Abbildung 1: Falls Entwickler nicht auf einen ARM-Prozessor setzen möchten, ist es sinnvoller ein COM-Express-Mini-Modul, wie das TQMxE39M, zu verwenden, anstatt auf den SMARC-2.0-Formfaktor zu setzen.

Bild: TQ-Systems

Standard für Embedded-Module SMARC 2.0

27.10.2017

Die Entwicklung von Prozessoren bleibt nicht stehen, daher gibt es immer wieder neue Versionen von Standards wie bei SMARC. Wie dessen Version 2.0 zu anderen Spezifikationen einzuordnen ist und was sich gegenüber SMARC 1.1 geändert hat, lesen Sie hier.

Über Standards bei Embedded Modulen wird viel geschrieben und diskutiert. Fachgremien wie die PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) oder SGeT (Standardi-
zation Group for Embedded Technology) versuchen möglichst genaue Standards zu definieren, neue Standards anzukündigen oder existierende Standards anzupassen. All dies zeigt, dass das Thema Standards bei Embedded Modulen vielschichtig ist. Ein Standard impliziert gewisse Erwartungen und Vorstellungen, die Frage ist, ob diese Punkte auch wirklich erfüllt werden. Der neueste, von der SGeT im vergangenen Jahr vorgestellte Standard, ist die SMARC-2.0-Spezifikation. Interessant ist dabei, was sich bei dieser gegenüber der Vorgängerversion SMARC 1.1 verändert hat und wo die Vorteile für den Anwender liegen.

Einordnung von SMARC 2.0

Relevant ist zunächst, wo im Reigen der ganzen Standards bei x86-Modulen SMARC 2.0 überhaupt einzuordnen ist. COM-Express adressiert die höheren Leistungsklassen der x86 und ist für andere Prozessoren ungeeignet. Qseven bietet einen kostengünstigen Einstieg mit x86- und ARM-Prozessoren, ist aber auf Grund der begrenzten Pinzahl und der unter anderem nicht definierten neuesten Schnittstellen bei Grafik etwas ins Hintertreffen geraten. SMARC in der ursprünglichen Fassung als Standard für ARM-Prozessoren angedacht und spezifiziert, berücksichtigt in der Version 2.0 zahlreiche Grafik-, Kamera-, Sound- sowie Netzwerk-Schnittstellen und damit stärker die Schnittstellen eines x86-Prozessors. Es kann der Eindruck entstehen, die Experten haben bei der Definition des Standards auf den Intel-Atom-E3900-Prozessor (Apollo Lake) und den angekündigten NXP-Prozessor i.MX8 geschielt, denn diese beiden Prozessoren werden in ihren Funktionen recht umfassend berücksichtigt.

Mit den 316 Pins des SMARC-Standards gegenüber 230 Pins eines Qseven-Moduls, bietet ersterer mehr Möglichkeiten, die Prozessorfunktionen in der Anwendung zur Verfügung zu stellen. Die Zeit wird zeigen, ob SMARC dadurch Qseven den Rang streitig machen kann. Es werden zwar Qseven-Module mit dem Intel-Atom-E3900-Prozessor angeboten, allerdings stehen viele Funktionen des Prozessors auf Grund der geringeren Pinzahl und der fehlenden Spezifikation nicht zur Verfügung. Auch die Grundfläche eines Qseven-Moduls ist mit insgesamt 4.900 mm² (70 mm x 70 mm) größer als die eines SMARC-Moduls mit einer Grundfläche von 4.100 mm² (82 mm x 50 mm). Darüber hinaus gibt es den Stecker eines SMARC-Moduls, den MXM 3.0, auch in einer industrietauglichen Ausführung.

Bei welchen Anwendungen man auf SMARC 2.0 oder COM-Express-Mini setzen sollte, zeigt sich durch einen Vergleich der beiden Formfaktoren. Mit 4.620 mm² (84 mm x
55 mm) ist die Grundfläche eines COM-Express-Mini-Moduls lediglich geringfügig größer als die eines SMARC-Moduls. Da der Anwender aber beim SMARC-Modul noch zusätzlich den seitlich angebrachten Steckverbinder dazurechnen muss, ist die Grundfläche eines COM-Express-Moduls vergleichbar. Plant der Anwender nicht einen ARM-Prozessor einzusetzen, ist der Einsatz eines COM-Express-Minimoduls sinnvoller: Der Entwickler kann hier im COM-Express-Standard, unter Berücksichtigung bestimmter Parameter, von einem Intel-Atom-Prozessor bis hinauf zu einem Intel-Xeon-Prozessor sein System skalieren.

