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Embedded-Boards Die neuen Standardplattformen und integrierten Technologien

| Autor / Redakteur: Wolfgang Heinz-Fischer* / Holger Heller

Neue Schnittstellen und Technologien kommen auf den Markt oder sind bereits angekommen. Neben aktueller Prozessortechnologie mit Multicore-Funktionen bieten die CPUs und Chipsätze eine Reihe zusätzlicher Schnittstellen, u.a. PCI Express, SerialATA, High Speed USB, Giga LAN und SVDO.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Multicore-Technologie ist für Board-Hersteller das kleinere Problem, handelt sich hier überwiegend um eine Softwareanpassung. Für die neuen Schnittstellen sind für viele Standardplattformen Änderungen erforderlich, da in den bisherigen Standards die Schnittstellen nicht beschrieben werden, und weil sie zum Zeitpunkt der Festlegung des Standards noch nicht etabliert oder bekannt waren. In den meisten Standardisierungsgremien wurden die Weichen bereits gestellt und neue Standards definiert. Manche Plattformen warten aber auf eine tragfähige Idee. Bei der Vielzahl von Standardplattformen kann man leicht den Überblick verlieren. Welche Standardplattformen befinden sich also am Markt und wie werden hier die neuesten Technologien integriert?

Eine nahezu unübersichtliche Anzahl an Plattformen steht zur Verfügung. Hierzu zählen sowohl unter Organisationen oder Gremien definierte Standardplattformen als auch Quasi-Industriestandards oder weithin gebräuchliche Plattformen (Bild 1). Zu den verwalteten Standards zählen u.a. PC/104-, EPIC- und PICMG-Slot-Cards. Dazu rechnet man alle Formen von ATX-Mainboards und EBX. Die 3,5"-Plattform ist eine weit verbreitete und sehr kompakte Standardplattform.

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PC/104

PC/104 ist zwar in die Jahre gekommen, hat aber immer noch seinen festen Platz in industriellen Anwendungen und Steuerungen. Bis jetzt konnte der Standard mit allen technologischen Veränderungen von ISA- bis PCI-Bus Schritt halten und sich entsprechend anpassen. Wie sieht es jedoch mit der Integration der neuen Schnittstellen aus? Serial ATA ersetzt in aller Regel die IDE-Schnittstelle und ist im Wesentlichen auf dem Board nur ein anderer Stecker. Gleiches gilt für den Schritt von USB1.0 nach USB2.0, eine Integration ist eine Designfrage und nicht ein Problem für PC/104. Auch die Integration von SVDO ist mehr eine Designfrage.

Bei Giga LAN ist mit dem Einsatz eines entsprechenden PHY das Problem auf dem Board zu lösen. Bei PCI Express sieht es jedoch problematischer aus. Mit dem z.Zt. eingesetzten Steckersystem bei PC/104 können die Übertragungsgeschwindigkeiten von PCI Express heute bis 2,5 GBit/s nicht realisiert werden. Als Steckersystem könnten Systeme wie sie aus COM Express bekannt sind eingesetzt werden. Wo jedoch den Stecker platzieren? Soll der PCI- und/oder ISA-Bus-Stecker bleiben, um eine Kompatibilität zur PC/104 weiterhin zu gewährleisten? Viele Fragen, für die zur Zeit noch kein schlüssiges Konzept in der PC/104-Gruppe vorgestellt wurde. Dennoch hat diese Gruppe und der PC/104-Standard eine Zukunft, sowie mit EPIC und EPIC Express noch weitere Eisen im Feuer.

