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NXP i.MX 8 Computer-on-Modules von congatec Ein Ökosystem für Vision, KI und unzählige weitere Möglichkeiten

Mit SMARC und QSeven Computer-on-Modules wurde die Familie der softwarekompatiblen NXP i.MX 8 Applikationsprozessoren nun auch pinkompatibel gemacht. Applikationsentwickler können nahtlos vom leistungsstärksten QuadMax-Prozessor bis hin zum low-power i.MX 8X für 2 Watt Applikationen skalieren. Ein solches Eco-System bietet für Entwickler zahlreiche Vorteile, die weit über die Pinkompatibilität hinausgehen.

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Alles inklusive: Das neue Starterkit für MIPI-CSI basierende Visionsysteme.
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(Bild: congatec )

NXP hat mit der i.MX 8 Serie eine neue Applikationsprozessor Familie auf dem Markt gebracht, die auf Basis der Arm Cortex A53- und A35-Corearchitekturen extrem breit skalierbar ist. Aktuell zählt die Prozessorfamilie sechs Mitglieder. Das Spektrum reicht von den high-performance i. MX 8 Varianten bis hin zu den kostenoptimierten i.MX 8X Vertretern. In den letzten 1,5 Jahren hat congatec massiv investiert und insgesamt 6 SMARC und Qseven Module mit ausgesuchten Varianten auf den Markt gebracht. Sie basieren auf den für embedded Applikationen relevanten i.MX 8-, i.MX 8X- sowie den neuen i.MX 8M Mini-Prozessoren. Zusammen ergibt dies eine Variantenvielfalt im SMARC und Qseven Ökosystem von 12 unterschiedlichen Prozessorbestückungen.

Die Flaggschiff-Prozessoren des Arm Ökosystems

Führend bei allen NXP i.MX 8 Varianten, die nicht 8X heißen, ist die Armv8-A basierte 64bit Arm Cortex A53-Architektur, die unter anderem durch bis zu 60% mehr Leistung als ihr Cortex-A7 Vorgänger besticht. Zudem bietet sie auch ein verbessertes Power Management für eine minimale Wärmeentwicklung und eine längere Batterielebensdauer in mobilen Applikationen. Führend bei den X-Varianten ist die Cortex A35 Architektur. Sie bietet gegenüber Arm Cortex 7 basierten Systemen eine bis zu 40 Prozent höhere Performance. Auch gegenüber den A53-Optionen bietet die A35-Architektur einige Vorteile wie einen kleineren Footprint und günstigeren Preis. Bei arbeitsspeicherintensiven Workloads wird sogar eine vergleichbare Rechenperformance erreicht und auch bei integeren Workloads liegt die Leistung noch immerhin bei 84-85%. Diese und weitere Argumente machen den A53- und A35-Cores zu den derzeit attraktivsten Applikationsprozessoren des Arm Ökosystems.

Unterschiedliche Core-Komplex-Konfigurationen

NXP hat sie in entsprechend vielen i.MX 8 Chip-Varianten mit unterschiedlichen, sogenannten Core-Komplexen verfügbar gemacht; je nach Anwendungsbereich also zusätzliche Cores ergänzt wie den hochleistungsfähigen A72, der gegenüber dem A53 durch out-of-order Execution besticht. Dadurch erreicht der A72 mit 6,35 DMIPS/MHz die knapp dreifache Rechenleistung pro Megahertz gegenüber dem A53 (2,24 DMIPS/MHz) . Das ist insbesondere für hardwarevirtualisierte Plattformen interessant. Zusätzlich unterscheiden sich die einzelnen Prozessorreihen und Varianten durch die integrierten Grafikeinheiten sowie die Anzahl der integrierten M4F MCUs für I/O Funktionen sowie Signalsteuerung und -verarbeitung. Der M4F übernimmt auch das Systemmonitoring, wenn die Cortex-A Cores abgeschaltet sind, um Energie zu sparen. Die für Embedded Computing Applikationen derzeit attraktivsten Core-Komplexe sind im Wesentlichen die i.MX 8 Varianten ohne Namenszusatz sowie die mit dem Namenszusatz 8M Mini und 8X, bei denen sich die Performance zunehmend verschlankt.

