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Vorteile der Spezifikation SMARC 2.1 für Embedded-Entwickler

| Redakteur: Margit Kuther

SMARC 2.1, Spezifikation für kompakte Computer-on-Modules, ist rückwärtskompatibel und bietet zusätzliche, moderne Schnittstellen für Visualisierungsaufgaben und die Einbindung in das Edge-Umfeld.

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SMARC-sAL28: Das SMARC-2.1-Modul basiert auf dem NXP-Prozessor Dual Cortex A72 LS1028A und einer 3D-GPU für leistungsstarke Performance.
SMARC-sAL28: Das SMARC-2.1-Modul basiert auf dem NXP-Prozessor Dual Cortex A72 LS1028A und einer 3D-GPU für leistungsstarke Performance.
(Bild: STEFAN.HUBER@BLUEMEETSYOU.COM)

Wie die Zeit vergeht. Es scheint erst gestern gewesen zu sein, dass die SGET (Standardization Group for Embedded Technologies) die Version 2.0 ihres SMARC-Moduls (SMARC Small Mobility Architecture) vorgestellt hat. Tatsächlich ist dies vier Jahre her. In dieser Zeit wurde der Formfaktor für Computer-on-Modules (CoMs) immer populärer und hat nun ein weiteres Update erhalten. Aber warum genau hat die SGET SMARC 2.1 veröffentlicht, die bereits dritte Weiterentwicklung des Standards seit seiner Einführung im Jahr 2013? Um das herauszufinden, fragt die ELEKTRONIKPRAXIS Martin Unverdorben, Produktmanager bei Kontron für SMARC und Vorsitzender der SDT.01, der SMARC-Spezifikationsgruppe bei der SGET.

ELEKTRONIKPRAXIS: Warum gab es ein weiteres Update für das SMARC-Modul?

Martin Unverdorben: Die Einführung der Modulspezifikation SMARC 2.1 im März unterstreicht die Reaktionsfähigkeit der SGET auf derzeitige technologische Entwicklungen, ganz zu schweigen von den sich ändernden Anforderungen und Prioritäten der Entwickler und Systemintegratoren (SIs) von Embedded-Systemen. Die Aktualisierung des SMARC-2.1-Moduls soll daher sicherstellen, dass Embedded-Lösungen, die Anforderungen an Hyper-Konnektivität im Bereich des IoT/IIoT zukunftssicher erfüllen können.

Was sind solche typischen IoT-/IIoT-Anforderungen?

Ein Hauptschwerpunkt von SMARC 2.1 liegt darauf, CoMs mit kleinem Formfaktor zu ermöglichen, damit Funktionalität, Flexibilität und Hochgeschwindigkeits-I/O- Leistung so nutzbar werden, wie sie aktuell von Mikroprozessorherstellern wie NXP und Intel angeboten werden. Weitere wichtige Faktoren sind die einfachere Implementierung in Cloud-Anwendungen sowie die Marktnachfrage nach AI-on-Module (AIoM)-Lösungen mit Künstlicher Intelligenz. Hier werden auch beträchtlich erweiterte Multimedia-Fähigkeiten benötigt. Hinzu kommt die beständige Anforderung nach einem extrem niedrigen Stromverbrauch.

Können Sie erläutern, wie sich das SMARC-Modul weiterentwickelt?

Die SGET sorgt dafür, dass sich das SMARC-Modul immer den Entwicklungen anpasst und es so Systemdesignern, SIs und OEMs ermöglicht, den zukünftigen Herausforderungen bei der Entwicklung kostengünstiger IoT- und AI-fähiger Embedded-Systeme gerecht zu werden. Damit konzentriert sich die SGET sehr darauf, dass der Standard mit der Geschwindigkeit der Veränderungen Schritt hält, die die Embedded-Industrie kennzeichnet. Die letzte Überarbeitung der SMARC-2.1-Spezifikation wird daher nur ein weiterer Schritt in der Entwicklung sein.

Für welche Art von Anwendungen ist das SMARC-Modul am besten geeignet?

SMARC-CoMs sind ideal für Hersteller von Carrier Boards und Systementwickler, die System-on-Chip-(SoC-)basierende Computer-on-Module mit extrem niedrigem Stromverbrauch im Miniaturformat benötigen. Die Anwendungen werden ständig erweitert, z.B. in zahlreichen Fertigungsautomatisierungs- und industriellen Steuerungslösungen sowie in der Bildverarbeitung und bei Multimedia. SMARC-CoMs haben sich auch als Bausteine für sehr kleine tragbare Handheld-Geräte etabliert.

Warum war es also notwendig, von SMARC 2.0 auf 2.1 umzusteigen?

Um auf die neuesten Marktanforderungen zu reagieren – so wie es vier Jahre zuvor mit der Veröffentlichung der SMARC-2.0-Spezifikation geschehen ist. Damals war es notwendig, dem wachsenden Bedarf an IoT-Konnektivität gerecht zu werden und die Kluft zwischen den spezifischen Schnittstellenanforderungen von ARM- und Intel-Prozessoren zu überbrücken. Aus diesem Grund wurde die ursprüngliche Version mit einer verbesserten Pinbelegung versehen und gleichzeitig so viel Kompatibilität wie möglich mit der V1.1-Belegung gewährleistet.