3,5" Biscuit

Eine Reihe von Herstellern bietet die 3,5"-Biscuit-Plattform an, mit 146 mm × 105 mm die kompakteste unter den reinen SBC-Boards (Bild 2). Da bis auf die Größe nichts definiert ist, bleibt es jedem Hersteller überlassen, Schnittstellen zu integrieren, Stecker anzuordnen und hinzuzufügen, was auch immer möglich ist. Die Stärke der Plattform ist jedoch, dass bereits fast alle Schnittstellen auf Stecker herausgeführt sind, so dass eine gewisse Austauschbarkeit zwischen unterschiedlichen Herstellern durchaus möglich ist. Als Standarderweiterung bieten fast alle Anbieter den PCI-Bus für PCI-104 Steckkarten. Wie bei PC/104 lassen sich die meisten neuen Schnittstellen unproblematisch implementieren. Dazu zählen Serial ATA, Giga LAN, USB2.0 und SVDO. Eine einfache Integration von PCI Express, wie es u.a. bei Industrial Mainbaords realisiert wird, ist möglich.

Wie sieht es jedoch mit einer PCI-Express-Bus-Erweiterung aus, in Analogie zur PCI-104-Erweiterung? Advantech hat mit dem MIO/160 Interface eine Lösung aufgezeigt: eine offene Schnittstellendefinition mit 160 Pins und einem industrietauglichen Board-zu-Board Steckersystem, das für PCI Express auch in der nächsten Generation mit bis zu 5 GBit/s Übertragungsgeschwindigkeit ausgelegt ist. Auf dem Interface sind neben dem PCI Bus auch PCI Express x4, Grafik, USB2.0, SMBus und Low Pin Count definiert. Somit steht eine fast uneingeschränkte Erweiterung mit entsprechenden Zusatzboards, ähnlich dem PC/104-Prinzip, zur Verfügung. Alle neueren 3,5" Biscuit Boards von Advantech bieten die MIO/160-Erweiterung.

EPIC

Mit EPIC (Embedded Platform for Industrial Computing) hat die PC/104-Gruppe einen neuen Standard vorgestellt. Ähnlich wie bei Standard-SBCs (3,5", EBC) ist hier der Prozessor auf dem EPIC-Board platziert und mit PCI/104-plus-Erweiterung steht die Welt offen für alle Erweiterungen mit PC/104- und PC/104-plus-Formfaktor. Damit sind auch High Performance Lösungen mit PC/104 und PC/104 plus Erweiterung realisierbar. Die Boardgröße liegt mit 165 mm × 115 mm zwischen den Plattformen 3,5" Biscuit und EBC. Inzwischen bieten zahlreiche Hersteller entsprechende Boards an. Die Integration der neuen Schnittstellen ist in gleicher Weise wie bei 3.5" Biscuit möglich.

Als Buslösung für PCI-Express-Bus-Erweiterungen hat die PC/104-Gruppe den neuen Standard EPIC Express vorgestellt. Anstelle der PCI-Bus-Erweiterung tritt eine PCI-Express-Bus-Erweiterung (Bild 3). Entsprechende Erweiterungsboards müssen noch entwickelt und angeboten werden. Die Lösung ist ein erster Ansatz für die PCI-Express-Bus-Erweiterung in der PC/104-Welt, birgt jedoch noch eine Reihe offener Fragen. So ist es aus mechanischer Sicht nicht möglich, eine Standard-PC/104-plus-Karte aufzustecken und für alle PCI-104-Karten fehlt das Interface. Der Markt wird entscheiden, ob diese Lösung tragfähig ist.

EBX/5,25" Biscuit

Für alle EBX- und 5,25"-Biscuit-Boards, mit einer Boardfläche von 203 mm × 146 mm der größten SBC-Plattform wiederholen sich die Argumente der 3,5" Biscuit Boards. Eine weit verbreitete, von vielen Herstellern angebotene SBC-Plattform, die bis auf die Boardgröße nicht normiert ist. Die Integration von neuen Schnittstellen erfolgt analog zu 3,5" Biscuit Boards.

