Проектирование встраиваемых систем и портирование программного обеспечения упрощаются: платы Kontron на основе Intel Core 2 с кросс-платформенным промежуточным программным обеспечением
В семействе процессоров Intel Core 2-го поколения значительно повышена вычислительная мощность, увеличена скорость обработки графической информации и снижено энергопотребление. Благодаря устойчивой тенденции по улучшению соотношения производительность/энергопотребление и уменьшению размера процессорного кристалла, это семейство становится ключевым кандидатом на замещение в 2011 году почти всех существующих х86-платформ, за исключением класса Intel Atom. Однако рассмотрим, в чем именно состоит секрет привлекательности этих новых процессоров.
Новая процессорная архитектура
Процессорная линейка Intel Core 2-го поколения базируется на новой микроархитектуре, которую сами разработчики характеризуют как visibly smart, что можно перевести как «Умище не спрячешь!». Она включает в себя новый процессорный разъем, известный как LGA-1155, и значительно более широкий спектр функций. Кроме встроенного контроллера памяти (с поддержкой коррекции ошибок — ECC) и PCIe 2.0 (5 GTps), на кристалле нового процессора размещен сверхмощный графический блок. Это означает, что графический блок также выполнен по 32-нм процессорной технологии и поэтому работает с большей энергоэффективностью. Более того, тактовая частота графического блока может изменяться, что способствует еще большей оптимизации энергопотребления нового процессора. Новая кольцевая архитектура позволяет графическому и процессорному ядрам эффективно разделять такие ресурсы, как кэш или память. Разработчики приложений смогут использовать новые возможности, которые открываются благодаря значительно улучшенным вычислительным и графическим характеристикам новых процессоров, не выходя при этом за пределы прежнего энергопотребления.
Высокая степень интеграции
Благодаря 22%-ному уменьшению площади, занимаемой новым процессором, появляется возможность высокого уровня интеграции печатных плат. Именно поэтому новое поколение процессоров Intel становится оптимальным выбором для создания малогабаритных устройств, которые получают все преимущества 4-ядерной процессорной архитектуры.
Однако применением во все более миниатюрных мобильных приложениях процессорное семейство Intel Core 2 не ограничивается: благодаря высокой степени масштабируемости вычислительных возможностей, функциональности и энергопотребления, оно пригодно для использования в полном спектре встраиваемых приложений, вплоть до высокопроизводительных встраиваемых вычислений (high-performance embedded computing, HPEC-приложения), в которых может быть задействовано до четырех ядер каждого процессора.
Дополнительные улучшения
Что касается особенно ресурсоемких приложений, то в новых процессорах предусмотрена технология Turbo Boost. С помощью этой технологии ресурсы процессорных и графических ядер автоматически перенастраиваются в сторону увеличения производительности, а вычислительная нагрузка перераспределяется таким образом, что пользовательские приложения в любой необходимый момент получают в свое распоряжение немедленный рост производительности. Еще одно новшество, связанное с новыми процессорами, — это расширение системы команд до 256 бит, известное как Advanced Vector Extensions. AVX увеличивает производительность, расширяет функциональность и улучшает возможности по управлению данными, их изменению и сортировке. Новая система команд ускоряет выполнение операций с плавающей запятой в таких приложениях с интенсивными вычислениями, как сверхбыстродействующие вычислительные комплексы («цифромолотилки») или цифровая обработка изображений, видео- и аудиоинформации.
Управление огромными массивами данных
Благодаря новым возможностям встраиваемые платформы на базе процессоров Intel Core 2 становятся оптимальным решением для реализации приложений, требующих обработки огромных массивов информации в условиях ограниченного энергопотребления. Первая область применений, где будут востребованы такие инновации, как AVX и улучшенные характеристики обработки графической информации, связана с системами, обеспечивающими ситуационную осведомленность, и такими приложениями, как радары, сонары, обработка изображений, видеонаблюдение с распознаванием и автоматизированная диагностика (computer-aided diagnostics, CAD).
Встроенные платформы, оснащенные этими ЦП с новыми графическими ядрами, могут также управлять тремя независимыми дисплеями. Используя новые цифровые графические интерфейсы типа DisplayPort с допустимой длиной подключаемого без репитеров кабеля до 10 м, разработчики получают возможность создания централизованной компьютерной архитектуры с децентрализованным подключением дисплеев для реализации удаленных человеко-машинных интерфейсов. А это открывает перспективы для второй новой области применений — использования промышленных серверов с максимально тонкими клиентами, в составе которых только клавиатура, видеомонитор и мышь (KVM), что значительно сокращает расходы на установку и обслуживание оборудования, а также повышает его ремонтопригодность. Однако главный выигрыш, который достается этой сфере применений, — значительно возросшая скорость обработки графической информации.
