитектуре и дизайне встраиваемых устройств и систем. Последние кремниевые технологие интегрируют многопроцессорность, графику и сетевые интерфейсы в один чип, сокращяя таким образом невероятные площади на платах. Высокие скорости данных вынудили инженеров перейти от параллельных многопотоковых шин к последовательным, которые также имеют меньшие размеры. Разработчики продуктов также нашли ряд техник для доставки электропитания, охлаждения и упаковки, что также уменьшило общие размеры систем.

Новые требования маленьких размеров устройств вынудили разработчиков встраиваемых систем перейти к конструированию из готовых модулей с интегрированным процессором и стандартной периферией. Такие стандартизованные компьютерные модули позволяют дизайнерам основательно сократить разовые затраты на разработку (и немного увеличить периодические). Например заменяемая секция процессора дает несколько технических и экономических преимуществ перед традиционными "одноплатными" решениями и производители могут сделать свои устройства с такой процессорной секцией чтобы иметь возможность использовать сеть графику, сложные приложения и операционные системы реального времени, что значительно сокращает расходы на разработку.

Последовательное подключение кроме увеличения скоростей дает уменьшение количества проводников, что уменьшает размеры коннекторов между платами. Последовательные архитектуры, такие как Ethernet, PCIe, Rapid I/O и InfiniBand устраняют большое количество проблем, которые были у параллельных шин. Каждое последовательное соединение - это прямой, точка-точка, тракт данных, обладающий более высокими электрическими характеристиками и лучшей пропускной способностью. Тракт данных может меняться динамически и поддерживать многочисленные одновременные передачи. PCIe - это одна из наиболее популярных технологий благодаря своей совместимости с широким спектром приложений. Базовый канал в PCIe - это две сигнальные пары использующие небольшую разность напряжений и линию постоянного напряжения. PCIe обеспечивает скорость передачи 4Гбит/с в каждом направлении. Разработчики могут увеличивать эту скорость используя дополнительные сигнальные пары (лэйны), пока они не достигнут желаемого уровня. Спецификация PCIe позволяет одно-, двух-, четырех-, восьми-, 16- и 32-лэйновую ширину.

Почти все основные платы включают PCIe наряду с другими шинами расширения чтобы позволить установку новых высокопроизводительных устройств. Например, консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) включил PCIe в спецификацию CompactPCIe. CompactPCIe предоставляет масштабируемые тракты данных с высокой пропускной способностью, пакетизированные протоколы данных и совместимость с PCI железом и драйверами. CompactPCIe в маленьком форм-факторе применила General Micro Systems. Пассивно-охлаждаемый CC40x одноплатный компьютер имеет среднее потребление всего 3.5Вт (первый рисунок). General Micro создало этот модуль на процессоре Intel Atom работающий на скорости 1.6ГГц с 512Кбайтами кэша второго уровня. На плате установлен 1Гб памяти SDRAM и 16Гб флэш-памяти. 6 портов USB2.0, два последовательных порта и два порта SDIO (secure-digital-input/output). В дополнение к этому CC40x содержит графическую подсистему с 3D усорителем которая поддерживает разрешения до 1280х1024 при частоте 85Гц. Цены на такую плату начинаются от $3110.

В продолжение темы маленьких форм-факторов, еще один производитель, MEN Micro, недавно представил компьютерный модуль XM1, собранный в соответствии со стандартом ANSI-VITA (American National Standards Institute VMEbus International Trade Association) RSE (Rugged System-On-Module Express). Этот модуль (вторая фотография) совмещает Intel Atom с 1Гб запаяной DDR2 SDRAM для лучшего рассеивания тепла и уменьшения размеров. Стандарт RSE совмещает компьютер на плате с современными технологиями охлаждения, новейшими последовательными шинами и надежными компонентами для обеспечения высоконадежной работы в суровых условиях авиа- и ж/д транспорта, промышленной автоматизации, медицинских и мобильных приложений. XM1 работает в диапазоне температур от -40 до +85°C и распределяет электрические сигналы на 2 120-пин коннектора последовательной шины. Для использования интерфейса PCIe разработчики могут настроить 4 однолейновых порта и один порт как 16, 8, 2х4 или 2 лэйна. Другие порты включают 3 GbE (Gigabit Ethernet), 8 USB и несколько вспомогательных. Цены на плату начинаются от $567.