Können Sie aufzeigen, was neu ist, und was sich mit der neuen SMARC-2.1-Spezifikation geändert hat?

Das SMARC-2.1-Modul führt eine Reihe von zusätzlichen Funktionen sowie einige Revisionsverbesserungen gegenüber der vorherigen SMARC-2.0-Modulspezifikation ein. Vor allem die Unterstützung von SerDes-Signalen ist eine neue Funktion, die für zusätzliche Ethernet-Konnektivität sorgt. Dadurch können jetzt zwei der vier unterstützten PCIe-Lanes als Ethernet-Ports verwendet werden. Eine weitere neue Funktion sind vierzehn GPIOs anstelle der bisherigen zwölf. Mit zwei zusätzlichen generischen GPIOs werden die Leistungsfähigkeit und die Anwendungsfälle für das Modul erweitert.

Was ist das Besondere an SerDes?

Mit SerDes wird auf neue Prozessorentwicklungen wie die von NXP und bald auch von Intel reagiert. Diese beinhalten verschiedene Funktionen auf ihren seriellen Hochgeschwindigkeits-I/O-Lanes. Die Unterstützung von SerDes bietet eine größere Flexibilität für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, indem sie die Verwendung bisher nicht verfügbarer Schnittstellen ermöglicht. Zusätzlich zu den vorhandenen zwei bereitgestellten Ethernet-Ports können Entwickler und SIs zwei der vier unterstützten PCI-Express-Lanes für weitere Ethernet-Konnektivität oder andere Hochgeschwindigkeitssignale verwenden, die von den verwendeten SoCs unterstützt werden.

Der erweiterte Umfang der Ethernet-Konnektivität ist besonders vorteilhaft für IoT/IIoT-Anwendungen, da er eine verbesserte Synchronität zwischen zahlreichen lokalen Geräten ermöglicht – eine Voraussetzung für leistungsstarke IoT-Gateways und WLANs.

Ab in die Cloud: Eines der Ziele von SMARC 2.1 ist die einfachere Implementierung in Cloud-Anwendungen, etwa mittels der Module SMARC-sAMX7 und SMARC-sXAL.
Ab in die Cloud: Eines der Ziele von SMARC 2.1 ist die einfachere Implementierung in Cloud-Anwendungen, etwa mittels der Module SMARC-sAMX7 und SMARC-sXAL.
(Bild: Kontron)

Warum gibt es jetzt eine zusätzliche MDIO-Schnittstelle?

Es wurde eine weitere MDIO-Schnittstelle aus zuvor reservierten Modulpins für die Konfiguration von PHYs auf dem Carrier geschaffen. Beispielsweise verfügt eine der neuesten SMARC-2.1-Modulversionen von Kontron über bis zu sechs Ethernet-Ports, indem die zusätzliche Schnittstelle für den Anschluss eines Quad-PHYs auf dem Carrier genutzt wird.

Was ist sonst noch neu?

Zusätzliche Leistung und eine neue Sleep Domain machen es jetzt einfacher, Low-Power-Modi besser nutzen zu können. Dies ermöglicht auch eine bessere Nutzung der Sleep- und Standby-Funktionen zur optimalen Energieeinsparung. Die Signale PCI Express Clock Request, die in SMARC 1.1 enthalten sind und in 2.0 entfernt wurden, wurden ebenfalls neu verwendet – für das Herunterfahren von PCI-Express-Schnittstellen, um Energie zu sparen.

Die SGET hat auch mehr Kameraschnittstellen hinzugefügt, indem CSI 2 und 3 auf einen zusätzlichen Anschluss gelegt wurden. Dies erlaubt bis zu vier Kameraverbindungen, um die zunehmenden industriellen und nicht-industriellen AIoM-Anwendungen (Künstliche Intelligenz auf Modulen) bedienen zu können.

Alle vier Kameraschnittstellen entsprechen den Spezifikationen für MIPI-CSI-2.0 und MIPI-CSI-3.0. Alle neuen Funktionen sind abwärtskompatibel zu SMARC 2.0. Dies ermöglicht die Integration von 2.1-Modulen auf 2.0-Trägern. SMARC-2.0-Module sind über optionale Erweiterungen auch mit SMARC 2.1 kompatibel. Ein Redesign bestehender SMARC-2.0-Carrier-Boards ist nur dann nötig, wenn die neuen SMARC-2.1-Funktionalitäten genutzt werden müssen.

SMARC Evaluation Carrier für SMARC-2.0/2.1-Module: Es unterstützt etliche Schnittstellenoptionen speziell für Low-Power-Anwendungen einschließlich Gigabit-Ethernet, SIM-Kartensockel, Kontrons LVDS-Adapter und mehrere Mini-PCI-Express-Schnittstellen.
SMARC Evaluation Carrier für SMARC-2.0/2.1-Module: Es unterstützt etliche Schnittstellenoptionen speziell für Low-Power-Anwendungen einschließlich Gigabit-Ethernet, SIM-Kartensockel, Kontrons LVDS-Adapter und mehrere Mini-PCI-Express-Schnittstellen.
(Bild: Kontron)

Gibt es noch weitere Änderungen?

