Сверхмалогабаритная платформа nanoETXexpress-SP: начало проникновения процессоров Intel Atom в мир COM

Введение

Напомним читателям предысторию вопроса. Конструктив nanoETXexpress — это новейший сверхмалогабаритный форм–фактор, разработанный специалистами холдинга Kontron и ориентированный на перспективные встраиваемые приложения, «чувствительные» к энергопотреблению, габаритам и цене комплектующих. Особенность nanoETXexpress, выделяющей его среди прочих ультракомпактных конструктивов, — то, что, несмотря на исключительно малые физические размеры, модули nanoETXexpress являются мощными многофункциональными компьютерными ядрами. Спецификация nanoETXexpress определяет миниатюрные изделия типа COM (Computer–On–Module — «компьютер на модуле»), имеющие размеры 55×84 мм и полностью совместимые со стандартом COM Express международного консорциума PICMG (www.picmg.com) по разъему COM.0 Type 1. Де–факто спецификация nanoETXexpress уже сама обрела статус открытого промышленного стандарта: весной 2008 года холдинг Kontron сделал ее общедоступной, опубликовав ее на своем корпоративном сайте (www.kontron.com), а также на посвященной новому форм–фактору специальной странице (www.nanoetxexpress.com). Спецификация nanoETXexpress уже поддержана рядом независимых компаний: Diamond Point, b–plus, ACCES I/O, Microteam и др.

Линейка nanoETXexpress предназначена для разработчиков, которые проектируют собственные уникальные встраиваемые решения для оборонных, аэрокосмических, промышленных, медицинских, коммуникационных и информационных приложений. Линейка Kontron nanoETXexpress быстро расширяется. Очередным представителем данной продуктовой серии стал модуль nanoETXexpress–SP, оснащенный перспективным x86–совместимым процессором Intel Atom Z5xx (рис. 1).

Сколько передовых технологий можно разместить на плате размером с кредитную карточку?

Ответ на этот вопрос зависит от методики подсчета. Для авторов настоящей статьи совершенно очевидно, что по числу новых технологий на единицу площади модуль Kontron nanoETXexpress–SP — абсолютный рекордсмен среди недорогих серийно выпускаемых продуктов уровня плат. Вот только каково это число?

«Компьютер на модуле»

Начать, вероятно, следует с самой идеи «компьютера на модуле». Возраст данной концепции приближается к 10 годам, что не мешает ей оставаться свежей, жизнеспособной и весьма перспективной. Суть идеологии COM состоит в разбиении разрабатываемой системы на стандартизованную и специализированную части. Роль стандартизованной части играет модуль COM, роль специализированной части — базовая плата (плата–носитель). Модуль COM — это готовое интегрированное компьютерное ядро будущей системы, включающее процессор, чипсет, память, сетевые и дисковые интерфейсы, графический контроллер и т. п. Все физические интерфейсы и дополнительные функции специализированного под конкретную задачу ввода/вывода несет на себе базовая плата. Модуль COM разработчик конечной системы покупает, базовую плату проектирует самостоятельно либо заказывает ее у третьей фирмы. Базовая плата может быть оснащена какими угодно дополнительными компонентами (ЦАП, АЦП, коммуникационными интерфейсами, DSP–процессорами, цифровым вводом/выводом), иметь любой формфактор, хоть овальный, лишь бы на ней был предусмотрен стандартный разъем СОМ. Размеры COM–модуля, расположение его разъемов и разводка контактов, посредством которых модуль COM подключается к базовой плате, унифицированы, что позволяет легко заменять одно COM–изделие другим и с минимумом усилий масштабировать возможности конечной системы на базе однажды разработанной базовой платы (рис. 2). Можно рассматривать концепцию COM и как разделение труда между поставщиком COM–модулей и разработчиком конечных решений: первый осуществляет рутинную базовую интеграцию процессора, чипсета и памяти, второй за счет этого быстрее выходит на рынок, а также более полно и качественно реализует в конечной системе (на базовой плате) свои ноу–хау. Конечная система в результате становится легко модернизируемой и быстрее появляется на рынке, а процесс ее разработки существенно удешевляется.