High-End Systeme mit 4K-Grafik

Die mit i.MX 8 bestückten SMARC und Qseven Module basieren auf den i.MX 8QuadMax, 8QuadPlus und 8DualMax Prozessoren. Der QuadMax verfügt dabei neben vier A53 Cores zusätzlich über zwei Arm Cortex®-A72 Hochleistungskerne, der 8QuadPlus über einen A72. Der i.MX 8DualMax Prozessor hingegen verzichtet bei zwei A72 Cores komplett auf die A53 Cores. Mit zwei GC7000 Grafikeinheiten (1x beim i.MX 8 DualMax) bieten sie erweiterte Grafikfunktionen für bis zu drei unabhängige 1080p-Displays oder einen einzelnen 4K-Monitor, für die SMARC und Qseven Computer-on-Modules bereits applikationsfertigen Support für HDMI 2.0 mit HDCP 2.2, 2x LVDS und 1x eDP 1.4 bieten. Unterstützt wird unter anderem die Vulkan Schnittstelle sowie OpenCL, OpenGL und OpenVX, wobei sich letzterer Grafiksupport besonders für eingebettete Echtzeit-Anwendungsfälle positioniert. Anwendungsbereiche sind unter anderem Gesichts-, Körper- und Gestenverfolgung, intelligente Videoüberwachung, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Objekt- und Szenenrekonstruktion, Augmented Reality, visuelle Inspektion oder Robotik. Mit zahlreichen weiteren Features sind diese Computer-on-Modules extrem leistungsstark und flexibel. Unterstützt werden unter anderem 2x GbE inklusive optionalem IEEE1588 Precision Time Protokoll Support, bis zu 6x USB inklusive 1x USB 3.1, bis zu 2x PCIe Gen 3.0, 1x SATA 3.0, 2x CAN-Bus, 4x UART sowie ein optionales Wi-Fi/Bluetooth-Modul onboard mit Wi-Fi 802.11 b/g/n und BLE sowie 2 MIPI CSI-2 Videoeingänge.

Low-End Systeme für kostensensitive Applikationen

Die SMARC und Qseven Computer-in-Modules mit Arm Cortex A35 basierten NXP i.MX 8X Varianten sind mit ihren Arm Cortex A35 Cores Energie- und Kosten-Sparmeister. Sie sind auf eine GC7000 Grafikeinheit mit oder ohne Videobeschleunigung und einen M4F I/O-Controller reduziert. Damit bieten sie in der 2 – 4 Watt-Embedded Computing Klasse immer noch ein herausragendes Featureset mit Unterstützung für zwei Displays über 1x Dual-Channel LVDS, 2x MIPI-DSI oder HDMI 1.3. Bei den weiteren I/Os sind lediglich zwei Unterschiede auszumachen: Die Module mit i.MX 8X bieten eine anstatt zwei PCIe Gen 3.0 Lanes sowie einen anstatt zwei MIPI CSI Kameraeingänge. Ansonsten ist das Featureset inklusive IEE 1588 konformem Echtzeit-Ethernet-Support größtenteils vergleichbar. Das Anwendungsspektrum des i.MX 8X Portfolios reicht damit von IoT angebundenen Devices in Outdoor- und Mobile Vehicle-Applikationen bis hin zu industriellen IIoT und Industrie 4.0 Geräten, Maschinen und Systemen mit hardwarebasierter Virtualisierung.

Universell einsetzbare Industrie- und IoT-Systeme

Im Midrange überzeugen die 8M Mini-Varianten durch die energiesparende Auslegung der A53-Cores mit 14 nm FinFet Mikroarchitektur gegenüber den High-End Prozessoren ohne Namenszusatz. Dank der effizienteren 14nm Struktur bieten sie eine maximale Taktrate von 1,8 GHz für hohe Performance bei gleichzeitig optimiertem Energiebedarf. Die breit skalierbare Mini i.MX 8M, Mini-Familie mit Single-, Dual- und Quadcore Prozessoren kann laut NXP zudem universellen in allen Industrie- und IoT-Anwendungen eingesetzt werden, bei denen beispielsweise das Featureset der nochmals darunter liegenden i.MX 8M Nano-Varianten nicht ausreicht. Ein wesentliches Mehr des i.MX8 M Mini ist der generische PCIe Support, der auf SMARC Computer-on-Modules zur Unterstützung des Standardfeaturesets dieses Standards genutzt wird sowie Video-Decode- und Encode-Funktionen.

Von High-End Low Power Systemen mit hochauflösender 3D Grafik über breit skalierbare Mid-Range-Systeme bis hin zum extrem energiesparenden 2-Watt System bietet die NXP i.MX 8 Familie unzählige Möglichkeiten, die Unternehmen wie congatec mit ihren applikationsfertigen Computer-on-Modules-Ökosystemen unterstützen.

