Embedded-Systeme Entwickeln mit Embedded-COM-Modulen

Bei der Entwicklung von Embedded-Systemen lässt sich Zeit einsparen, wenn der Rechnerkern als fertiges COM zugekauft wird und nur die passenden COM-Stecksockel auf dem Board vorgesehen werden.

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So ergibt sich ein Rechner im Gesamtsystem, der schon erprobt und getestet ist und gleich von Anfang an eine gewisse Grundfunktionalität mit sich bringt. Auf diese können sich die Inbetriebnahme und das Debugging stützen, so dass im Regelfall keine teuren Emulatoren oder Low-Level Debugger notwendig sind, um den Rest des Embedded-Systems zum Laufen zu bringen.

Bekanntlich nehmen bei einer Systementwicklung „von Grund auf“ das Debugging und die Inbetriebnahme des Rechnerkerns den Löwenanteil der Zeit und des Aufwands in Anspruch. Emulatoren und Low-Level-Debugger werden benötigt, um den Rechner in Gang zu setzen und den Bootloader bzw. das BIOS hoch zu ziehen. Dazu kommt, dass die zunehmende Komplexität der Rechnerkerne diese Grundlagenarbeit immer mehr erschwert und tiefgehendes Spezialistenwissen erfordert.

Somit ist es nicht verwunderlich, dass in den letzten zehn Jahren ein starker Trend entstanden ist, den Rechnerkern der Systeme als fertiges COM-Steckmodul zuzukaufen und ganz nach den Anforderungen der Applikation aus einem sehr großen Angebot an Typen und Varianten auszuwählen. Unter den standardisierten und breit verfügbaren COM-Modulen spielen COM Express und Qseven die mit Abstand wichtigste Rolle.

Diese Modulfamilie ist heute im Wesentlichen als Typ 2 und Typ 6 und jeweils im Basic- (125mm x 95mm) und Compact-Formfaktor (95mm x 95mm) verfügbar, inzwischen aber auch als Typ 10 im sogenannten Mini-Formfaktor (84mm x 55mm). Typ 2 und Typ 6 unterscheiden sich in der Pin-Belegung diverser Schnittstellen und sind nicht kompatibel zueinander. Typ 10 ist weitgehend eine Untermenge von Typ 6 und verwendet nur einen der zwei COM Express Stecksockel.

Generell lässt sich sagen, dass COM Express Module besonders geeignet sind für leistungsfähige Systeme, die CPUs mit mehr als 10W Verlustleistung tragen sollen. Module des Typs 2 werden nur noch für existierende Trägerboards empfohlen, für Neuentwicklungen sollte der Nachfolger Typ 6 wegen der breiteren Auswahl an modernen Schnittstellen verwendet werden. Typ 10 schließlich empfiehlt sich für kompakte Systeme mit CPUs bis zu 10W Verlustleistung, wenn dennoch COM Express und nicht stärker verbreitete Qseven Standard zum Einsatz kommen soll.

Bei dieser Modulfamilie gilt eine Beschränkung der Gesamtverlustleistung auf 12W, was u.a. dem Formfaktor 70mm x 70mm und der daraus resultierenden kleinen zur Kühlung zur Verfügung stehenden Fläche geschuldet ist und die Palette der zur Verfügung stehenden Rechnerplattformen einschränkt. Neuerdings gibt es den kleineren µQseven-Formfaktor mit 40mm x 70mm, der noch kompaktere Systeme ermöglicht. Qseven besitzt jedoch den großen Vorteil, in der Schnittstellenbelegung explizite Profile für x86- und für ARM-Prozessoren zu besitzen.

Damit verfügen die Systementwickler bei der Definition des Applikationsboards für das Qseven-Modul über eine gesicherte Anzahl von Schnittstellen, die immer von allen Modulen unterstützt werden, selbst wenn später von einem ARM-Modul auf x86 gewechselt werden sollte oder umgekehrt. Für einen Wechsel der CPU innerhalb der x86- und ARM-Profile gelten sogar noch größere Freiheitsgrade.

CPU-Module auf erprobten Plattformen betreiben

Die Hersteller der COM-Module stellen bereits eine Anzahl an Trägerboards zur Verfügung, damit man die CPU-Module auf erprobten Plattformen betreiben und für die frühe Software-Entwicklung verwenden kann. Hier muss man zwischen Evaluation Boards und Application Boards unterscheiden. Die ersteren dienen der Evaluation der Module und werden im Labor verwendet, um Zugriff zu möglichst allen Schnittstellen des Moduls zu erhalten. Sie sind im Regelfall groß und aufwändig und nicht auf Kosteneinsparung optimiert. Beispiele von MSC sind die MSC Q7-MB-RP2 im ATX-Format für Qseven-Module oder MSC C6-MB-EVA für COM Express Typ 6.

Bei Application Boards hingegen handelt es sich um kleinere, spezialisierte Plattformen, die nicht den kompletten Satz an Schnittstellen des jeweiligen Modul-Standards anbieten, sondern nur noch eine Auswahl der wichtigsten Signale unterstützen oder direkt auf dem Trägerboard verwenden. Mit diesen Boards wollen die Hersteller denjenigen Anwendern das Design eigener Anwendungskarten ersparen, die sich auf gewisse Grundfunktionalität beschränken und mit den zur Verfügung stehenden Features auskommen können. Beispiele von MSC sind das MSC C10-MB-EV im Mini-ITX-Format für COM Express Typ 10 Mini Module oder das MSC Q7-MB-EP6 im 3,5-Zoll-Format für Qseven.

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