Новый стандарт для x86-оборудования выходит на рынок в разных «обличьях»
Благодаря столь привлекательному спектру новых характеристик процессоры Intel Core i3/i5/i7 2-го поколения подходят для замены многих существующих процессорных платформ в новых разработках. Учитывая тот факт, что технологии Intel Core 2 — это важнейший этап в области развития встраиваемых компьютерных технологий, компания Kontron внедряет эти передовые высокопроизводительные энергоэкономичные процессоры в стандартные форматы плат для встраиваемых систем: от «компьютеров на модуле», одноплатных компьютеров и материнских плат до высокопроизводительных систем VPX и CompactPCI.
«Первой ласточкой» в череде продуктов на основе новой генерации высокоинтегрированных процессоров Intel стал «компьютер на модуле» ETXexpress-SC в стандарте COM Express. Плата Kontron ETXexpress-SC (рис. 1) — первый «компьютер на модуле» в формате COM Express basic, с 4-ядерным процессором Intel Core i7 2715QE 2-го поколения, концентратором ввода/вывода Intel Mobile QM67 и портом USB 3.0. В первом полугодии 2011 года за ним последовали встраиваемые материнские платы KTQM67/mITX и KTQM67/Flex-ATX (рис. 2), а также процессорные платы 6U CompactPCI CP6003-SA (рис. 3) и 3U VPX VX3035 (рис. 4). В течение 2011 года планируется также выпустить платы в других форматах, включая 3U CompactPCI, PCIe/104 и ATX, а также несколько промышленных ПК для рынков промышленной автоматики, транспорта и иных ответственных применений.
Единый встраиваемый API-интерфейс для всех будущих платформ
С появлением на рынке все возрастающего количества плат, систем и платформ на основе новых процессоров Core 2-го поколения перед разработчиками и OEM-производителями встает задача внедрения этой передовой технологии в свои новые и существующие приложения, включая макетирование и тестирование всех функциональных возможностей создаваемого приложения и доступ к функциям аппаратных средств и устройств ввода/вывода. Для сокращения затрат на НИОКР, снижения общих расходов и ускорения выхода готового продукта на рынок очень важно сократить количество стадий на начальных этапах разработки и в процессе переноса старого ПО на новые платформы.
Один из подходов — воспользоваться услугами по переходу на новые платформы, которые предоставляются поставщиками аппаратных компонентов. Особенно удобен и экономически выгоден этот подход в случаях, когда поставщик предлагает такие услуги для платформ со стандартизованными и унифицированными программными интерфейсами, наподобие PICMG (EAPI) Embedded Application Programming Interface или IPMI, поскольку для доступа к аппаратным функциям не нужно вносить значительные изменения. Тем не менее даже эти интерфейсы имеют ограничения, связанные со специализированными функциями и форм-факторами.
Для того чтобы услуги по переходу на новые платформы стали еще удобнее, дешевле и эффективнее, есть много чего другого, что может быть стандартизовано в дальнейшем. Исходя из подобных соображений, компания Kontron выпустила Kontron EAPI (Kontron Embedded Application Programming Interface) — кросс-платформенное промежуточное ПО, полностью независимое от используемых форм-факторов и операционных систем (рис. 5). Оно совместимо с EAPI-интерфейсом консорциума PICMG, как об этом говорится в последней спецификации COM Express — COM.0 rev. 2, но не зависит от форм-факторов и операционных систем и обладает расширенным набором возможностей. ПО Kontron EAPI включает дополнительные вызовы функций, такие как работа с основной системной информацией (например, о ЦП, памяти, жестком диске и батарее питания), мониторинг температуры и напряжения, управление рабочими характеристиками и температурным режимом ЦП.
Все эти программные интерфейсы с аппаратными средствами можно легко связать с языками программирования высокого уровня типа C++ или Java, что значительно упрощает процесс разработки системного и прикладного ПО. Кроме того, все подобные наработки, сделанные в предыдущем проекте, можно повторно использовать даже при переходе на другие платформы Kontron. Это не только сокращает количество работы, необходимой для макетирования и тестирования создаваемого продукта, но и ускоряет его выход на рынок.
