Embedded-Entwicklung mit Computer-on-Modules beschleunigen

| Autor / Redakteur: Steffen Pfeifer und Mario Klug* / Michael Eckstein

Schlankes Design: Computer-on-Modules mit efus-Formfaktor kommen mit einem Baseboard mit lediglich vier Leiterbahnschichten aus.
Schlankes Design: Computer-on-Modules mit efus-Formfaktor kommen mit einem Baseboard mit lediglich vier Leiterbahnschichten aus. (Bild: Rutronik)

Embedded-Boards selbst zu entwickeln, ist sehr aufwendig. Eine Alternative sind Baseboards mit Aufsteckmodulen. Doch ab wann lohnt sich der Kauf solcher Computer-on-Module?

Die Entscheidung, ein Embedded Board inklusive Prozessoreinheit selbst zu entwickeln oder ein Baseboard mit Aufsteckmodul (Computer-On-Module, COM) zu nutzen, ist schwieriger denn je. Denn Zusammenschlüsse von CPU-Herstellern sorgen vielfach für Verunsicherung – schließlich bildet der Hauptprozessor das Kernstück jedes Boards. Rutronik stellt eine langfristig zuverlässige Alternative vor.

Bei einer vollständigen Eigenentwicklung sind vielfältige, oft sehr komplexe Anforderungen zu berücksichtigen. Dies beginnt bei der eingesetzten Prozessortechnologie und deren Leistungsfähigkeit sowie den damit verbundenen Schnittstellen oder anforderungsabhängigen Spannungsversorgungen, die für das individuelle Anforderungsprofil optimiert werden müssen. Hinzu kommt neben der Größe und Komplexität der Applikationen die Positionierung, Menge und Typen der erforderlichen Steckverbinder. Hier können spezielle Anschlüsse, die das Design des Komplettsystems aufnehmen, die Kabelführung vereinfachen.

All diese Anforderungen zu erfüllen führt zu langen Entwicklungszeiten und erhöht auch die Entwicklungskosten. Darüber hinaus erfordert dies auch umfassendes Know-how über Highspeed-Bussystemen für Prozessoren, Schnittstellen, CPU-Initialisierung, Bootloadern und Hardwaretreibern auf Basis des Source Codes. Darüber hinaus braucht es eine komplexe Designsoftware für die Leiterplatte (Printed Cirucuit Board, PCB) mit passenden Werkzeugen, Mess- und Analysegeräte, Debugging Tools und in manchen Fällen sogar spezifische Testinstrumente und Bestückungsautomaten. Zwar lassen sich Eigenentwicklungen bereits in der Planungsphase kostenoptimiert gestalten, doch werden die so erzielten Einsparungen durch die hohen Aufwendungen in der Regel bei weitem überschritten. Dadurch ist eine Eigenentwicklung erst bei höheren Stückzahlen wirtschaftlich sinnvoll; abhängig vom Verkaufspreis des Endprodukts liegen diese in der Regel bei einem Vielfachen von Tausend.

Verfügbarkeit der Komponenten im Blick behalten

Ein weiterer entscheidender Faktor bei der Eigenentwicklung ist die langfristige Verfügbarkeit aller Kernkomponenten. Dies gilt es bereits beim Design zu berücksichtigen. Denn wird zum Beispiel der Mikroprozessor plötzlich abgekündigt, muss rasch eine Alternative evaluiert werden. Häufig zieht dies auch ein Re-Design nach sich, was wieder Entwicklungszeit und -kosten bedeutet. Die nach wie vor stattfindende Herstellerkonzentration vor allem im Halbleiterbereich erschwert derzeit die Auswahl zukunftssicherer, langfristig verfügbarer Komponenten.

Im Vergleich dazu bieten modulbasierende Designs – also das Entwickeln eines Baseboards, das durch ein am Markt verfügbares Modul ergänzt wird – geringere Entwicklungszeit und -kosten und damit eine kürzere Time-to-Market. Denn das Modul enthält die meisten kritischen Komponenten, wie die Highspeed-Busse und die prozessorabhängigen Schnittstellen. Für die notwendige Planbarkeit gewährleisten Modulhersteller eine Verfügbarkeit von sieben bis zehn Jahren. Bei der Entwicklung des Baseboards leisten viele Modulhersteller Kunden Design-In-Support und unterstützen ihre Kunden auch auf Layout-Ebene.

Modulbasierende Designs und Standards mit Tücken

Bei den Modulen stehen prinzipiell zwei Varianten zur Verfügung: x86- und ARM-basierende Designs. Für beide Alternativen haben sich Standards etabliert, hier sind vor allem die Abmessungen des Moduls festgelegt, die Verbindung zum Baseboard, Schnittstellen sowie Platzierung und Belegung der Pins. Für x86-Module ist COM Express der gängige Standard, Qseven- und SMARC-Module sind sowohl mit ARM- als auch mit x86-Prozessoren verfügbar. Denn mit diesen wurde das Ziel verfolgt, Standards für ARM- und x86-basierende Boards zu definieren, um die Möglichkeit zum einfachen Austausch zu schaffen. Tatsächlich sind einige SMARC- und Qseven-Module mit denselben Maßen und Steckverbindern auf dem Markt, die sich leicht austauschen lassen.

