Brücke zwischen Architekturen

Mit der Weiterentwicklung von Prozessoren und Chipsätzen müssen sich auch die Computermodul-Standards anpassen: Parallele Busse und Schnittstellen verschwinden, USB 2.0 schreitet voran zu 3.0 und die Display-Schnittstellen transportieren immer höhere Auflösungen. Mit der neuen Prozessorgeneration „Ivy Bridge“ von Intel erhält der Markt für Embedded-Computersysteme und -module neue Impulse, so dass auch eine Erweiterung der COM.0-Spezifikation anstand. Das weit verbreitete Type-2-Pinout wurde zum neuen Type 6 weiterentwickelt, der inzwischen bei NeudIn den typischen Anwendungsbereichen von Embedded-Computern sind die Entwicklungs- und Lebenszyklen teilweise sehr lange. Im Maschinenbau und anderen industriellen Anwendungen sind acht bis zehn Jahre keine Seltenheit. Deshalb werden die existierenden Type-2-Systeme noch viele Jahre existieren und mit Sicherheit von den Modulherstellern auch mit neuester Technologie unterstützt. Für Neudesigns ist der Trend hin zu Type 6 aber unübersehbar. Kaum noch eine aktuelle Entwicklung setzt auf Type 2. Zwei wesentliche Neuerungen unterscheiden Type 6 von Type 2 (Tabelle): USB 3.0 und bis zu drei Digitale Display Interfaces (DDI), die sowohl als DVI, HDMI oder DisplayPort (DP) genutzt werden können. Der in den letzten Jahren zunehmende Trend hin zu diesen Schnittstellen war die wesentliche Motivation für die Definition neuer COM-Express-Steckerbelegungen. esigns immer mehr zur Anwendung kommt.

Tabelle: Die wesentlichsten Unterschiede zwischen COM-Express-Kontaktbelegung Type-2 und Type-6

Digitale Display-Schnittstellen sind angekommen

Bisher war es aufwändig, an Type-2-Modulen digitale Monitore anzuschließen. Entweder waren dafür zusätzliche Konverter-Chips auf den Baseboards nötig, die aus den SDVO-Signalen HDMI oder DVI erzeugten, oder die DDI-Interfaces der Core-Logik (CPU/Chipset) wurden auf die PEG-Leitungen gemultiplext, was aber nicht wirklich dem COM.0-Standard entsprach und ebenfalls spezielle Unterstützung auf dem Baseboard oder über Adapterkarten erforderte. Bei Type 6 wurden nun dedizierte DDI-Leitungen vorgesehen, die auf dem COM-Express-Trägerboard nur noch geeignete Monitorstecker erfordern. Für geräteinterne Bildschirme gibt es zusätzlich einen Embedded-DisplayPort (eDP), der wahlweise auch LVDS-Signale führen kann.

USB 3.0, mit bis zu 5 Gbit/s zehn mal schneller als USB 2.0, hat sich inzwischen bei Büro- und Home-Computern durchgesetzt und ist in den aktuellsten Chipsätzen direkt integriert. Externe Festplatten und Solid-State-Disks mit dieser Schnittstelle sind bereits Standard. Auch immer mehr weitere Geräte mit hoher Datenrate, z.B. Kameras nutzen die neue USB-Version. Bei Type 6 wurden für die nötigen Zusatzleitungen Pins freigemacht, so dass bis zu vier USB-3.0-Anschlüsse realisiert werden können. Vier weitere USB-Schnittstellen sind möglich, allerdings beschränkt auf USB 2.0.

Weitere Änderungen im COM.0-Standard: Die Anzahl der möglichen PCI-Express-Lanes (Gen 2) wurde von sechs auf acht erhöht. SDVO, obwohl schon wieder auf dem Rückzug, wird nun mit einer der DDI-Schnittstellen gemultiplext und nicht mehr mit den PEG-Signalen. Zusätzlich eingeführt wurden zwei klassische serielle Ports (nur Receive-/Transmit-Leitungen), die optional sind. Daneben wird nun die Steuerung eines Lüfters, der über das Baseboard angeschlossen wird, und ein optionales CAN-Bus-Interface angeboten. Für mehr Sicherheit wurde die Unterstützung von TPMs (Trusted Platform Module) verbessert und für mobile System ein „Lid Switch“-Signal eingeführt.

Bei all diesen Änderungen und Ergänzungen stellt sich natürlich die Frage, wo kommen die zusätzlichen Signalleitungen her, da sich doch die Gesamtzahl der verfügbaren 440 COM-Express-Pins nicht verändert hat. Geopfert wurden dafür die veralteten „Legacy“-Schnittstellen PCI und IDE. Diese parallelen Schnittstellen machten ausreichend Kontakte frei für die neuen Anforderungen.

