Новости с рынка встраиваемых систем: наступление COM Express продолжается

Ассортимент модулей COM Express, позволяющих создавать современные встраиваемые системы с шиной PCI Express, продолжает расширяться. Не последнюю роль в этом процессе играет холдинг Kontron, развивающий свою продуктовую линейку ETXexpress за счет адаптации новых процессорных архитектур и разработки новых формфакторов.

Производительность современных встраиваемых систем определяется не только скоростью используемых процессоров, но и пропускной способностью тех коммуникаций, которые обеспечивают обмен данными между различными подсистемами. Медленная, морально устаревшая шина PCI заставляет разработчиков проявлять чудеса изобретательности, чтобы задействовать хотя бы часть возможностей новых ЦП. Окончательно решить эту проблему можно, лишь отказавшись от параллельных интерфейсов и перейдя на интерфейсы последовательные, образуемые низковольтными дифференциальными парами проводников. LVDS-пары (Low Voltage Differential Signalin) используются в таких передовых коммуникационных технологиях, как RapidIO, InfiniBand, Serial-ATA, USB, PCI Express и др. Оптимальным вариантом для повышения внутренней пропускной способности является PCI Express.

Шина PCI Express приобретает все большую популярность в настольно-серверном секторе, что делает ее не только весьма привлекательной, но и фактически безальтернативной для встраиваемых PCI-приложений. В самом деле, на рынке Embedded давно уже не разрабатывают новые шины для каждого нового процессора. Сегодня успеха здесь добивается тот, кто научился своевременно воплощать в реальных продуктах свои ноу-хау — что-либо такое, что есть у него и отсутствует у конкурентов. Выбрав стандартные интерфейсные технологии и сосредоточив усилия на высокоуровневом проектировании, разработчик может быстро реагировать на меняющиеся требования рынка и эффективно использовать потенциал современной компонентной базы.

Уходит в прошлое и еще одна «порочная» практика: создание для каждого нового ЦП новой процессорной платы. В наши дни нет ничего проще, чем загубить хороший проект, погрязнув в базовой интеграции чипсета, памяти и процессора. Ведь клиенту нужен продукт с некоторым более-менее известным набором характеристик за разумные деньги. И если конкурент, полагающийся на популярные технологии и стандартизованные формфакторы, предложит ему такой продукт раньше вас, все ваши усилия пропадут втуне.

Рост конкуренции на рынке встраиваемых систем создает благодатную почву для изделий типа «компьютер-на-модуле» (Computer On Module — COM). Использование изделий типа COM позволяет радикально ускорить и удешевить разработку. Кроме того, сегодня в секторе COM наращивает обороты стандартизация, сулящая разработчику дополнительные преимущества. Смысл всякого стандарта заключается в организации участников рынка по принципу рационального разделения труда с подключением экономических механизмов. Когда ключевые технические требования к некоторой категории продуктов четко определены, а сами эти продукты предлагаются большим количеством независимых поставщиков, начинают действовать известные законы, обусловливающие падение цен, рост товарного разнообразия и стремление к новациям. В конечном итоге каждый участник рынка занимается тем, что у него получается лучше всего, и делает это с полной отдачей.

С учетом вышесказанного успех спецификации COM Express, которая впервые позволила применять шину PCI Express во встраиваемых системах на стандартизованной основе, был вполне предсказуем. История COM Express началась в 2003 г., когда, осознав неизбежность проникновения технологии PCI Express в сектор «компьютеров-на-модуле» и открывающиеся в связи с этим перспективы, специалисты холдинга Kontron (www.kontron.com) стали работать над новой спецификацией одноплатных компьютеров. Вскоре инициатива Kontron была поддержана корпорацией Intel и другими лидерами рынка встраиваемых систем, что привело к созданию комитета COM Express под эгидой международного консорциума PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group, www.picmg.org), занимающегося стандартизацией и курированием различных компьютерных технологий.

Характерной чертой всех изделий класса COM и модулей COM Express, в частности, является то, что они устанавливаются на клиентские базовые платы, где реализуются необходимые разъемы и отражается прикладная специфика. В аспектах, не относящихся к сфере компетенции спецификации COM Express, клиент волен проектировать базовую плату по собственному усмотрению, сообразуясь с требованиями конкретных задач и воплощая свои ноу-хау.

Особое положение холдинга Kontron в секторе COM Express обусловлено тем, что он фактически создал эту индустрию, дав жизнь одноименному стандарту. Изделия серии Kontron ETXexpress отвечают требованиям COM Express в максимально возможной степени¹ и рассчитаны не столько на модернизацию старых, сколько на построение новых, высокопроизводительных, систем. Будучи встраиваемыми модулями следующего поколения, изделия ETXexpress не обязаны обладать обратной совместимостью с продуктами предыдущих поколений, что дает определенную свободу как инженерам Kontron, так и пользователям разработанных ими решений. Устремленность линейки ETXexpress в будущее выражается, в частности, в широком использовании на модулях этого типа принципа последовательной передачи данных по дифференциальным сигнальным парам: указанный принцип воплощен не только в локальной шине PCI Express, но и в таких перспективных интерфейсах, как Serial ATA, USB 2.0, LVDS и Serial DVO.