Auf einen Blick: Auf Basis der NXP i.MX8, MX 8M Mini und MX 8X Prozessorserien bietet congatec 12 unterschiedliche SMARC und Qseven Computer-on-Modules an.
Auf einen Blick: Auf Basis der NXP i.MX8, MX 8M Mini und MX 8X Prozessorserien bietet congatec 12 unterschiedliche SMARC und Qseven Computer-on-Modules an.
(Bild: congatec )

Schneller, kostengünstiger und nachhaltiger zum Ziel

Computer-on-Modules Standards wie SMARC und Qseven wirken dabei wie eine Art Glue Logic zwischen Applikation und realen Hardwarebausteinen. OEMs profitieren zudem von einer Softwarekompatibilität, die weit über einzelne Prozessorfamilien hinausreicht. APIs sind über Prozessorgenerationen und Hersteller hinweg identisch, sodass sich spezifische Hardwareschnittstellen einheitlich handhaben lassen. Das beschleunigt die Time-to-Market, erleichtert die OEM-Dokumentation und sorgt zudem auch für eine Skalierbarkeit, die selbst das nächste und übernächste OEM-Produkt – ganz unabhängig vom Prozessorhersteller – nachhaltig unterstützt. Ideale Voraussetzungen, das universell einsetzbare i.MX8 Portfolio zu testen.

Eval-Plattformen mit reichhaltigem Funktionsumfang

Bereitgestellt werden hierfür zumeist Evaluierungs-Carrierboards wie das conga-SEVAL, die das gesamte Featureset an potenziellen Möglichkeiten der jeweiligen Standards unterstützen und die als Starterkits zusammen mit allem was benötigt wird applikationsfertig bereitgestellt werden. Attraktiv werden zunehmend aber auch Carrierboard-Lösungen, die auf anerkannten Embedded Motherboard- und Single Board Computer Standards aufbauen. Sie erfüllen alle Voraussetzungen auch für Field-Deployments, da man sie problemlos mit passender Gehäusetechnologie ausrüsten kann und so als Systeme zertifiziert bekommt. Ein Beispiel ist hierfür das neue 3,5 Zoll Board von congatec, das zur Embedded World vorgestellt wird und das bereits für den Einsatz aller i.MX 8 basierten SMARC-Computer-on-Modules vorqualifiziert wurde.

SMARC basierte 3,5“ Boards

Das 146x102 mm große conga-SMC1 besticht durch zweifach GbE, 5x USB und USB Hub-Support sowie SATA 3 für externe Festplatten oder SSDs. Für spezifische Erweiterungen bietet es einen miniPCIe Slot sowie einen M.2 Type E E2230 Slot mit I2S, PCIe und USB und einen M.2 Type B B2242/2280 mit 2x PCIe und 1x USB. Auch ein MicroSim-Slot für die IoT-Anbindung ist integriert. An spezifischen Embedded Schnittstellen werden zudem 4x UART, 2x CAN, 8x GPIO I2C und SPI ausgeführt. Displays können über HDMI, LVDS eDP, DP sowie MIPI DSI angebunden werden. Für Kameras bietet das Board zwei MIPI CSI-Eingänge. I2S-Sound kann über einen Audioklinkenstecker ausgeführt werden. Dank SMARC-Sockel sind die neuen 3,5 Zoll conga-SMC1 SBCs extrem flexibel mit jedem der 12 neuen NPX i.MX 8 basierten Module bestückbar. Varianten, die nicht alle Interfaces benötigen, können in vergleichsweise kleinen Stückzahlen auch bei identischem PCB aber abgespeckter Bestückung auch exakt auf den Funktionsumfang des jeweiligen Moduls reduziert werden, sodass industriegerechte Lose jederzeit flexibel bereitgestellt werden können.

Einfache Kameraintegration

congatec wird das 3,5“-Carrierboard auch in einem neuen Vision-Kit mit einer 13 Megapixel Kamera von Basler umsetzen. Hierbei ist besonders hervorzuheben, dass das Board von Haus aus bereits über 2 MIPI-CSI Eingänge mit Flatfoil-Konnektoren verfügt. So lassen sich beliebige MIPI-Kameras ohne zusätzliche Hardware direkt einbinden. Wie leistungsfähig Arm-basierte Vision-Plattformen sein können, zeigte bereits das applikationsfertige Retail-Kit von congatec, Basler und NXP, das Künstliche Intelligenz nutzt, um Einkaufswaren ganz ohne Bar- oder QR-Codes zu erkennen. Die Erkennung erfolgt in Echtzeit über den von der Kamera zugelieferten Videostream auf dem i.MX 8 basierten Computer-on-Module vor Ort. Das System ist so leistungsfähig, dass es ohne Cloudanbindung auskommt, anders beispielsweise als alle aktuellen Sprachassistenten, die immer noch eine permanente Anbindung für die Spracherkennung benötigen.