Концепция COM была изобретена международным холдингом Kontron¹. Он уже подарил индустрии встраиваемых систем целое семейство COM–стандартов: согласно установившейся традиции, спецификации, по которым Kontron создает свои «компьютеры на модуле», периодически становятся достоянием общественности. Kontron просто публикует эти спецификации на своем сайте, после чего их могут использовать все желающие. Именно так появились на свет открытые технологии DIMM–PC, E2Brain, ETX, ETX 3.0, ETXexpress, microETXexpress и nanoETXexpress, пользующиеся широкой поддержкой в отрасли. Спецификации ETXexpress и microETXexpress привлекли внимание международного консорциума PICMG (www.picmg.org) и после прохождения необходимых формальных процедур стали известны в мировой индустрии встраиваемых систем как официально одобренные открытые промышленные стандарты COM Express и Compact COM Express.

Наряду с DIMM–PC, конструктив nanoETXexpress, чьи размеры примерно соответствуют размерам кредитной карточки, относится к числу малогабаритных стандартизованных COM форм–факторов. Благодаря существованию подобных конструктивов, сегодня преимущества концепции COM доступны разработчикам современных ультрамобильных и портативных систем, желающим опередить конкурентов и применить в своих решениях передовые технологии.

Шина PCI Express

В мире настольных компьютеров и серверов быстрая последовательная шина PCI Express давно уже стала привычной, однако в индустрии встраиваемых систем она начинает получать широкое распространение лишь сейчас. Это нормальное явление: офисные технологии всегда приходят в сектор Embedded с некоторой задержкой. Сегодня необходимость в интерфейсе PCI Express на рынке встраиваемых систем назрела объективно, поскольку именно с его помощью можно в полной мере раскрывать возможности современных компонентов и обеспечивать их эффективное взаимодействие с высокопроизводительной периферией.

Адаптации шины PCI Express под специфику приложений класса Embedded посвящена целая серия COM–совместимых стандартов: ETXexpress/COM Express (габариты 125×95 мм), microETXexpress/Compact COM Express (95×95 мм) и nanoETXexpress (55×84 мм). Последний форм–фактор уникален в том смысле, что на данный момент изделия nanoETXexpress являются самыми миниатюрными из когда–либо созданных человеком полнофункциональных компьютерных ядер на базе 45–нанометровой технологии, оснащенных интерфейсом PCI Express. Более того, в модулях nanoETXexpress используется шина PCI Express второй версии — это достаточно редкое явление на рынке встраиваемых приложений в целом.

Разъем COM.0 Type 1

220–контактный разъем, при помощи которого модули nanoETXexpress подключаются к базовой плате, полностью совместим со спецификацией COM Express (COM.0 Type 1). Теоретически это позволяет устанавливать на одни и те же базовые платы модули трех типов: ETX Express/COM Express, microETXexpress/ Compact COM Express и nanoETXexpress. Для первых двух форм–факторов данная возможность действительно очень важна, однако в супермобильных приложениях, на которые ориентированы изделия nanoETXexpress, она будет использоваться нечасто.

Суть в другом. Коннектор COM.0 Type 1, определенный в стандарте COM Express, гораздо надежнее обычного краевого соединителя типа «гребенка», поскольку эффективнее противостоит воздействию ударов и вибрации и имеет гораздо лучшие характеристики в плане электромагнитной совместимости. Последнее очень важно для обеспечения нормального функционирования PCI Express, поскольку вторая версия PCI Express работает на вдвое более высокой частоте и требует вследствие этого лучшего экранирования. Поскольку в ближайшие годы шина PCI Express будет вытеснять интерфейс PCI из мобильных и портативных приложений, разъем, обеспечивающий ее адекватную поддержку, автоматически оказывается «ориентированным на будущее». Коннектор COM.0 Type 1 способен обеспечить для конечных систем более длительный жизненный цикл, и потому этот разъем и оснащенные им продукты очень хороши для использования в новых, рассчитанных на перспективу проектах.