¹ ETXexpress — это торговая марка холдинга Kontron. Спецификация ETXexpress послужила основой для стандарта COM Express, который был назван так для того, чтобы не вызывать ассоциаций ни с каким конкретным поставщиком. Однако к моменту официального опубликования COM Express многие производители вслед за Kontron уже использовали в названиях изделий данного типа устоявшуюся аббревиатуру ETX. Это привело к тому, что сегодня слово ETXexpress является неофициальным синонимом COM Express и применяется по отношению вообще ко всем продуктам стандарта COM Express.

По таким показателям, как функциональность, производительность и пропускная способность, изделия COM Express / ETXexpress являются лучшими продуктами в своем классе, что не мешает им оставаться одними из самых малогабаритных встраиваемых систем: размеры COM Express составляют всего 95×125 мм. Кроме того, поскольку технология COM Express стандартизована и принята на вооружение многими производителями, она обеспечивает автоматическую защиту пользовательских инвестиций и снижает полную стоимость владения оборудованием.

Рассмотрим продуктовую линейку Kontron ETXexpress более подробно.

Модуль ETXexpress-PM: как все начиналось

Продуктовая линейка ETXexpress, а также стандарт COM Express и индустрия COM Express в целом ведут свою родословную с изделия ETXexpress-PM. Данный модуль, выполненный на базе чипсета Mobile Intel 915GM Express, стал одним из первых продуктов, позволивших разработчикам встраиваемых систем применять в своих решениях новейшие интерфейсные технологии (рис. 1).

Данный модуль оснащается процессором Intel Pentium M с тактовой частотой до 2,13 ГГц, может нести до 2 Гбайт памяти и имеет развитую функциональность ввода-вывода, включающую интерфейсы USB 2.0, Serial-ATA, ATA, LVDS и Ethernet. Спецификация COM Express предусматривает поддержку унаследованных плат расширения, и потому у ETXexpress-PM помимо основной системной шины PCI Express есть еще и 32-разрядный интерфейс PCI 2.1.

Благодаря наличию интегрированного контроллера Intel Graphics Media Accelerator 900 и поддержке технологии PCI Express Graphics (PCI Express x16) данное изделие будет хорошим выбором в тех случаях, когда предполагается сложная визуализация в реальном масштабе времени. Быстрый обмен данными с внешним миром обеспечивается портом 10/100Base-T Ethernet (вскоре должна появиться версия ETXexpress-PM с интерфейсом Gigabit Ethernet), а подключение высокопроизводительной периферии — восемью интерфейсами USB 2.0.

Все изделия, представляющие продуктовую линейку ETXexpress, имеют одинаковое расположение интерфейсов PCI Express, PCI, USB, Serial-ATA, ATA, LVDS и ACPI, что позволит разработчикам, выбравшим ETXexpress-PM, легко модернизировать свои системы в будущем. Для задач, предполагающих эксплуатацию оборудования в условиях повышенных ударно-вибрационных нагрузок, на модуле предусмотрено шесть монтажных отверстий, которых вполне достаточно для его надежного закрепления.

Существуют варианты поставки ETXexpress-PM в составе так называемых стартовых комплектов (starterkit), куда входит как сам модуль, так и все прочие аппаратные и программные средства, необходимые для начала разработки приложений, в том числе базовая плата, документация, кабели и блок питания. Стартовые комплекты различаются объемами предустановленной памяти и моделями процессоров.

Конструктив Compact COM Express: малые формы

Существуют задачи, требующие реализации шины PCI Express на платах еще меньших размеров, чем COM Express. Идя навстречу разработчикам, имеющим дело с такого рода приложениями, специалисты холдинга Kontron создали новый формфактор, развивающий идеи, заложенные в COM Express. В качестве основы для малогабаритного конструктива был взят стандарт COM Express международного консорциума PICMG.

Исходные идеи эволюционировали, в результате чего были разработаны не один, а сразу два новых COM-стандарта: Compact COM Express, являющийся продолжением концепции COM Express в области малых габаритов, и базовая спецификация, предполагающая наличие на плате только классической шины PCI и называющаяся поэтому просто Compact COM. Интерфейс PCI включен в новый стандарт в угоду пользователям модулей предыдущих поколений, желающим комбинировать в своих системах новую и старую шины. Несмотря на то что спецификация ETX, базирующаяся на PCI, все чаще обнаруживает свою несостоятельность там, где требуется повышенная производительность и адекватная этой производительности пропускная способность, многие разработчики еще не готовы отказаться от унаследованной аппаратной базы и полностью перейти на PCI Express. Спецификация Compact COM — это не шаг назад, а ступенька на пути вверх и вперед: мало кто сомневается в неизбежности тотальной замены PCI на PCI Express во всех нынешних PCI-приложениях, однако слишком многие разработчики встраиваемых систем хотят осуществить этот фазовый переход не скачком, а постепенно.