Slot Cards

Unter PICMG 1.0 ist der Standard für Slot Cards beschrieben. Eine Integration der neuen Schnittstellen ist analog zu anderen Plattformen möglich. Mit PICMG 1.3 ist jedoch eine wesentlich bessere Lösung als Standard definiert, die die Integration von PCI Express als Bus-Erweiterung beschreibt (Aufmacherbild). Im Standard sind sowohl CPU-Karten mit voller Länge als auch Karten mit halber Länge definiert. Die Abmessungen der Karten sind gleich zu PICMG-1.0-Karten, damit alle bisherigen PICMG-1.0-Gehäuse weiterhin eingesetzt werden können und nicht in das Design neuer Gehäuse investiert werden muss.

PCI-Signale stehen optional auf dem Kartenstecker zur Verfügung und garantieren damit die Abwärtskompatibilität zu bestehenden PICMG-1.0-Karten. Die komplette Stromversorgung der Karte erfolgt über den Kartenstecker und nicht wie bei PICMG 1.0 über teilweise extra Stromversorgungsstecker. Um auch für leistungsstärkere Prozessoren gerüstet zu sein, wurden zusätzliche Stromversorgungspins festgelegt, die eine theoretische Versorgung bis zu ca. 550 W ermöglichen. Neuere Stromversorgungsmanagementfunktionen wie Wake-/Sleep-Modus oder Soft-Systemstart werden nach den ACPI-Spezifikationen unterstützt und dazu sind die entsprechenden Pins wie PSON#, PWRGD und PWRRBT# herausgeführt.

Dies erspart den bei PICMG-1.0-Karten bekannten zusätzlichen Kabelaufwand. Zusätzlich zu den schon beschriebenen Schnittstellen PCI Express und PCI auf dem Kartenstecker stehen weitere Funktionen wie IPMI, SM Bus, Serial ATA, USB und Ethernet zur Verfügung und werden über den Kartenstecker zur Backplane geführt. Die größere Anzahl an Schnittstellen auf dem Kartenstecker ermöglicht eine größere Flexibilität von Backplanes nach PICMG-1.3-Spezifikationen. Zusätzlich wird der zusätzliche Kabelaufwand reduziert, was einen einfacheren und besseren Airflow im System ermöglicht. Der größte Vorteil ist jedoch der Leistungssprung von PICMG-1.0- zu PICMG-1.3-Systemen. Mit dem Einsatz von seriellen Punkt-zu-Punkt-PCI-Express-Verbindungen können sehr hohe Übertragungsraten erreicht werden. Die theoretische Grenze der Übertragungsbandbreite bei PICMG-1.0-Karten beträgt 538 MB/s über den ISA-plus-PCI-Bus (32/64 Bit). SHB-Systeme erreichen eine theoretische Übertragungsbandbreite von 10266 MB/s über 20 PCI Express Lanes und PCI-Bus (32/64 Bit).

Industrial Mainboards

Industrial Mainboards sind Industriestandards, die in der Boardgröße, der Position der Montagepunkte, Erweiterungssteckplätze und Ausgangsstecker definiert sind. Die Formfaktoren ATX (305 mm × 244 mm), MicroATX (244 mm × 244 mm), MiniATX (244 mm × 180 mm) und MiniITX (170 mm × 170 mm) werden von einer Vielzahl von Herstellern angeboten, sind dank der gleichen Montagepunkte in die gleichen Gehäuse einzubauen und bieten dank der Bandbreite angebotener Mainboards und einer unüberschaubaren Anzahl an Erweiterungskarten für alle Anwendungen eine ideale Lösung. Die Integration neuester Schnittstellen erfolgt analog zu SBCs auf dem Board. PCI Express wird intern zum Anschluss entsprechender Bausteine genutzt. Zusätzlich werden wie in der PICMG 1.3 beschrieben Erweiterungssteckplätze für PCI-Express-Erweiterungskarten verfügbar gemacht. Somit steht PCI Express auch auf Industrie-Mainboards zur Verfügung und bringt die Boards damit in neue Leistungsklassen.

*Wolfgang Heinz-Fischer ist European Marketing Director bei Advantech in Feldkirchen/München.

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