Процессор Intel Atom

Процессор Intel Atom, на базе которого построен модуль nanoETXexpress–SP, сам по себе является средоточием новых технологий, методик и подходов. В чем и состоит основная трудность в подсчете числа новаций на квадратный дюйм, о котором говорилось выше.

Прежде всего, Intel Atom позиционируется как конкурент процессоров с архитектурой ARM. В том числе процессоров XScale, которые еще совсем недавно производились Intel, а теперь выпускаются компанией Marvell (подразделение XScale было продано компании Marvell в 2006 г.). Компания Intel приняла фундаментальное решение: производить микропроцессоры со стандартной системой команд х86 для всех мобильных и ультрамобильных приложений, отказавшись от поддержки и производства процессоров «нестандартной» для себя архитектуры ARM/XScale. Микроархитектура Intel Atom создает очень важный рыночный прецедент: это едва ли не первый случай, когда по своему энергопотреблению ЦП с системой команд x86 достойно смотрятся на фоне ARM–устройств аналогичной производительности, не уступая им по габаритам и энергопотреблению. При этом платформа Intel Atom имеет важнейшее, стратегическое преимущество перед ARM/XScale: на платформе Intel Atom работает любой софт, ориентированный на систему команд х86, что дает разработчикам встраиваемой техники массу преимуществ. Одно дело работать с «полууникальным» системным софтом для ARM и совсем другое — иметь гигантский выбор программного обеспечения для x86, вплоть до Windows XP Embedded.

Маркетинг здесь прямолинеен: архитектура ARM на протяжении многих лет — абсолютный лидер в секторах мобильной и портативной техники, и, коль скоро новый ЦП от Intel ориентирован на те же рынки, он должен приближаться к ARM–устройствам по своим ключевым эксплуатационным показателям, главные из которых — энергопотребление и производительность в мобильных приложениях. Проблема носит не рыночный, а сугубо технический характер: доводка архитектуры x86 до уровня ARM по энергопотреблению — задача весьма нетривиальная. Решить эту задачу не представлялось возможным как минимум до выхода на уровень 45 нм.

Итак, специалисты Intel поставили перед собой цель: создать процессор, совместимый с набором команд x86, но обладающий энергопотреблением и габаритами на уровне ARM и имеющий цену, устраивающую рынки мобильных устройств и встраиваемых приложений. В самом начале работ над новым ЦП пришло понимание того, что единственный путь для достижения этой цели — это разработка всей микроархитектуры с нуля. Пойдя этим путем, инженеры Intel создали процессор Intel Atom, демонстрирующий в целевых приложениях в несколько раз большую производительность по сравнению с близкими по энергопотреблению устройствами ARM (табл. 1).

Процессор Intel Atom — уникальное устройство, не имеющее аналогов в продуктовом предложении Intel и не вписывающееся ни в одно из существующих продуктовых семейств. Intel Atom — это совершенно новая процессорная архитектура, дающая начало новой продуктовой линейке среднепроизводительных дешевых чипов, потребляющих крайне мало электроэнергии и позволяющих использовать в мобильном и портативном сегментах программное обеспечение для процессоров x86. В таблице 2 приведены сведения о ЦП семейства Intel Atom, составляющих ультрамобильную серию Intel Atom Z5xx.

Как можно видеть из таблицы 2, тепловой пакет (Thermal Design Power — TDP) у процессоров Atom Z500 варьируется в пределах от 0,65 до 2,4 Вт. К этим цифрам нужно добавить энергопотребление чипсета Intel SCH, которое не превышает 2,3 Вт. Полная мощность, рассеиваемая ЦП и чипсетом, оказывается, таким образом, меньше 5 Вт. Это заметный прогресс по сравнению с существующими экономичными x86–решениями: заявленное энергопотребление одного процессора VIA Nano, работающего на частоте 1,8 ГГц, составляет 25 Вт (!), одного чипа 900–МГц процессора Intel Celeron M ULV — 5 Вт.