Es hat einige Änderungen und Verfeinerungen gegeben, z.B. wurde die Fill Order für MIPI CSI überarbeitet. Das wird den Modulherstellern bei der Entscheidung helfen, welche Kamera zu verwenden ist, wenn der ausgewählte Prozessor nur eine CSI-Schnittstelle bietet. Die neue Fill Order ist zuerst CSI1, dann CSI0.

Der JTAG-Steckverbinder wurde durch eine kleinere Version ersetzt, um die Integration zu vereinfachen – die vorherige war zu groß. Und alle notwendigen Informationen mit detaillierten Beschreibungen der Pin-Nummern, elektrischen Eigenschaften und Power Domains sind jetzt in einer einzigen Tabelle übersichtlicher dargestellt.

Was hat Kontron mit SMARC zu tun?

Kontron ist und war schon immer ein wichtiger und aktiver Mitgestalter des Standards, wir sichern so unsere Führungsposition als Anbieter innovativer SMARC-Modullösungen.

Wir waren 2013 die ersten, die SMARC-Module auf den Markt gebracht haben. Diese ermöglichten es den Entwicklern, direkt innovative Ultra-Low-Power-Devices zu entwerfen. Ein Jahr später stellte Kontron dann die weltweit ersten SMARC-Computer-on-Modules mit Ultra-Low-Power und Intels Atom-Prozessoren der E3800-Serie vor. Dies war entscheidend, da zu diesem Zeitpunkt nur ARM-Prozessoren verfügbar waren. Wir eröffneten den Entwicklern völlig neue Möglichkeiten in Bezug auf Skalierbarkeit des Formfaktors, Software-Wiederverwendung und Kompatibilität.

Sind bereits SMARC-2.1-Computer-on- Module verfügbar?

Kontron war wieder mal schnell auf dem Markt, wir haben unser umfassendes Portfolio an SMARC-Modullösungen um SMARC 2.1 konforme Versionen erweitert. So nutzt Kontrons SMARC-sAL28 beispielsweise den NXP-Prozessor Dual Cortex A72 LS1028A und eine 3D-GPU für eine leistungsstarke Performance. Es werden bis zu fünf TSN-fähige 1-GB-Ethernet-Ports und 8-GB-Speicher unterstützt – doppelt so viel Kapazität wie bisher – um hohe Netzwerkfähigkeit für industrielle Anwendungen sicherzustellen. SMARC-sAL28 ist in drei Versionen erhältlich, die an individuelle Kundenanforderungen angepasst werden können.

Die erste Version verfügt über zwei TSN-fähige 1-GB-Ethernet-Ports, die direkt vom Carrier genutzt werden können; die zweite hat einen TSN-fähigen 1-GB-Ethernet-Port; die dritte bietet sechs Ethernet-Ports mit PHY auf dem Carrier, von denen fünf TSN-fähig sind. Eine weitere SMARC-2.1-Lösung wird im Laufe dieses Jahres verfügbar sein, die den stromsparenden Prozessor der Serie NXP I.MX8X verwendet. Zu den Merkmalen gehören Zweikanal-LVDS-Schnittstelle, DP, bis zu 2 x GBit Ethernet, 3 x PCIe, 6 x USB 2.0 und 1 x USB 3.0.

Wie hat der Markt bisher auf SMARC 2.1 reagiert?

Äußerst positiv. Ihr geringer Platzbedarf, ihre hohe Flexibilität und Kosteneffektivität lassen erwarten, dass SMARC-Module auch weiterhin einen bedeutenden Einfluss auf den Markt haben werden. Kontrons etablierte Palette an SMARC-Computer-on-Modules, einschließlich der auf dem neuesten 2.1-Standard basierenden, bilden bereits das Herzstück von immer mehr skalierbaren, hochleistungsfähigen IoT-/IIoT-Embedded-Computing-Lösungen – von der Fabrikautomatisierung über Kommunikation und Transport bis hin zu Medizin und Point of Sale.

Wie alle Embedded Boards und Controller von Kontron sind auch diese SMARC-Module IoT-ready und profitieren von einer tiefen Softwareintegration, einem verlängerten Lebenszyklus und einem globalen technischen Support.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2020 (Download PDF)

Vielleicht noch ein Schlusswort ...?

Das IoT/IIoT – und zunehmend auch die Künstliche Intelligenz – eröffnet viele neue Möglichkeiten für Embedded-Computing-Lösungen. Das neueste SMARC-2.1-Modul stellt sicher, dass Entwickler und SIs dank der erweiterten Konnektivitätsoptionen sowie der zusätzlichen verfügbaren Leistung und Funktionalität absolut sicher sein können, die Vorteile voll auszuschöpfen. Wir stehen vor spannenden Entwicklungen, und Kontron wird bei jedem Schritt des Weges dabei sein.

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