В продуктовом предложении Kontron стандартам Compact COM и Compact COM соответствуют продуктовые линейки microETXexpress (интерфейс PCI Express) и microETX (только классическая шина PCI).

От изделий COM Express новые платы отличаются лишь своими размерами (95×95 мм) и наличием дополнительного монтажного отверстия в правом верхнем углу (рис. 2). Модули microETXexpress (стандарт Compact COM Express) имеют площадь 90,25 см², что составит 76% от площади ETXexpress (стандарт COM Express), которая равна 118,75 см².

Разумеется, модули microETXexpress уступают вфункциональности изделиям ETXexpress: при переходе на меньшие габариты приходится отбрасывать все, что в них не вписывается. Однако значительная часть спецификации ETX переходит в новый стандарт без каких-либо изменений, что не только упрощает работу по составлению документации, но и дает дополнительные преимущества.

Линии PCI и PCI Express умодулей microETX иmicroETXexpress выведены в разные разъемы, расположение же прочих интерфейсов, предназначенных для взаимодействия с периферией, сетями и накопителями (PCI, IDE, Fast Ethernet ишесть портов USB 2.0), полностью совпадает. Это сделано для того, чтобы при переходе с PCI на PCI Express, а также при комбинировании PCI с PCI Express базовая плата претерпевала минимальные изменения. Пользователи, планирующие расширять свои системы в будущем, могут уже сегодня реализовывать на базовых платах интерфейсы PCI Express и SATA. Когда придет время задействовать эти технологии, будет достаточно заменить одни модули на другие. Поддержка шин PCI и/или PCI Express обеспечивается бортовым чипсетом.

Создавая базовые платы, подходящие для модулей сразу трех типов (microETX, microETXexpress и ETXexpress), инженеры работают на перспективу — системы на основе таких плат будут масштабируемыми в широчайшем смысле этого слова: по производительности процессора, скорости обмена данными с накопителями (IDE или SATA), пропускной способности внутренней шины (PCI или PCI Express) и скорости сетевых интерфейсов (Fast Ethernet или Gigabit Ethernet). Заметим, что проектировать базовые платы с прицелом только на PCI Express проще, поскольку для одного сегмента этой шины требуется меньше дорожек, что во многих практических задачах является существенным преимуществом.

Задумывая новый формфактор для систем с шинами PCI и PCI Express, холдинг Kontron заботился о перспективах проектов, где используются модули ETX различных версий. На платы ETX сегодня можно устанавливать процессоры с энергопотреблением на уровне 1,4-мегагерцового Intel Pentium M. Специалисты Kontron готовят к выпуску ETX с процессором Intel Core Duo. И все же для интеграции быстрых современных ЦП, нуждающихся в больших количествах электроэнергии, лучше использовать модули microETX и microETXexpress. Следует иметь в виду, что независимо от физических габаритов изделия ETX на основе шины PCI достигнут предела своей производительности гораздо раньше, чем продукты стандартов COM Express и Compact COM Express.

Стремление Kontron дополнить спецификацию COM Express новыми малогабаритными формфакторами непроизвольно и продиктовано желанием пользователей платить лишь за то, что им необходимо сегодня. PC-совместимым контроллерам, например, совершенно не нужны мощные графические платы с интерфейсом PCI Express x16, а вот дополнительная производительность не помешает. Иными словами, два новых конструктива делают одно общее дело, расширяя сферу применимости не столько шины PCI Express, сколько идеологии COM Express как таковой.

Первым представителем продуктовой линейки Kontron microETXexpress, удовлетворяющим стандарту Compact COM Express, стал модуль microETXexpress-PM, полностью соответствующий требованиям RoHS (пониженное содержание свинца) и оснащающийся процессорами Intel Pentium M и Intel Celeron M. Данное изделие может устанавливаться на существующие базовые платы, первоначально создававшиеся для COM Express, и может рассматриваться как решение начального уровня из «большого» семейства ETXexpress, образованного продуктовыми линейками ETXexpress и microETXexpress. Разработчик, купивший microETXexpress-PM, впоследствии сможет легко переходить не только на новые версии microETXexpress, но и на продукцию ETXexpress, а также на изделия стандартов COM Express и Compact COM Express от других производителей. Главной особенностью нового продукта является «заточенность» под мобильные системы, обусловленная его маленькими размерами.

Модуль Kontron microETXexpress-PM выполнен на чипсете Intel 855GME. Тактовая частота ЦП варьируется в пределах от 800 МГц до 1,4 ГГц (Intel Celeron или Intel Pentium M), объем памяти DDR достигает 1 Гбайт. Версии с процессорами Intel Pentium M поддерживают технологию Enhanced Speed Step.