Computer-on-Module-Hardware Kompakte ETX-Module mit USB und SATA gemäß ETX-3.0-/3.02-Spezifikation

ETX hat sich als Format für Computer-on-Module erfolgreich durchgesetzt und wird trotz des rasant an Bedeutung gewinnenden COM-Express-Standards noch bis weit über die Mitte des nächsten Jahrzehnts hinaus in zahlreichen Anwendungen vertreten sein. ETX-Anwender müssen also nicht befürchten, dass ihre bestehenden Designs nicht mehr unterstützt werden.

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Alle führenden Hersteller von ETX-Modulen haben in den letzten Monaten ihr Produktportfolio vervollständigt und auf den aktuellen ETX-3.0- bzw. ETX-3.02-Standard umgestellt. Auch MSC stellte zahlreiche ETX-Plattformen vor, um damit das Leistungsspektrum vom Strom sparenden bis hin zum Highend-Prozessor abzudecken. Computer-on-Module (COMs) stellen als vorgefertigte, sofort einsetzbare PC-Hardware eine wirtschaftliche und schnelle Alternative zur eigenen Entwicklung eines kundenspezifischen Prozessorboards dar. Der Embedded-Entwickler muss sich nicht mehr mit der standardisierten Rechnertechnik beschäftigen, sondern kann sich auf die Realisierung seiner individuellen Applikation konzentrieren. Laut einer von ETP 2007 veröffentlichten Marktstudie wird sich der Anteil der COMs im Embedded-Computing-Markt weltweit von 2006 bis zum Jahr 2011 auf etwa 11% mehr als verdoppeln. Die jährliche Wachstumsrate liegt im Mittel bei 19,2%.

Seit seiner Einführung vor sieben Jahren hat sich ETX als erster De-facto-Industriestandard für Embedded-PC-Module durchgesetzt. Die von zahlreichen Herstellern angebotenen ETX-Module unterscheiden sich vor allem in der Rechenleistung, die durch die Wahl des Prozessors bestimmt wird, der maximalen Speicherkapazität und in den Grafikeigenschaften. Um die skalierbaren ETX-Module auch mit modernen Prozessorfamilien der oberen Leistungsklasse auszustatten – mit denen sehr hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten möglich sind – wurde die Spezifikation in der Version 3.0 um SATA-Massenspeicher-Schnittstellen über verriegelbare, auf der Baugruppe befindliche Steckverbinder erweitert.

Mit der Verbreitung serieller Bussysteme und Schnittstellen wie PCI Express, SATA, USB und LVDS bei Consumer-PCs haben sich diese Technologien auch bei Embedded-Modulen etabliert. Definiert wurden diese Modulanforderungen im Rahmen des vom PICMG-Konsortium forcierten COM-Express-Standards. Eine wesentliche Anforderung lag darin, ein geeignetes Steckermodul zu entwickeln, um die extrem schnellen seriellen Signale (bis zu 3 GBit/s je Kanal) vom Modul auf das Basisboard zu führen.

ETX im Vergleich zu COM Express

Im Augenblick wird der weltweite Umsatz mit Computer-on-Modules noch im Wesentlichen von der bewährten ETX-Technologie bestimmt. COM Express ist zwar stark im Kommen, doch die in den letzten zwei Jahren abgeschlossenen Designs laufen erst jetzt in größeren Stückzahlen an. Da der Umsatz mit ETX-Modulen auf hohem Niveau stabil bleibt, wird auf jedem Fall die Lebensdauer der ETX-Technologie mindestens bis Mitte des nächsten Jahrzehnts und darüber hinaus noch gewährleistet sein. Auf Basis dieses Markttrends haben in den letzten Monaten alle führenden Hersteller von ETX-Modulen ihr Produktportfolio im Hinblick auf die ETX-3.0-/3.02-Spezifikation überarbeitet.

Das Leistungsspektrum reicht vom günstigen Geode-Prozessor von AMD über verschiedene Prozessoren von VIA Technologies bis hin zu leistungsfähigen Intel-Bausteinen der Pentium-M- bzw. Celeron-M-Klasse. Die Taktfrequenzen bewegen sich im Bereich von 400 MHz bis 1,8 GHz, die Verlustleistung der COMs reicht, abhängig vom eingesetzten Prozessor, von 5 bis 30 W. Dank des Modulkonzepts lässt sich die Rechenleistung in einem gegebenen Systemdesign skalieren, um für jede Anwendung die optimierte Lösung zu bieten. Haupteinsatzgebiete der ETX-Module sind in der Messtechnik, Automatisierung und Medizintechnik zu finden.