Die Kehrseite der Vorgabe, sowohl ARM- als auch x86-Architekturen unterstützen zu müssen, liegt in einer Reihe von Inkompatibilitäten: Durch die unterschiedliche Prozessorarchitektur sind je nach Prozessor unterschiedliche Treiber und Software erforderlich. Hinzu kommt eine unbefriedigende Ausnutzung der CPU, abhängig davon, welche Architektur man betrachtet.

Am einfachsten lassen sich zwei Module auswechseln, die die gleiche CPU verwenden. Hier bestehen, was die Hardware angeht, höchstens im Funktionsumfang Unterschiede. Bei der Software unterscheiden sich insbesondere ARM-basierende Boards voneinander, so dass sich diese nur bedingt austauschen lassen: Sie unterstützen verschiedene Kernel-Versionen, einige arbeiten mit einer individuellen Linux-Version auf Basis des Open Source Collaboration Projekts Yocto, andere basieren auf einer Distribution.

Interessante Alternative zu gängigen Standards

Aus diesen Gründen hat F&S Elektronik den efus-Standard entwickelt. Er ist speziell auf RISC-MPUs ausgelegt, hat einen Formfaktor von nur 47 mm x 62 mm und ist mit Fingerkontakten für den gängigen 230-Pin MXM2 Edge Connector ausgestattet. Dieser Steckverbinder ist preiswert und sowohl für Industrie- als auch Automotive-Anwendungen zugelassen. Das Design folgt den „EasyLayout“-Richtlinien, das heißt, alle Signalleitungen können auf dem Baseboard ohne Kreuzungspunkte an die Steckverbinder geroutet werden. Dies sorgt nicht nur für ein gutes Verhalten in Punkto elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), sondern reduziert zudem die Entwicklungszeit und senkt so auch die Entwicklungskosten des Baseboards. Auf der Leiterplattenfläche der efus lassen sich ohne Layoutänderungen des CPU-Bereichs Funkmodule (WLAN, ZigBee, Z-Wave, EnOcean) hinzufügen. Einige efus-Module sind auch bereits mit einem WLAN/BT Modul ausgestattet.

Darüber hinaus genügt beim Einsatz eines efus-Moduls ein einfaches Baseboard mit vier Lagen PCB, im Gegensatz zu den zehn bis zwölf Lagen PCBs, die eine moderne ARM-CPU erfordert, wenn man ihre Funktion optimal auf einem komplett selbst designten Board nutzen möchte. Bei letzterer kommt noch hinzu, dass die Produktionsanlagen für BGA-Gehäuse mit bis zu 500 Pins in 0,5mm Pitch geeignet sein müssen. Auch der Aufwand, ein Betriebssystem auf das Board zu portieren, entfällt bei den efus Modulen, diese sind wahlweise mit Linux oder Windows Embedded Compact 2013 verfügbar.

Ein weiterer Vorteil gegenüber SMARC- und Qseven-Modulen besteht darin, dass keine weiteren Hardware-Komponenten notwendig sind, um den Standard zu erfüllen, etwa zusätzliche Controller auf dem Baseboard zum Beispiel für die Displayanbindung. Damit wird das Baseboard einfacher und kostengünstiger.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Starterkits der Prozessorenhersteller enthalten die Starterkits von F&S Elektronik Systeme bereits ein kosten- und platzoptimiertes Baseboard. Alle Unterlagen dazu stehen ebenfalls dem Kunden zur Verfügung.

Über efus Zugang zum Renesas-Partner-Netzwerk

Neben NXP-basierenden efus-Boards bietet F&S seit kurzem auch Renesas-basierende Boards an: In der neusten efusG1C kommen ARM-basierende Mikroprozessoren der RZ/G-Familie von Renesas zum Einsatz. Mit seiner langfristig angelegten Produktstrategie und den qualitativ hochwertigen, langzeitverfügbaren Produkten passt Renesas gut zur Strategie, die F&S mit efus verfolgt.

Zudem haben Kunden damit Zugang zum Renesas Partner-Netzwerk. Hier bündelt der Hersteller zahlreiche Anbieter von Embedded-Produkten oder Entwicklungsunterstützung. Sämtliche Informationen der Partner werden durch Renesas geprüft. Da die ARM-basierenden Industrie-MPUs Teil der Kernstrategie von Renesas sind, wird der Hersteller sein Partner-Netzwerk auch für diese MPUs weiter optimieren. Damit erhalten Entwickler einen Rundum-Service aus abgestimmten Boards und Modulen, ergänzenden Komponenten, Software, Tools und Know-how, der ihnen hilft, schneller unverwechselbare Produkte zu entwickeln. Die Partner-Module und -Boards bilden hierbei einen ganz wesentlichen Bestandteil. Denn die zunehmende Komplexität der MPUs stellt Entwickler vor große Herausforderungen beim Hardware- und Software-Design. Die Folge: Entwicklungskosten steigen und die Make-or-Buy Entscheidung verschiebt sich weiter in Richtung „Buy“.