Intels erste 22-nm-Prozessoren

Als Nachfolger der vor einem Jahr eingeführten „Sandy Bridge“-Generation hat Intel nun mit „Ivy Bridge“ die dritte Generation von Core-Prozessoren vorgestellt und erste Produkte damit sind bereits auf dem Markt – darunter auch ein COM-Express-Modul nach Type-6-Spezifikation von MSC. Nach dem Tick-Tock-Modell von Intel handelte es sich bei Sandy Bridge um eine Generation mit neuer Microarchitektur; Ivy Bridge ist eine Generation mit Strukturverkleinerung. Dies bedeutet, dass die Architektur von Sandy Bridge im Wesentlichen beibehalten wurde und eine Miniaturisierung im Fertigungsprozess von 32 nm auf 22 nm erhebliche Verbesserungen bei Rechenleistung und Stromverbrauch bringt (Bild 1).

Bild 1. Chipstruktur eines Quadcore-Prozessors der dritten Generation. Im linken Drittel der Grafikprozessor, im oberen Bereich die vier gleichartig strukturierten Cores mit dem darunter liegenden gemeinsamen L3-Cache, rechts Memory-Controller und weitere IO-Funktionen. (Bild: Intel)

Gleichzeitig wurden auf dem Silizium weitere Grafikfunktionen untergebracht, die eine deutliche Leistungssteigerung bringen und erstmalig auch die Ansteuerung von drei Bildschirmen mit unabhängigen Inhalten ermöglichen. Gleichzeitig mit den neuen Prozessoren kam von Intel auch der Chipsatz der 7er Serie – jetzt mit USB 3.0.

Für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Rechen-und Grafikleistung wird nun ein Quad-Core-Prozessor angeboten (i7-3612QE), der mit 35 W maximaler Leistungsaufnahme (TDP) relativ genügsam ist und mindestens dieselbe Performance zeigt wie das Sandy-Bridge-Vorgängermodell mit 45 W. Damit wird auch der für eine ausreichende Kühlung nötige Aufwand erheblich reduziert. Falls diese Leistung noch nicht ausreicht gibt es auch weiterhin ein 45-W-Modell (i7-3615QE) mit vier Kernen, bei dem die Taktkraten nochmal deutlich hochgesetzt wurden:
Der i7-3615QE wird im Turbo-Mode mit bis zu 3,3 GHz getaktet.

Verschiedene Dual-Core-Prozessoren der runden das Angebot sowohl preislich als auch leistungsmäßig nach unten ab. Aktuell wird auf den COM-Express-Modulen von MSC (Bild 2) der dual-core i5-3610ME (2,7GHz/35W) angeboten, weitere sollen demnächst folgen.

Bild 2. Auf dem Type-6-konformen COM-Express-Modul MSC C6B-7S ist das langgezogene Die des Quadcore-Prozessors deutlich sichtbar. 

Vielfältige Schnittstellen

Die MSC-Module mit der Bezeichnung MSC C6B-7S unterstützen schnelle DDR3-SDRAM-Module (zwei SO-DIMM-Sockel) mit einer maximalen Speicherkapazität von zusammen 16 GB. Bei Verwendung von zwei möglichst gleich großen SO-DIMMs wird im dual-channel Betrieb die maximale Speicherzugriffsrate erzielt. An Schnittstellen verfügen die Module über sieben PCI-Express-×1-Kanäle, ein PCI-Express-Graphics-Interface (PEG), HD Audio und eine Gbit/s-Ethernet-Schnittstelle. Zum Anschluss von Displays sind, neben VGA und LVDS, drei digitale Interfaces mit einer Auflösung von bis zu 2560 × 1600 Bildpunkten vorhanden, die wahlweise als DisplayPort oder HDMI/DVI nutzbar sind. Daten können über vier SATA-II-Kanäle auf Festplatte oder einer Solid-State-Disk gespeichert werden. Ein Steckkontakt auf dem Modul für einen geregelten Lüfter sorgt für leise Systeme in geräuschempfindlichen Umgebungen. Die MSC C6B-7S-Module bieten darüber hinaus, entsprechend der Type-6-Steckerbelegung, je vier USB-3.0- und USB-2.0-Schnittstellen.

OpenCL – Grafikeinheit als Rechenknecht

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Bild 3. Verschiedene Benchmarks zeigen die zweite Core-Generation (i7-2715QE) im Vergleich mit neueren i5- (Dualcore) und i7-Prozessoren (Quadcore). Beachtlich sind vor allem die Leistungssteigerungen im Grafikbereich.

Für Anwendungen, die extrem hungrig nach Rechenleistung sind, bietet auch Intel nun ein Software Development Kit für OpenCL-Anwendungen an, mit dem der Programmierer bei Prozessoren der dritten Generation neben den CPU-Kernen auch die Rechenwerke der Grafikcontroller für Floating-Point-, Vektor- und Bildverarbeitungsaufgaben nutzen kann.