Die ETX-Produktpalette unterscheidet sich darüber hinaus im Speicherausbau, den Grafikeigenschaften und dem BIOS- und Treiber-Support. Kennzeichnend für alle ETX-Module sind die Unterstützung paralleler und serieller Legacy-Schnittstellen wie COM, LPT und PS/2. Über die vorhandene ISA-Schnittstelle lassen sich auf diesem Bus basierende vom Kunden entwickelte Baseboards oder Einsteckkarten verwenden. Alle angebotenen ETX-Module weisen eine standardisierte Platinengröße von 95 mm × 114 mm bei einer Dicke von 12 mm auf. Die oberhalb der Platine befindlichen Komponenten dürfen maximal 8 mm hoch sein, unterhalb angebrachte Bauteile nur 2 mm. Über die an den Ecken platzierten Steckverbinder wird das Modul mit dem Baseboard verbunden.

Standardisierte Größe und Wärmeableitung

Der Abstand zwischen Backplane und ETX-Board beträgt entweder 3,0 oder 9,5 mm. Die ETX-Spezifikation legt auch eine einheitliche Wärmeableitung über einen Heatspreader fest, der aus einer 2 mm dicken Aluminiumplatte besteht und direkt auf der Baugruppe liegt. Um das einfache Austauschen von SODIMM-Modulen zu erlauben bzw. um mehr als 8 mm hohe Bauteile zu verwenden, kann der Heatspreader entsprechende Aussparungen aufweisen. Bei COMs mit hoher Verlustleistung bzw. bei hohen Betriebstemperaturen können zusätzlich Kühlkörper und Lüfter verwendet werden. Auch MSC hat sein Angebot an ETX-Modulen ausgebaut und setzt dabei auf die neuesten Spezifikationen.

Die ETX-3.02-Spezifikation definiert im Vergleich zur frühen ETX 2.8 einen auf dem Modul integrierten Dual-SATA-Massenspeicheranschluss. Die von MSC gerade vorgestellte ETX-Plattform ETE-PM8553/CM8553/CM8523 besteht derzeit aus sechs Varianten, die in der Prozessorleistung durch die Bestückung mit unterschiedlichen Pentium-M- oder Celeron-M-Embedded-Prozessoren skalierbar ist (Bild 1). Die Modelle ETE-PM8553 sind mit Pentium M 745, der mit 1,8 GHz getaktet wird, oder alternativ mit 1,6 GHz bzw. Pentium M LV 738 (1,4 GHz) erhältlich. Die maximale Kapazität des L2 Cache liegt bei 2 MByte. Die CM-Versionen kommen mit Celeron M LV 373 (1,0 GHz) oder Celeron M 320 (1,3 GHz). Das Strom sparendste Modul ist mit einem ULV Celeron M ausgestattet, der bei einer Taktfrequenz von 600 MHz eine typische Leistung von nur 8 W aufnimmt. Der L2 Cache der Celeron-M-Varianten weist eine Speicherkapazität von 512 KByte auf.

Die kompakte ETX-Plattform basiert auf den Chipsätzen Intel 855GME bzw. 852GM, die einen Intel Extreme Graphics2 Controller für hohe Grafikleistung integrieren. Der Arbeitsspeicher lässt sich mittels DDR333-SDRAM über einen SODIMM-Sockel auf eine Kapazität von 1 GByte erweitern. Auf den Modulen ist neben einem 32-Bit-PCI-Bus-Interface eine verbesserte ISA Bridge (PCI/ ISA Bridge IT E8888) vorhanden. Darüber hinaus sind neben einer LAN- und einer Sound-Schnittstelle Anschlüsse für Flat Panel oder CRT vorgesehen. Die maximale Auflösung der CRT-Schnittstelle liegt bei 2048 × 1536 Bildpunkten, die LCD-Schnittstelle liefert bis zu 1600 × 1200 Pixel. Parallele und serielle Schnittstellen, IrDA, 4 × USB 2.0 sowie Anschlüsse für Keyboard und Maus komplettieren das Angebot. Speichermedien lassen sich über zwei SATA-150- und zwei Enhanced-IDE-Ports anschließen.