Wireless richtig integrieren

Viele Applikationen abseits komplexer KI- und Vision-Applikationen benötigen auch eine drahtlose Konnektivität. Für ihre Evaluierung bietet congatec bereits eine Standard-Variante mit Wi-Fi 802.11 b/g/n und BLE. Sie lässt sich entweder direkt auf einigen SMARC-Modulen oder dem Carrierboard integrieren. Dieses Standardangebot ist jedoch so ausgelegt, dass es die Maximalanforderungen erfüllt. In den meisten Fällen werden OEMs jedoch nur ein ganz spezifisches Featureset mit höchster Kosten- und Energieeffizienz benötigen. Um das zu erreichen unterstützt congatec seine Kunden auch dabei, die für die jeweilige Applikation hinsichtlich Durchsatz, Funktionalität, Kosten und Kompatibilität passende Wireless-Lösung zu identifizieren und zu integrieren.

Auch sicherheitskritische Applikationen

Auch einer weiteren, immer wichtigeren Fragestellung widmet sich congatec: Der Sicherstellung der Daten- und Funktionssicherheit von i.MX 8 basierten Devices über High Assurance Boot (HAB). HAB stellt sicher, dass nur authentifizierte Software auf dem Arm-Device ausgeführt wird. Das ist nicht nur für IoT-angebundene Devices wichtig, sondern insbesondere für alle sicherheitskritischen Applikationen im Bereich Healthcare und eGovernment. Dort gilt es zum Beispiel sensible personenbezogene Daten zu verwalten, die unbedingt geschützt werden müssen. Hier ist häufig auch eine BSI Zertifizierung nötig, bei der congatec ebenfalls seine Kunden durch entsprechenden Firmware- und Softwaresupport sowie extensive Dokumentationen entsprechend unterstützt.

Bootbar off-the-shelf

Damit Entwickler direkt mit der Evaluierung starten können benötigen sie in der Arm-Welt aber auch umfassenden Softwaresupport wie Board Support Packages mit passend konfiguriertem Bootloader, entsprechend kompilierte Linux-, Yocto- und Android-Images sowie allen benötigten Treibern. congatec stellt dazu auf github fertig kompilierte Binaries zur Verfügung, die alle diese Komponenten integrieren. Damit können Entwickler mit Arm basierten Modulen ebenso komfortabel durchstarten wie man es von der Windows-Welt kennt.

Sofort applikationsfertig integrierbar

Entwickler von hochintegrierten IIoT- und Embedded Vision Applikationen erreichen mit den neuen NXP i.MX 8 basierten SMARC und Qseven Modulen das nächste Technologielevel also sehr schnell und einfach, denn sie können ein kreditkartengroßes Off-the-Shelf-Modul mit minimalem Platzbedarf sofort in ihre Applikationen integrieren. Starterkits und applikationsfertige Boards wie der 3,5 SBC von congatec sind hierzu wichtige Bausteine des umfassenden i.MX 8 Ökosystems an Produkten und Services. Sie ermöglichen bei geringen NRE-Kosten eine schnelle Evaluierung und Markteinführung dieser brandneuen Prozessorarchitektur, die viele neue Applikationsfelder auch im Bereich industrieller Echtzeitanwendungen sowie Vision-basierter KI erschließen werden. Begleitet wird das Portfolio an Hardware zudem von den umfassenden Services des Technical Support Centers von congatec zu denen Arm-Schulungen für Entwickler ebenso zählen wie umfassende Design-in Services.

Der Service ist entscheidend

Die Design-in-Services des Technical Solution Centers von congatec für die neuen SMARC 2.0 und Qseven Module mit NXP i.MX 8X Prozessoren erstrecken sich von der Implementierung des High Assurance Bootings (HAB) über die Authentifizierung von Bootloader und OS-Image durch private und öffentliche Schlüsselkryptographie sowie kundenspezifische BSP-Anpassung bis hin zur langfristigen Softwarepflege für Linux und Android. Das Angebot umfasst zudem die Auswahl der passenden Bauelemente für Carrierboards und Design-Reviews sowie Compliance Tests von High-Speed-Signalen, thermische Simulationen, MTBF-Berechnungen und Debugging-Services für kundenspezifische Lösungen. Das Ziel ist, Kunden stets den bequemsten und effizientesten technischen Support zu bieten – vom Requirement-Engineering bis hin zur Großserienfertigung, für die selbstverständlich auch Full-Custom-Designs angeboten werden.

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