Процессор Intel Atom необычен во многих отношениях. Это единственный x86–совместимый процессор с поддержкой EM64T, SSSE3, Intel VT (Virtualization Technology) и других современных функций, это первое за последние несколько лет изделие Intel, поддерживающее технологию виртуальной двухъядерности Hyper–Threading (новое название — Simultaneous Multithreading, SMT), это первое с 1993 года устройство Intel с очередным выполнением команд. Наконец, это едва ли не единственный ЦП марки Intel с асимметричным кэшем L1 (24 кбайт для данных и 32 кбайт для команд). Часть этих особенностей — следствие борьбы за драгоценные милливатты, часть обусловлена новизной микроархитектуры Intel Atom, часть является следствием оптимизации производительности. Наиболее неожиданное событие, пожалуй, — возврат технологии HyperThreading: в век истинной многоядерности уже мало кто ожидал увидеть на рынке новые виртуально многоядерные устройства. Однако Intel Atom — это не Core 2 Duo. Он лежит вне генеральной линии развития процессорной техники Intel для рынков серверов и ПК, и ему Hyper–Threading пришлась как нельзя кстати, что подтверждают результаты сравнительного тестирования: включение функции Hyper–Threading способно увеличить производительность Intel Atom в полтора и более раза (рис. 3). Рабочая частота Intel Atom 230 была искусственно уменьшена до уровня VIA C7 (1,5 ГГц). Тестирование производилось экспертами издания Tom’s Hardware (www.tomshardware.com).

Итак, корпорация Intel полностью закрыла линию ARM/XScale и вышла на все мировые рынки ультрапортативных, ультрамобильных приложений с новым недорогим решением Atom, обладающим исключительными достоинствами в глазах разработчиков и потребителей: от цены и энергопотребления до габаритов и наличия гигантского пула программного обеспечения, написанного под систему команд x86. Остальное — детали…

Характеристики модуля nanoETXexpress–SP

Модуль nanoETXexpress–SP рассчитан на процессоры серии Intel Atom Z5xx, работающие на частотах от 1,1 до 1,6 ГГц. Сохраняя совместимость с набором команд x86, платформа Intel Atom весьма компактна и потребляет очень мало электроэнергии: размеры самого ЦП составляют 13×14 мм, размеры одночипового интегрированного чипсета Intel System Controller Hub (SCH) US15W — 22×22 мм (рис. 4), а суммарное энергопотребление связки «процессор + чипсет» не превышает 5 Вт.

Модуль nanoETXexpress–SP оснащен загрузочным флэш–накопителем на 2 Гбайт и запаянной системной памятью DDR2 400/533, объем которой может достигать 1 Гбайт. В разъем COM Express Type 1 выведены порт Gigabit Ethernet, канал Serial ATA, восемь портов USB 2.0 (один с клиентской функциональностью, дающей возможность присоединять систему на базе nanoETXexpress–SP к любому ПК как обычную USB–периферию) и шина PCI Express x1, которую можно использовать для подключения различных устройств расширения на плате–носителе. Если поддержка локальной сети не нужна, возможна реализация дополнительных линий PCI Express. Доступен внешний мост, сопрягающий шины PCI Express и PCI. Модуль nanoETXexpress–SP совместим с технологиями серии SD/SDIO (SD, miniSD, MMC и DE–ATA): поддержка соответствующих интерфейсов реализуется на базе контактов разъема COM Express для линий GPIO. Возможности видеоподсистемы Kontron nanoETXexpress–SP не могут не впечатлять: 18/24–разрядный канал LVDS, графическая память объемом 256 Мбайт, интегрированные декодеры MPEG2 и H.264 и поддержка визуализации в форматах HDTV — это явно больше, чем может потребоваться большинству перспективных мобильных и портативных устройств.

Программная поддержка модуля Kontron nanoETXexpress–SP включает BSP–пакеты для операционных систем Linux, Windows XP, Windows XP Embedded, Windows CE и ОС реального времени VxWorks. Возможно создание пакетов BSP и под другие популярные ОСРВ типа QNX, LynxOS и т. п. Это делает изделие Kontron nanoETXexpress–SP универсальным в полном смысле слова, то есть подходящим для применения в самых различных приложениях: от потребительской мобильной техники до глубоко встроенных боевых систем, от мобильных средств связи до рекламных терминалов, медицинских приборов и промышленных ПЛК.

