Процессоры постоянно совершенствуются, появляются новые стандарты и высокоскоростные последовательные интерфейсы, разработка новой процессорной платы для каждого поколения процессоров и внедрение современных интерфейсов ввода-вывода – это дорогостоящая и трудоемкая задача.
Вариантом решения может быть использование готовых встраиваемых процессорных модулей, например, компьютерных модулей (Сomputer on Module – CoM) или Систем на модуле System on Module – SoM), одноплатных компьютеров (Single Board Computer – SBC) или материнских плат (Motherboard).
Применение компьютерных модулей предлагает некоторые явные преимущества, например, необходимую производительность и наличие базовых интерфейсов ввода-вывода в компактном форм-факторе. Что еще более важно, компьютерные модули могут помочь разработчикам вычислительных систем сократить время реализации проекта, снизить стоимость разработки, свести к минимуму проектные риски, упростить обновление системы в будущем, обеспечить масштабируемость и увеличить срок службы разрабатываемого изделия.
Преимущества модульного построения
Доступные на рынке встраиваемые процессорные модули построены на базе современных высокопроизводительных процессоров, имеют встроенную поддержку различных интерфейсов ввода-вывода и компактный форм-фактор.
Компьютерные модули (КМ) – хороший выбор для индустриальных применений, особенно где решения на базе стандартных одноплатных встраиваемых компьютеров неэффективны.
Элементы структуры компьютерного модуля
1. Центральный процессор (CPU)
Центральный процессор — это мозг любого компьютерного модуля. Он отвечает за выполнение инструкций программного обеспечения и управление всеми остальными компонентами. В зависимости от назначения модуля, CPU может иметь различную архитектуру и производительность.
2. Оперативная память (RAM)
Оперативная память используется для временного хранения данных и команд, необходимых для выполнения текущих операций. Чем больше объем оперативной памяти, тем быстрее работает система.
3. Постоянная память (ROM/Flash)
Постоянная память предназначена для долговременного хранения данных и программного обеспечения. Это может быть встроенная Flash-память или съемные носители информации.
4. Интерфейсы ввода-вывода (I/O)
Интерфейсы ввода-вывода обеспечивают связь между модулем и внешними устройствами. К ним относятся USB, Ethernet, HDMI и другие интерфейсы.
5. Питание
Система питания включает в себя преобразователи напряжения и стабилизаторы тока, обеспечивающие стабильное питание всех компонентов модуля.
Плата-носитель
Плата-носитель — это основа, на которой размещаются все элементы компьютерного модуля. Она обеспечивает электрическое соединение между компонентами и защиту от внешних воздействий.
Основными частями платы-носителя являются:
- Печатная плата — многослойная структура, состоящая из проводников и изоляционных слоев.
- Разъемы подключения — разъемы для подключения модулей и внешних устройств.
- Фильтры и защитные цепи — элементы защиты от перегрузок и помех.
Все стандартные функции персонального компьютера, такие как графика, Ethernet, звук, оперативная и постоянная память или интерфейсы для ее подключения, параллельный и последовательный порты, порты USB и системные шины (PCIe, PCI, ISA, I2C, SPI, LPC) размещаются в стандартном модуле. Пользователю нужно лишь добавить специально разработанную несущую плату (плату-носитель) для реализации определенных функций. На несущей плате размещаются все интерфейсные разъемы для подключения системы к периферийным устройствам, таким как жесткие диски, дисплеи и т. д.
Плата-носитель с компьютерным модулем
Имея компактный размер и широкий набор интерфейсов, выводимых через стандартные разъёмы, КМ позволяют совмещать современную компьютерную функциональность, специализированные интерфейсы и функциональность приложения в рамках одной встраиваемой системы. КМ широко применяются как для решения тех задач, которые невозможно эффективно решить с помощью стандартных встраиваемых плат, так и для решения задач обновления технического решения наследственных или устаревших систем.
Применение КМ может помочь производителям промышленного оборудования реализовать современные требования, сократив затраты и время разработки, необходимые для изменения существующих конструкций и расширения ассортимента продукции. Это справедливо, в частности, для устройств, которым требуется долговечность (жизненный цикл от 10 до 30 лет), а также современные производительность и возможности ввода-вывода.
При использовании КМ разработку аппаратной и программной частей решения можно вести параллельно. В то время, когда инженеры-схемотехники работают над архитектурой и трассировкой платы-носителя, программисты могут отрабатывать прикладное ПО, используя КМ и отладочную плату, предоставляемую производителем КМ специально для таких целей. Как правило, отладочные платы содержат большой набор интерфейсов, через который можно подключить необходимые модули расширения на основе стандартных форм-факторов и смоделировать аппаратную архитектуру системы.