Ein weiteres Plus ist der von Renesas angebotene „Civil Infrastructure Plattform“-(CIP)-Linux Kernel. Bereits Linux bietet gegenüber anderen Betriebssystemen einige Vorteile: Da es quelloffen ist, lässt sich die Treiberunterstützung für alle durch den Prozessor zur Verfügung gestellten Schnittstellen und Funktionen einfach nutzen. Zudem ist es – mit Ausnahme der optionalen Cloud-Tools – lizenzkostenfrei. Damit stellt es eine optimale Plattform für langzeitverfügbare Designs dar. Der CIP-Kernel fokussiert sich auf Industrial Grade Linux und optimiert darüber hinaus Super-Long-Term-Support von mindestens zehn Jahren Real-Time sowie Safety & Security. Renesas wartet diesen Kernel zehn Jahre lang – jeder Programmierer, der mit Linux arbeitet, weiß, was dies für eine Erleichterung darstellt.

Ergänzendes zum Thema
 
efus-Standard für Embedded Boards

VLP-Board-Support-Package enthält alle Treiber

Diese Optimierungen werden auf Kernel-Ebene und VLP-(Verified Linux Package)-Ebene gewartet. Ein VLP ist ein Board Support Package (BSP) – das bedeutet, dass die Sammlung sämtliche benötigten Treiber enthält. Das Package wird nach strengen Software-Qualitätsrichtlinien erstellt und getestet. Die hierdurch eingesparten Kosten können auf Kundenseite pro Produkt mehrere 100.000 Euro betragen. Renesas bietet das VLP kostenfrei an.

Anwender des efus-Standards für Embedded Boards können von einer schnelleren Time-to-Market profitieren. Aus der einfachen Nutzbarkeit der vielfältigen Funktionen des Prozessors und der Interfaces, der höheren Funktionalität und den besseren Erweiterungsmöglichkeiten bei gleicher Baugröße wie SMARC- und Qseven-Modulen resultiert eine höhere Flexibilität bei gleichzeitig besserer Kosteneffizienz. So können Kunden bereits bei der Produktion von wenigen hundert Stück pro Jahr eine moderne RISC-MPU einsetzen. Zudem garantiert F&S eine Verfügbarkeit von zehn Jahren für jedes efus-Modul und gibt seinen Kunden dadurch weitreichende Planungssicherheit. Für einen schnellen Start stellt der Hersteller umfangreiche Starterkits zur Verfügung und unterstützt Kunden beim Softwareeinsatz. Rutronik ist nicht nur Vertriebspartner von F&S, sondern hat auch an der Definition der verwendeten Bauteile auf dem efusG1C-Modul mitgearbeitet. Damit kann auch der Distributor umfassenden Support für diese Produkte anbieten und Kunden bei der Entwicklung des Baseboards unterstützen.

Qseven versus SMARC 2.0 – eine Entscheidungshilfe

Qseven versus SMARC 2.0 – eine Entscheidungshilfe

29.08.18 - Wer heute eine neue Embedded-Entwicklung beginnt, hat die Wahl zwischen Qseven und SMARC 2.0. Aber was ist besser? Dieser Beitrag soll Ihnen helfen, die richtige Entscheidung für Ihre Applikation zu treffen. lesen

SMARC und COM Express – Wahl des richtigen Formfaktors für x86

SMARC und COM Express – Wahl des richtigen Formfaktors für x86

09.10.18 - Dieser Artikel bietet einen Überblick über wichtige Modulstandards im Verlustleistungsbereich der passiven Kühllösungen (bis 15 Watt TDP) und vergleicht deren Eigenschaften und Vor- und Nachteile. lesen

* Steffen Pfeifer ist Product Sales Manager bei Rutronik Elektronische Bauelemente in Ispringen

* Mario Klug ... ist Produktbereichsleiter Boards bei Rutronik Elektronische Bauelemente in Ispringen.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Ein paar Beispiele: Durch die unterschiedliche Prozessorarchitektur sind je nach Prozessor...  lesen
posted am 11.10.2018 um 09:24 von Unregistriert

Auf welche Behauptungen beziehen Sie sich?  lesen
posted am 11.10.2018 um 06:12 von Unregistriert

Schade um das an sich gute Produkt. Das hat eine kompetentere Berichterstattung verdient! Ich habe...  lesen
posted am 10.10.2018 um 17:03 von Unregistriert


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45482925 / Embedded Boards & PCs)