Выигрышная комбинация

Процессор Intel Atom и форм–фактор nanoETXexpress как нельзя лучше подходят друг к другу, поскольку оба они ориентированы на недорогую мобильную, портативную и встраиваемую технику следующего поколения.

Сверхмалые размеры плюс совместимость со стандартом COM Express — это очень сильная комбинация. Добавив сюда малопотребляющий процессор Intel Atom, совместимый с набором команд x86, получаем и вовсе революционное решение — платформу для ультрамобильных и глубоко встроенных систем, на которой можно запускать полноценное «настольное» программное обеспечение.

Последний момент заслуживает того, чтобы о нем поговорить особо. Похоже, что тайные мечты пользователей КПК, коммуникаторов, прочей мобильной техники и встраиваемых устройств начинают, наконец, сбываться. Ведь что такое ПО для процессоров x86? Это те самые операционные системы, интернет–браузеры, графические пакеты, офисные и другие приложения, что работают на наших с вами персональных компьютерах. Ничто не мешает запустить на процессоре Intel Atom ни оригинальную Windows Vista, ни Adobe Photoshop последней версии.

Когда одни и те же программы будут использоваться на самых разных платформах, наступит новая эра. Границы между системами различной ориентации начнут размываться, слово «компьютер» лишится приставок «мобильный», «настольный», «встраиваемый», «портативный» и «офисный» и станет употребляться как по отношению к громоздким аппаратным блокам, стоящим на полу, так и по отношению к миниатюрным устройствам, помещающимся в карман. Не об этом ли мечтают идеологи проектов Origami Project/UMPC (Ultra Mobile PC), пытающиеся создавать карманные устройства с функциональностью «большого» офисного или домашнего ПК?

Исходя из технических характеристик модуля Kontron nanoETXexpress–SP можно заключить, что его целевым рынком являются ультрамобильные и встраиваемые приложения, где требуются достаточно быстрые процессоры с системой команд x86, передовые графические возможности, поддержка интерфейсов PCI Express, USB 2.0 и Serial ATA, а также длительные сроки работы от батарей/аккумуляторов. Более конкретно: Kontron nanoETXexpress–SP будет отличным выбором для различных носимых устройств медицинского назначения, портативной мультимедийной техники и компактных систем для работы с данными, а также для промышленных, контрольно–измерительных, бортовых и авиационных приложений. Кроме того, данный модуль способен дать жизнь целому классу новых устройств и систем, которые просто не могли появиться раньше по причине ограничений, связанных с энергопотреблением и размерами комплектующих, а также в связи с отсутствием соответствующей программной базы. Речь идет о тех же UPMC, то есть об ультрамобильных персональных компьютерах, мобильных интернет–устройствах (Mobile Interned Device — MID), иной портативной технике и других системах, названия для которых пока не придуманы.

На основе nanoETXexpress–SP уже разрабатываются первые клиентские решения. Компания Diamond Point International (www.dpie.com) будет применять модуль nanoETXexpress–SP в новых индустриальных компьютерах серии RD–103, компания b–plus (www.b–plus.com) создает на базе nanoETXexpress–SP новые платформы для промышленных КПК (продуктовая линейка embedded PDA — ePDA). Другие компании, такие как ACCESS I/O (www.accesio.com) и Microteam Oy (www.microteam.fi), разрабатывают для nanoETXexpress–SP базовые платы, как по собственной инициативе, так и на заказ. Одним из решающих аргументов в пользу nanoETXexpress–SP явилась его низкая цена. В числе других причин, побудивших эти компании выбрать модуль nanoETXexpress–SP, клиенты отмечают сверхмалые габариты платформы nanoETXexpress, делающие ее подходящей для мобильных и портативных устройств, стандартный разъем COM Express Type 1, позволяющий использовать существующие наработки, чрезвычайно низкое энергопотребление процессора Intel Atom, открывающее перед программными и аппаратными технологиями из мира x86 те секторы, где традиционно доминировали RISC–архитектуры, а также высокую производительность нового ЦП, превосходящую запросы многих сегодняшних приложений на этих рынках.