К другим экономическим преимуществам использования КМ относятся возможность построения линейки продукции на базе КМ различной производительности, выбора производителя КМ с наилучшим соотношением цена/качество и другие возможности, актуальные для мелкосерийных производств и узкоспециализированных рынков.
Быстрота вывода продукции на рынок и гибкость при дальнейшей её модернизации являются серьезными преимуществами решений на базе КМ. Однако при принятии решения о начале использования КМ стоит серьёзно задуматься о наличии достаточного опыта и знаний для безошибочной разработки платы-носителя. Если такого опыта немного, лучше заказать разработку платы-носителя у производителя КМ. Если опыта достаточно и есть желание всё сделать самим, то, как минимум, нужно получить детальную консультацию, а ещё лучше, верифицировать у производителя КМ свой дизайн платы-носителя.
Обзор рынка
Мировой рынок КМ неуклонно растет с момента выпуска первого стандарта COM Express в 2005 году. С тех пор КМ нашли применение в самых разных вычислительных приборах и приложениях, особенно тех, которые требуют компактного размера и гибкого подхода для модернизации и адаптации под различные применения. Телекоммуникационное оборудование и аппаратура связи, сетевые устройства, игровые автоматы, устройства промышленной автоматизации и здравоохранения уже много лет назад начали применять КМ для реализации технических требований к оборудованию. КМ и их масштабируемая архитектура особенно привлекательны для новых высокопроизводительных приложений, таких как искусственный интеллект (ИИ), Интернет вещей, машинное зрение (ML), периферийные вычисления и аналитика и другие высокопроизводительные приложения.
Одноплатные компьютеры и материнские платы поставляются такими как есть и ограничены в возможностях адаптации при изменении функционала устройства или при эволюции отраслевых приложений. При этом КМ продолжают развиваться в части расширения производительности и функционала благодаря активному и растущему сообществу специализированных организаций по стандартизации и ведущих поставщиков встраиваемых систем.
По данным международного рейтингового агентства VDC Research VDC (Рисунок 4), мировой рынок встраиваемых компьютерных модулей начиная с 2020 г. показывает рост в 12.4% и к 2025 г. достигнет уровня 5.51 млрд. долларов США.
Популярность модулей COM Express основана на заложенной в стандарт гибкости, наличии нескольких типов размеров и назначений контактов при использовании общих разъемов и монтажных отверстий. КМ COM Express поддерживают высокоскоростные последовательные интерфейсы, включая PCI-Express Gen 3, 10GbE, USB 3.0, SATA, а также графику высокого разрешения. Альтернативные архитектуры, такие как Qseven и SMARC, имеют свои уникальные преимущества, например, использование процессоров с архитектурами ARM, x86 и RISC-V
Стандарты
Для компьютерных модулей существует множество стандартов и форм-факторов, позволяющих быстро и эффективно создавать решения для тех или иных приложений практически во всех отраслях промышленности, телекоммуникаций, систем безопасности, транспорта, энергетики и др. Далее будут представлены стандарты компьютерных модулей ETX, QSeven, SMARC СOM Express, COM-HPC как наиболее популярные среди разработчиков и пользователей встраиваемых систем.
ETX
Исторически спецификация ETX (англ. Embedded Technology eXtended) появилась самой первой, с данной спецификации, разработанной компанией Kontron, фактически началась эра КМ.
Главная особенность данной спецификации заключается в наличии шины ISA. Соответственно, КМ, производимые по данной спецификации, как правило, выбираются заказчиками тогда, когда им нужна данная шина.
Габаритные размеры модулей ETX.
Размер платы составляет 95 × 114 мм. Все сигналы ввода-вывода, а также полноценная реализация шин ISA и PCI выводятся на четыре низкопрофильных разъема типа HIROSE на нижней стороне платы.