В дополнение ко всему вышесказанному, в эти унифицированные API-интерфейсы добавлены функции дистанционного мониторинга и управления, что позволит улучшить обслуживание, облегчить ремонт и снизить общую стоимость владения конечной системы. Этот стандартизированный интерфейс OEM-производители могут использовать и для предложения своим заказчикам дополнительных услуг, таких как дистанционное обновление ПО, дистанционный мониторинг работы оборудования и расширенные возможности планового обслуживания.
Этот унифицированный интерфейс поможет сократить расходы на НИОКР и упростить переход на новые платформы. Теперь появилась возможность проводить начальное макетирование новой разработки с использованием, например, «компьютера на модуле» с платой-носителем, а затем переносить разработку на материнскую плату или модуль VPX и доводить ее до окончательного решения. Благодаря предлагаемым услугам по переходу на новые платформы заказчики могут использовать описываемые новейшие технологии во всех подходящих форм-факторах одновременно с появлением новых процессоров на рынке. Кроме того, сам переход значительно упрощается, что ведет к экономии времени.
Особенно важно отметить то, что для разработчиков программного обеспечения наступает новая эпоха. Как только новый интерфейс реализован, каждый дополнительный переход на новые платформы становится гораздо проще. К новым аппаратным функциям можно будет обращаться на высоком уровне абстракции, что существенно сокращает трудоемкость разработки. Спецификация 1.0 интерфейса Kontron EAPI реализуется специалистами Kontron для всех новых стандартных плат этой компании. В ближайших планах Kontron — добавление в спецификацию новых функций при сохранении обратной совместимости с существующей спецификацией. Все это поможет разработчикам и OEM-производителям управлять жизненным циклом своих изделий и значительно увеличит время присутствия на рынке уже разработанных приложений, независимо от типа форм-фактора и использованного в этом приложении поколения процессоров.
Заказные разработки, включая опции ввода/вывода на базе FPGA-матрицы
Кроме поставок встраиваемых компьютерных технологий в стандартных форм-факторах, компания Kontron предлагает услуги по проектированию для своих новых процессорных платформ. Спектр этих услуг простирается от модификации плат в соответствии с требованиями заказчика (когда у стандартного модуля убираются ненужные функции или в него добавляются необходимые) до проектирования, производства и требуемой сертификации полностью заказных модулей, систем и платформ, готовых для применения. Двадцати каналов PCIe, предоставляемых процессорами Intel Core 2, более чем достаточно для реализации быстродействующих вычислителей — «цифромолотилок» с ЦОС на базе FPGA-матрицы.
Все возможные прошивки FPGA, параллельно с выпуском на рынок нового процессора, можно напрямую моделировать и тестировать с помощью стартового комплекта COM Express FPGA Starter Kit. Этот комплект имеет два высокоскоростных HSPMC-интерфейса, управляемых FPGA-матрицей Altera Cyclone IV GX, и поддерживает COM Express-модуль ETXexpress-SC на базе Core 2-го поколения.
Услуги по переносу на новые платформы ПО
Глобальный центр программных разработок компании Kontron предлагает услуги по переносу прикладного ПО на новые платформы Kontron с EAPI-интерфейсом. В отличие от обычного процесса портирования, эти услуги обеспечивают возможность для программистов сократить объемы двоичного кодирования, которое приходится выполнять разработчикам и OEM-производителям для доступа к необходимым аппаратным функциям. В целом затраты на НИОКР уменьшаются уже во время первого проектирования новой платы, в которой реализуется EAPI-интерфейс. Инженеры-программисты могут создавать новые и совершенствовать имеющиеся функции параллельно, добиваясь максимально возможных рабочих характеристик разрабатываемого приложения. В дальнейшем, при будущих модернизациях аппаратной платформы, им больше не понадобится большое количество услуг по переносу ПО, поскольку они смогут использовать платформы с EAPI-интерфейсом Kontron в режиме «установи и запусти», без необходимости дорабатывать какие-либо программные коды. С этим покончено — благодаря тому, что для доступа к аппаратным средствам и устройствам ввода/вывода используются интерфейсы с полностью идентичными функциями. При этом устранена всякая зависимость от какого-либо форм-фактора. В результате рабочие взаимодействия между программистами OEM-производителя и поставщиками аппаратных компонентов становятся максимально понятными и прозрачными.
Ожидается, что благодаря массовому использованию стандартизованных интерфейсов доступа к аппаратным средствам между поставщиками встраиваемых плат и программными подразделениями компаний-разработчиков и OEM-производителей установится новая, эффективная форма сотрудничества.