Усилия по дальнейшему расширению спецификации PC/104 пошли по нескольким конкурирующим направлениям. Расширение спецификации PC/104 имеет своей целью максимальное использование новейших стандартов передачи данных, и в марте 2008 года, объединенный консорциум PC/104 Embedded Consortium одобрил новую спецификацию PCI/104-Express, которая совмещает шины PCI и PCI Express. Однако версия стандарта PCe/104 жертвует шиной PCI для освобождения дополнительного места на модуле. Разработчики этого стандарата создали новый высокоскоростной физический интерфейс предназначенный для работы в промышленных условиях на рынке встраиваемых систем. Коннектор высотой 15мм совместим со старой PC/104 архитектурой по высоте и допускам. Подробнее об архитектуре PCI/104-Express можно почитать на сайте концорциума PC/104 Consortium.

Другой подход к включению PCIe в архитектуру PC/104 предлжила группа SFF-SIG. Их спецификация Express 104 определяет новый маленький составной модуль. Express 104 опредляет 90х96мм плату с двумя 52-пиновыми высокоскоростными коннекторами SUMIT (stackable-unified-module-interconnect-technology), которые поддерживают PCIe, USB и некоторые популярные интерфейсы ввода-вывода. Тесты целостности сигнала демонстрируют что стэк модулей Express104 обеспечивает скорость данных в 5GTbs. Такие скорости сможет обеспечить только шина PCIe Generation 2. Хотя разработчики могут создать систему на одних лишь SUMIT коннекторах, группа SFF-SIG определили специальную конфигурацию для поддержки старых модулей PC/104.

Третий подход к расширению PC/104 предложила Micro/sys Embedded Systems: составная архитектура базирующаяся на форм-факторе PC/104. Хотя она не включает PCIe, новая архитектура использует современный протокол USB и использует проверенные временем размеры PC/104. StackableUSB поддерживет до 16 периферийных плат, использует преимущества USB Plug and Play и устраняет кабельные соединения со встроенным общим коннектором. Продолжая уменьшать размеры, StackableUSB недавно анонсировала концепцию новых модулей размером в половину и четверть от стандартной PC/104 платы.

COM (computers on modules) Express - другой открытый PICMG промышленный стандарт для разработчиков маленьких форм-факторов. COM Express содержит PCIe на замену шины PCI, PCIe графику на замену AGP, SATA на замену PATA. Независимый от архитектуры процессора, COM Express определяет только стандарт интерфейсов системы ввода-вывода. Компания Congatec недавно выпустила низкомощный conga-CA модуль (на третьей фотографии), соответствующий стандарту COM Express. Модуль основан на процессоре Intel Atom и системном устройстве-контроллере. conga-CA доступен с процессорами от 1.1ГГц до 1.6ГГц, 512Кб кэша второго уровня и 1Гб DDR2 памяти на плате. Среднее потребление электроэнергии модулем составляет менее 5Вт. conga-CA поддерживает 2 PCIe лэйна, 8 USB2.0 портов, два SATA, один IDE интерфейс и high definition аудио от Intel. Дополнительно модуль содержит 2 SDIO слота расширения, шину I²C и Gigabyte Ethernet.

С приходом новой волны стандартов и обновлений, нацеленной на решение проблем передачи данных и охлаждения в системах маленького форм-фактора, разработчики встраиваемых систем могут приобрести много готовых модулей, создание которых с нуля стоило бы значительных средств. Высокопроизводительные готовые процессорные модули со встроенной графикой и сетевыми интерфейсами оставляют командам разработчиков работать над специфичными для их устройств технологиями плюс упаковка. Это существенно ускоряет процесс разработки. Таким образом тесная совместимость и стандартизованные модули для систем маленького форм-фактора представляются очень перспективным направлением развития встраиваемых систем.