Основные параметры наиболее популярных типов КМ
|
Стандарт |
Габаритные |
Основное |
Максимальное |
Разъемы соединения |
Базовые интерфейсы |
|
ETX |
95×114 |
5 |
В спецификации не |
Четыре разъема по 100 |
X1: PCI, USB, Audio; X2: ISA; X3: VGA, |
|
Qseven |
70×70 или |
5 |
12 |
230-контактный краевой |
4×PCI Express×1, 2×SATA, 4×USB 2.0, |
|
SMARC |
82×50 или |
5 |
15 |
314-контактный краевой |
4×Ethernet + 2×PCIe или 2×Ethernet + |
|
COM Express |
55×84 |
12 |
68 |
Один разъем с 220 |
4×PCI Express, 8×USB 2.0, 2×USB 3.0, |
|
COM Express |
95×95 |
12 |
137 |
Два разъема по 220 |
24×PCI Express, 8×USB 2.0, 4×USB 3.0, |
|
COM Express |
95×125 |
12 |
137 |
Два разъема по 220 |
24×PCI Express, 8×USB 2.0, 4×USB 3.0, |
|
COM Express |
95×125 |
12 |
137 |
Два разъема по 220 |
32×PCI Express, 4×USB 2.0, 4×USB 3.0, |
|
COM-HPC / |
Размер A: |
12 или |
251 |
Два разъема по 400 |
49×PCI Express, 2×MIPI-CSI2/3, 2×10/25 Gb |
|
COM-HPC / |
Размер D: |
12 |
358 |
Два разъема по 400 |
65×PCI Express, 8×10/25 Gb Ethernet, |
|
COM-HPC |
95×70 |
8–20 |
107 |
Один разъем с 400 |
16×PCI Express, 2×MIPI-CSI, 2×NBASE-T, |
QSeven
Родоначальниками спецификации Qseven являются компании Congatec и Seco. Данная спецификация была разработана с целью удешевления КМ, сделав их более доступными и более приемлемыми для относительно лёгких и простых приложений.
Модули имеют стандартизированные габариты 70 × 70 или 40 × 70 мм. Данная спецификация предполагает использование всего одного разъёма типа MXM (такие разъёмы широко применяются для подключения высокоскоростных графических карт PCI Express в ноутбуках), устанавливаемого на плате носителе, и краевых двухсторонних контактов на плате КM.
Габаритные размеры модулей QSeven.
Спецификация позволяет выводить дополнительные (определяемые производителем) интерфейсы ввода вывода в специально предназначенном для этого месте на плате КМ. Низкий бюджет теплового рассеяния предполагает использование маломощных процессоров, что в совокупности с возможностью отвода тепла через специальную теплопроводящую пластину позволяет создавать безвентиляторные решения.
Qseven позволяет использовать процессоры с архитектурой x86 и ARM. Благодаря своей тонкой конструкции модули Qseven помещаются в компактные корпуса и, таким образом, идеально подходят для мобильных приложений и приложений IoT.
Внешний вид модуля Qseven
SMARC
Стандарт SMARC («Smart Mobility ARChitecture») разработан консорциумом SGET в 2013 году. Модули стандарта быстро стали очень популярными масштабируемыми строительными блоками, позволяющими разработчикам создавать приложения нового поколения.
Модули SMARC предназначены для создания компактных вычислительных устройств с низким энергопотреблением. Область применения модулей SMARC постоянно расширяется по мере развития технологий Интернета вещей и искусственного интеллекта – от решений по автоматизации производства до обработки изображений, мультимедиа и т.п.
Кроме того, модули SMARC зарекомендовали себя при создании компактных портативных устройств, где энергопотребление не должно превышать нескольких ватт, а вычислительная мощность должна быть особенно высокой.
Модули могут быть построены на процессорах с архитектурами ARM, X86 или RISC – аналогичных тем, которые используются во многих привычных устройствах, таких как планшетные компьютеры и смартфоны.
Спецификация определяет два размера модуля: 82 мм × 50 мм и 82 мм × 80 мм.
Габаритные размеры модулей SMARC.
Печатные платы модуля имеют 314-контактный краевой разъем, который соединяются с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом на несущей плате.
Внешний вид модуля SMARC
СOM Express
Стандарт COM Express описывает четыре типоразмера КМ, называемые Mini, Compact, Basic и Extended. Все четыре типоразмера имеют перекрывающиеся механические узлы, стандартизированные высоту и теплораспределители.
Модули размера Mini предназначены для компактных мобильных приложений, требующих наличия высокоскоростных интерфейсов, поддержки высококачественной графики в сочетании с длительным временем автономной работы.
К основным характеристикам модулей Mini относятся:
- Размер модуля: 84 × 55 мм.
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм.
- Широкий диапазон входного напряжения питания (4.75-20 В)
- Один 220-контактный разъем (второй разъем обычно не используется).
Хотя это и не является обязательным требованием, модули Mini часто содержат напаянный Flash-накопитель.
Модули Compact предназначены для мобильных систем и стационарных систем с габаритными ограничениями. К основным характеристикам модулей относятся:
- Размер модуля: 95 × 95 мм.
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм.
- Высота модуля с теплоотводом 18 мм.
- Возможность установки одного (или двух) модулей SO-DIMM с горизонтальным креплением.
- Два 220-контактных разъема.
Модули Basic предназначены для мобильных систем и стационарных систем с габаритными ограничениями. К основным особенностям модулей Basic относятся:
- Размер модуля: 125 × 95 мм.
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм.
- Высота модуля с теплоотводом 18 мм.
- Возможность установки одного (или двух) модулей SO-DIMM с горизонтальным креплением.
- Два 220-контактных разъема.