Prozessoren von AMD, Intel und VIA zur Auswahl

Auf dem Strom sparenden, mit 600 MHz getakteten AMD-Prozessor Geode LX900 @1,5W basiert die ETX-Baugruppe ETE-GLX3 (Bild 2). Der Prozessor arbeitet mit dem Companion Chip Geode CS5536 von AMD zusammen und verfügt über je 64 KByte „Level-1“-Daten- und Instruction Cache sowie ein 128 KByte L2 Cache. Alternativ ist das Modul auch mit dem bisherigen Geode LX800, getaktet mit 500 MHz, erhältlich.Das ETX-Modul MSC ETE-GLX3 stellt neben einem Compact Flash Slot Type I zwei Dual-IDE-Schnittstellen und zwei SATA-Interfaces mit bis zu 150 MByte/s bereit.

An Businterfaces werden 32-Bit-PCI und ein ISA-Subset angeboten. Eine Reihe von Standardanschlüssen für externe Geräte sorgt für ein hohes Maß an Flexibilität: 4 × USB, serielle und parallele Schnittstellen, Infrarot, Tastatur und Maus. Der auf dem Modul befindliche Fast-Ethernet-Controller 82551 erlaubt den Aufbau einer schnellen 10/100-BaseTX-LAN-Verbindung.

Das ETX-Modul ETE-CN700 ist mit einem C7-Prozessor von VIA Technologies bestückt, der mit einer maximalen Frequenz von 1,8 GHz (533 MHz FSB) taktet (Bild 3). Reicht die Performance von VIA-Eden-Prozessoren mit Taktraten von 400 MHz (auch als ULV-Version) bis 1,2 GHz aus, so ist im spezifizierten Betriebstemperaturbereich von 0 bis 60°C sogar ein lüfterloser Betrieb möglich.

Die auf dem Modul integrierten VIA-Chipsätze CN700 (Northbridge) und Southbridge VT8237R+ bieten zahlreiche Speicher-, Multimedia- und Schnittstellenoptionen. Neben vier USB-2.0-Schnittstellen sind ein 10/100 Base-T-Ethernet-Interface sowie zwei serielle TTL-Ports vorhanden. PCI- (32 Bit @ 33 MHz) und ISA-Busschnittstellen sowie 2 × SATA werden entsprechend ETX 3.0 unterstützt. Der im Chipsatz enthaltene 3-D-Grafikcontroller VIA Unichrome Pro sorgt für hohe Multimediaqualität. Dank eines LVDS-Interfaces mit 18/24/36/48 Bit und einer separaten CRT-Schnittstelle werden Dual-Display-Lösungen unterstützt. Optional wird das Modul auch mit parallelem TTL-LCD-Interface angeboten.

Vorgängermodelle weiter erhältlich – einfacher Wechsel zur ETX-Version 3.0

Gleichzeitig sind von MSC noch zahlreiche Vorgängermodelle entsprechend der 2.8-Spezifikation erhältlich, da diese Produkte lange im Markt eingeführt sind und relativ preisgünstig angeboten werden können. Ein Wechsel zur ETX-Version 3.0 ist unproblematisch, da sich die Schnittstellen-Stecker-Belegung zum Baseboard nicht geändert hat. Ergänzt wurden lediglich weitere Stecker auf der Oberseite des Moduls mit den SATA-Interfaces. Dadurch können alle Kunden, die bereits ETX einsetzen, ohne Technologie-Upgrade ihre bislang getätigten Investitionen weiter nutzen.

Neben der Hardware bietet MSC auch die komplette Basissoftware vom Bootloader oder BIOS bis hin zum optional vorinstallierten Betriebssystem an. Die im On-Board-Flash gespeicherten BIOS-Erweiterungen erlauben hardwareunabhängig die Anbindung von Displays sowie die Implementierung von Remote-Management- und Sicherheitsfunktionen.

Dank der engen Beziehung zu Phoenix Technologies und der in Neufahrn sitzenden eigenen BIOS-Gruppe ist MSC in der Lage, auch kundenspezifische BIOS-Modifikationen anzubieten. Beispielsweise lassen sich die Default-Werte (voreingestellte Set-up-Werte) so implementieren, dass das Modul nach Kundenwunsch konfiguriert hochgefahren wird und nach dem Einschalten das Kunden-Logo auf dem Bildschirm erscheint.

Zur Evaluierung und zum Design-in der ETX-Module stehen Basisboards und anwendungsspezifische Motherboards zur Verfügung, die alle Schnittstellen eines Standard-PCs unterstützen. Starterkits für die Betriebssysteme Windows XP (Embedded), Windows CE und Linux sind auf Anfrage erhältlich.

*Konrad Löckler ist Product Marketing Manager für Boards & BIOS bei der MSC Vertriebs GmbH, Stutensee.

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