Um die Angaben des Prozessorherstellers Intel auf dem eigenen Hardwaredesign zu verifizieren, werden bei MSC regelmäßig ausführliche Benchmarktest mit Benchmarkprogrammen wie PCMark, 3DMark oder Cinebench durchgeführt. Die Verwendung dieser Programme ermöglicht auch Vergleiche mit bereits in Presse und Internet publizierten Benchmarkergebnissen. In Relation zum bisherigen Spitzenreiter aus der zweiten Generation, dem Vierkernprozessor i7-2715QE, zeigen sich sowohl bei Grafik- als auch Rechenleistung erhebliche Zuwächse. Die 3DMark-Resultate zeigen, dass der neue Dualcore i5-3610ME im Grafikbereich sogar den i7 der zweiten Generation übertrifft – siehe Bild 3.

Natürlich nutzen die neuen Module den aktuellen Firmware-Standard UEFI, der hier vom Hersteller AMI kommt und an die spezielle Hardwareauslegung angepasst wurde. Für den direkten Zugriff auf bestimmte Funktionen der Module wurde eine EAPI-Programmierschnittstelle implementiert wie sie in der COM.0-Spezifikation festgelegt wurde. Damit haben Qseven- und COM Express-Module eine absolut identische, offene, und von vielen COM-Herstellern unterstützte Softwareschnittstelle bekommen, die zum Beispiel den Zugriff auf Watchdog, GPIOs, Displayhelligkeit, I²C-Bus und weitere Funktionen enorm erleichtert.

Baseboard und Starterkit

Für die Anwender der COM-Express-Module stellt sich beim Umstieg zu Type 6 das Problem, dass man gerne den neuen Standard testen und evaluieren möchte, aber ein eigenes lauffähiges Baseboard noch in weiter Ferne liegt. Für solche Fälle und als Plattform für simultane Software-Entwicklung, bieten die Modulhersteller Evaluierungsboards und Starterkits an.

MSC hat mit dem C6-MB-EVA ein ATX-Board verfügbar, das viele Schnittstellen und Bus-Stecker enthält, um damit schnell Versuchsaufbauten und Prototypen-Konfigurationen zu realisieren. Das Board passt in gängige ATX-Gehäuse und bietet neben dem Steckplatz für COM-Express-Module im Basic- oder Compact-Format sämtliche Anschlussmöglichkeiten für Displays und Monitore, die nach Type-6-Pinout möglich sind. Darunter jeweils mehrere DisplayPort-, DVI/HDMI- und eDP- (Embedded DisplayPort) Anschlüsse, teilweise auf Stecker am I/O-Shield nach außen geführt, teilweise intern abgreifbar. HD-Audio-Signale sind über HDMI, Klinkenstecker oder SPDIFF verfügbar. Neben je einem Steckplatz für Mini-PCI-Express und mSATA-Karten, einem SD-Card-Sockel, Steckern für Netzwerk, SATA, USB 2.0 und 3.0 und einer Reihe unterschiedlicher PCI-Express-Slots bietet das Board auch eine POST-Code-Anzeige.

Alternativ gibt es auch ein komplettes Starterkit, bestehend aus einem frei wählbaren COM-Express-Modul mit Intel-Core-Prozessor der dritten Generation und einem kompakten Baseboard, das die wichtigsten, und vor allem die bei Type 6 neu verfügbaren (DDI, USB3.0 etc.) Schnittstellen enthält. Das kleine Board mit den Abmessungen 140 × 184 mm² wartet mit überraschend vielen Schnittstellen auf, darunter natürlich je drei DisplayPort- und HDMI-Anschlüsse. Aber auch USB 3.0, Ethernet, VGA, HD-Audio, SATA und sogar ein PCI Express-×4-Slot haben Platz gefunden. In den meisten Fällen dürfte damit ein erster Testaufbau schnell realisierbar sein. (Bild 4).

Bild 4. Starterkit, bestehend aus dem COM-Express-Baseboard MSC C6-AD-T2T6 mit Type-6-Steckverbinder und aufgesteckten IvyBridge Modul  

Die hier vorgestellten Lösungen eignen sich primär für anspruchsvollste Systemlösungen mit Embedded-PC-Technologie. Um auch im Einstiegssegment Type-6-Entwicklungen zu ermöglichen werden zusätzlich deutlich kostengünstigere Module mit Intel-Celeron-Prozessoren aus der zweiten Core-Generation angeboten, die in Stückzahlen bereits unter 200 Euro verkauft werden sollen.

Inzwischen bieten auch verschiedene andere COM-Express-Hersteller Module mit Type-6-Belegung an, so dass bei System-Neudesigns die Entscheidung für diese moderne und langfristig verfügbare Variante der möglichen COM-Express-Implementierungen leicht fallen sollte.