Модули Extended предназначены для заказных приложений, которым требуется больший объем системной памяти.
Ключевые особенности модулей Extended:
- Размер модуля: 155 × 110 мм.
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм.
- Высота модуля с теплоотводом 18 мм.
- Возможность установки двух полноразмерных модулей памяти DIMM или mini DIMM или двух модулей SO-DIMM горизонтального или вертикального монтажа.
- Два 220-контактных разъема.
Позволяет использовать ЦП с более высокой производительностью, которые не поддерживаются в модулях Compact и Basic.
Габарит Extended не популярен среди серийно-выпускаемых модулей COM Express.
Габаритные размеры модулей COM Express.
СOM-HPC
Такие приложения как искусственный интеллект, технология беспроводной связи 5G требуют большой пропускной способности и вычислительной мощности. Это, в свою очередь, требует новых подходов к проектированию встраиваемых компьютеров: вычислительной мощности существующих стандартов уже недостаточно для обеспечения растущих требований рынка встраиваемых систем по производительности и пропускной способности.
Ведущие производители компьютерных модулей и встраиваемых систем, входящих в консорциум PICMG, создали новый стандарт компьютерных модулей под названием COM-HPC, призванный дополнять существующий стандарт COM Express в части облегчения создания высокопроизводительных приложений.
По сравнению с COM Express, стандарт COM-HPC обеспечивает более высокую производительность встраиваемых систем. 440 контактов модуля COM Express уже недостаточно для создания мощных вычислительных устройств. К тому же производительность разъема COM Express также постепенно приближается к пределу: хотя COM Express может легко работать с тактовой частотой 8.0 ГГц и пропускной способностью 8 Гбит/с PCIe Gen 3.
Определены четыре типа модулей COM-HPC: клиентский модуль с фиксированным входным напряжением; клиентский модуль с широким диапазоном входного напряжения; серверный модуль с фиксированным входным напряжением и мини-модуль с широким диапазоном входного напряжения. Они обслуживают разные потребности пользователей на разных рынках.
Назначение контактов клиентского и серверного модулей имеют много общего, но они разные. Клиентские модули не следует использовать с несущей платой, предназначенной для использования с серверным модулем, и наоборот.
Клиентский модуль COM-HPC/Client. Предназначен для использования в вычислительных устройствах, которым требуется один или несколько дисплеев, набор интерфейсов ввода-вывода с низкой, средней и очень высокой пропускной способностью, мощные процессоры и компактные размеры. Типичными областями применения являются медицинское оборудование, высокоточные или высокопроизводительные приборы, промышленное оборудование, игровые автоматы для казино, защищенные компьютеры для применения на транспорте и т.п. Клиентские модули обычно используют SO-DIMM или припаянную память. На модуле может быть установлено до четырех модулей памяти SO-DIMM. Размеры модулей и набор интерфейсов приведены в Таблице 1.
Серверный модуль COM-HPC/Server. Предназначен для использования в высокопроизводительных встраиваемых серверах без поддержки видео, которым требуется высокая производительность ЦП (до 150 Вт), большой объем памяти и большое количество операций ввода-вывода с высокой пропускной способностью, включая несколько каналов Ethernet 10 Гбит/с или 25 Гбит/с и до 65 каналов PCIe на скорости до 32 Гбит/c (с использованием шины PCIe Gen 5). Типичное применение — встраиваемое серверное оборудование, предназначенное для использования в полевых условиях и такие приложения, как автономные транспортные средства, базовые станции вышек сотовой связи, медицинское оборудование, системы специального назначения и т.п. В серверных модулях обычно используются полноразмерные модули DIMM. В самом большом форм-факторе модуля COM-HPC может быть реализовано до восьми полноразмерных модулей памяти DIMM.
Модули COM-HPC могут быть построены на базе традиционных x86 процессоров или могут содержать альтернативные архитектуры процессоров, такие как ARM64 или RISC-V. В то время как COM-HPC в основном ориентирован на реализации x86, стандарт поддерживает гетерогенные архитектуры для специализированных модулей для повышения производительности и энергоэффективности.
Определены шесть типоразмеров модулей COM-HPC:
95 мм × 70 мм типоразмер Mini
95 мм × 120 мм типоразмер A (рекомендован для «клиентского» модуля)
120 мм × 120 мм типоразмер B (рекомендован для «клиентского» модуля)
160 мм × 120 мм типоразмер C (рекомендован для «клиентского» модуля)
160 мм × 160 мм типоразмер D (рекомендован для «серверного» модуля)
200 мм × 160 мм типоразмер E (рекомендован для «серверного» модуля)
В COM-HPC используются 400-контактные разъемы. На модуле может быть установлено один или два таких разъемов, что обеспечивает высокую пропускную способность на основе 800 контактов.