Ценность nanoETXexpress–SP для профессиональных разработчиков обусловлена тем, что это не «голый» процессор и не набор из процессора и чипсета, а готовая интегрированная недорогая платформа, которую можно и нужно использовать как ядро разрабатываемой мобильной системы. Покупая модуль nanoETXexpress–SP, разработчик получает перспективный процессор Intel Atom на стандартизованной плате сверхмалых размеров, для которой уже написана масса системного и прикладного ПО, что позволит ему выпустить свою систему на рынок в самые сжатые сроки, наделив ее при этом современной функциональностью.

Трудно ли сделать собственную плату носитель?

По нашему мнению — нет. Аппаратчики, используя подробную документацию на модуль nanoETXexpress и отдельные подробные инструкции по проектированию собственных плат–носителей, создадут свое уникальное оптимизированное решение очень быстро. На стартовом этапе разработки достаточно иметь уже готовые универсальные платы–носители от Kontron (рис. 5) или другой компании для nanoETXexpress–SP.

Кому и почему это выгодно?

Программисты могут начинать работать немедленно. Их работа в большинстве случаев сведется к простому переносу ПО со стандартного ПК на платформу nanoETXexpress/Atom. Автоматически снизятся и требования к квалификации и стоимости труда системных программистов, которые в «доAtomную» эру работали на узкоспециализированных архитектурах типа XScale. Чрезвычайно упрощается работа проектировщиков аппаратного обеспечения, причем как на этапе создания первоначальной модели или прототипа конечного изделия, так и в процессе его дальнейшей модернизации. Снабженцы, вместо того чтобы долго и нудно закупать множество разрозненных компонентов от разных компаний, смогут приобретать одну единственную позицию — модули nanoETXexpress–SP, что приведет к резкому снижению логистических издержек. Благо стоит nanoETXexpress–SP недорого: в Европе модуль nanoETXexpress–SP с процессором Atom, работающим на частоте 1,1 ГГц, 256 Мбайт флэш–памяти, 256 Мбайт памяти DDR2 и др. при объемах заказов от 500 шт. обойдется клиенту лишь в 115 евро! А самая дорогая версия с 1,6–ГГц процессором Atom, 2 Гбайт флэш–памяти, 512 Мбайт памяти DDR2 и поддержкой сетей Gigabit Ethernet стоит в ОЕМ–количествах порядка 210 евро.

Когда на рынке существуют столь привлекательные предложения, закупать отдельные компоненты процессорного ядра (процессор, память, чипсет, сетевые контроллеры и т. п.) с их последующей интеграцией собственными силами нет никакого смысла. Дешевле и надежнее для бизнеса купить готовый модуль nanoETXexpress–SP, выпускающийся крупными сериями и имеющий гарантийный срок не менее 2 лет и срок доступности не менее 5 лет. Кроме того, конечные решения на базе nanoETXexpress–SP легко модернизировать: для обновления системы будет достаточно заменить использующийся в ней модуль nanoETXexpress на более свежую версию. Поэтому ответ на вопрос «Кому это выгодно?» звучит очень просто: компаниям, которые желают сократить циклы и стоимость процессов разработки и производства своих изделий и тем самым обеспечить лучшие показатели своего бизнеса в целом. А ответу на вопрос «Почему это выгодно?», собственно, и посвящена настоящая статья.

Заключение

В силу специфики своей работы мы уделяем довольно много времени изучению самых разнообразных технологий и изделий на рынке ВКТ. Нас сложно чем–либо удивить. Однако, изучая абсолютно новое явление в индустрии встраиваемых компьютерных технологий, каковым является платформа nanoETXexpress + Intel Atom, трудно удержаться от искреннего восхищения ее красотой, логичностью и завершенностью. Помимо инженерных и экономических аспектов, которые были обсуждены, обращает на себя внимание сугубо эстетическая сторона дела. Модуль nanoETXexpress–SP — это маленький, но яркий и чрезвычайно полезный ВКТ–шедевр, и мы отдаем должное инженерам разных компаний мира, внесших свой вклад в его создание.

¹Ежегодные объемы продаж малогабаритного COM–оборудования марки Kontron превышают 100 млн евро.