Was hat sich von SMARC 1.1 zu SMARC 2.0 verändert? Die Parallel-Kamera- und Parallel-Display-Schnittstellen sind verschwunden. Der alternative Funktionsblock wurde mit fest gelegten Signalen umdefiniert, was prinzipiell immer einen guten Schritt bedeutet, da alternative Funktionsblöcke meist dazu führen, dass Module unterschiedlicher Anbieter nicht zueinander kompatibel sind. Das musste der Anwender in der Vergangenheit leider oft schmerzlich feststellen, da viele Anbieter über diesen alternativen Funktionsblock ihre Spezialitäten auf dem Modul eingebaut hatten. Dadurch wurde es dann doch wieder zu einem proprietären Modul und war nicht mehr kompatibel mit anderen, was der Anwender eigentlich von einem Standard erwartet hatte. Die externe Multimedia-Karten-Schnittstelle (eMMC) wurde gestrichen, genauso wie SPDIF-Audio-Interface. Von ehemals drei I2S-Schnittstellen, sind zwei übriggeblieben.

Vergleich von SMARC 1.1 und 2.0

Hinzugekommen sind zwei DP++-Schnittstellen zum flexiblen Anschluss externer Bildschirme. Zwei 24-bit LVDS-Schnittstellen unterstützen die heute am häufigsten eingesetzte Grafikschnittstelle, die auch Panels mit hoher Auflösung ansteuern kann. Mit der zusätzlichen MIPI-DSI-Schnittstelle (Display Serial Interface), zeigt der SMARC-2.0-Standard seine außerordentlichen Fähigkeiten auf der Grafik-Seite. Es gibt eine zusätzliche Gigabit-Ethernet-Schnittstelle, was den Anforderungen im Umfeld IoT (Internet of Things) und Industrie 4.0 gerecht wird. Eine weitere PCIe-Schnittstelle sowie zwei USB-3.0-Schnittstellen stellen die neuen schnellen Schnittstellen zur Verfügung.

Wie schwierig die Definition eines Standards ist, zeigt sich bei SMARC. SMARC 1.1 und SMARC 2.0 sind nicht kompatibel. Der Standard bildet immer nur die zur Zeit der Definition gebräuchlichsten Prozessoren einigermaßen ab. Die zeitliche Gültigkeit eines Standards, und damit die Verfügbarkeit von Modulen, nimmt zur Zeit ab, da neue Prozessor-Generationen zu unterschiedlich zur Vorgängerversion sind. Das sieht der Anwender zum Beispiel an den NXP-ARM-Prozessoren i.MX6 und i.MX8. Der Traum eines Standards, wie unter anderem VME-Bus mit einer Lebensdauer und Verfügbarkeit von mehr als 30 Jahren, gehört wohl der Vergangenheit an.

Der Anwender muss sich darauf einstellen, dass er einen Embedded-Standard maximal 10 bis 15 Jahre einsetzen kann. Ein COM-Express-Type-2-Modul ist etwa nicht kompatibel zu einem COM-Express-Type-6-Modul. Selbst innerhalb eines genau beschriebenen Standards wie COM-Express muss der Anwender analysieren, was von einem Modul, Prozessor oder Anbieter kompatibel und austauschbar ist. Der Anwender erwartet sich schließlich eine Liefersicherheit durch mehrere Lieferanten mit dem gleichen Modul. Ein Intel-Atom-E3900-Prozessor bietet etwa drei PCIe-Schnittstellen, wogegen ein Intel-Xeon bis zu 32 PCIe-Schnittstellen besitzt. Hier zeigt sich die Einschränkung bei der Austauschbarkeit von Modulen im gleichen Standard, aber mit verschiedenen Prozessoren. Noch größere Abweichungen gibt es bei ARM-Prozessoren. Deshalb ist hier noch mehr Aufmerksamkeit gefordert, welche Schnittstellen kompatibel sind und welche Schnittstellen des Prozessors im Standard nicht festgelegt sind, und damit in der Anwendung nicht zur Verfügung stehen.

TQ Systems trägt den Anforderungen des Marktes Rechnung und bietet sowohl proprietäre als auch Standard-Module an. Dabei sind die ARM-basierten Module auf den Prozessor optimiert, bei x86 liegt der Schwerpunkt auf dem COM-Express-Standard. Da die SMARC-2.0-Spezifikation den meisten Schnittstellen eines Atom-E3900 Rechnung trägt und auch der kommende NXP i.MX8 einigermaßen gut abgebildet ist, wird TQ in Zukunft auch SMARC 2.0 unterstützen. Damit hat der Kunde die Möglichkeit, ein auf den Prozessor optimiertes Modul oder ein Standard-Modul aus einer Hand zu erhalten.

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