JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi. ECF

Sulautetun laitteen kehitys onnistuu useimmiten helpoiten valmiiden moduulien avulla. Nykyään niitä saa myös tehokkailla Apollo Lake -sarjan prosessoreilla varustettuna.

Artikkelin kirjoittaja Tim Jensenillä on yli 20 vuoden kokemus sulautettujen laitteiden kehityksestä. Vuodesta 2016 asti hän on toiminut Avnet Integratedilla liiketoiminnan kehityksestä vastaavana johtajana. Hän vetää Avnetin sulautettujen ohjelmistojen kehitystä Euroopassa.

Intelin sulautettujen Atom-prosessorien Apollo Lake -versio perustuu 14 nanometrin valmistusprosessiin. Se on aiempaa suorituskykyisempi, grafiikkalaskennaltaan tehokkaampi, vähemmän tehoa kuluttava kuin edeltäjänsä, tukee uusia S0ix-unitiloja, sekä uutta synkronointitekniikkaa, jolla laitteet voidaan synkronoida mikrosekuntitasolla. IoT-päätelaitteisiin Apollo Lake lupaa vallankumousta, mutta miten siitä saadaan paras hyöty sulautetuissa laitteissa?

Sulautetun järjestelmän suunnittelun aloittaminen täysin nollasta SoC-piiriä käyttäen on pitkä ja vaivalloinen prosessi, jossa järjestelmät ovat usein jo vanhentuneita markkinoille ehtiessään, ja lukittuja edellisen kehityspolven prosessoritekniikkaan. Modulaarinen lähestymistapa voi auttaa suunnittelijoita helpommin integroimaan uusimpia SoC-tekniikoita, kuten Apollo Lake -prosessorit, mikä nopeuttaa kehitysprosessia ja tuo samalla standardoidun päivityspolun tulevaisuuden prosessoritekniikoita varten.

Apollo Lake ja IoT-reunan nousu

Vuoden 2016 jälkimmäisellä puoliskolla esitelty Apollo Lake tuo edeltäjiinsä verrattuna 30 prosenttia enemmän laskentatehoa 15 prosenttia pienemmällä tehonkulutuksella. Lisäksi sinä on paranneltu grafiikka- ja tietoturvaominaisuuksia, sekä tukea IoT-sovelluksille.

IoT:een keskittyvät Apollo Lake -piirit merkitään E-tunnuksella (Embedded). E3900-sarjaan kuuluvat E3930-, E3940- ja E3950-prosessorit, joiden kellotaajuudet yltävät 1,3-1,6 gigahertsiin ja lämpöbudjetti (TDB) 6,5-12 wattiin. Tässä Atom-piirien sukupolvessa DDR4-muistia on jopa 8 gigatavua ja grafiikkaprosessori pystyy toistamaan 4K-videota.

Nämä eivät ole tyypillisiä vähävirtaisen IoT-solmun lukemia mutta ei Intel tavoittelekaan vähävirtaisten ARM-piirien aluetta. Sen sijaan nämä piirit on tarkoitettu IoT:n reunalla ja ns. sumulaskentaan (Fog). Niiden laskentateho ja tehonkulutus asettuvat mobiili- ja pöytäkoneprosessorien väliin, ja niihin on lisätty IoT-tyylisiä toimintoja. Piirit tukevat Intelin TCT-tekniikkaa (Time Coordinated Technology), jonka ansiosta verkkoon laitteet pysyvät tahdistettuina, sekä Windows 10 IoT Core -käyttöjärjestelmää, joka on erityisesti sulautettuja IoT-sovelluksia varten kehitytty Win10-versio.

Vähävirtaisten anturien sijaan IoT-reuna (Edge) koostuu yhdyskäytävistä, reitittimistä ja muista keskitason tehonkulutuksenlaitteista, jota keräävät ja analysoivat dataa ennen kuin se lähetetään pilveen. Tästä seuraa välittömiä etuja esimerkiksi valvonnassa, automaatiossa ja kaikessa, joissa datan yksityisyys ja reaaliaikainen prosessointi on yhtä tärkeää kuin datan pilvianalytiikka.

Apollo Lake -pohjainen Edge-laite sairaalaympäristössä voi prosessoida potilasdataa reaaliaikaisesti välittömään käyttöön, ja sen jälkeen lähettää siistityn datan pilveen lisäanalyysiä varten. Samalla tavoin voi ”älykkäässä” tehtaassa olla tarve datan reaaliaikaiselle prosessoinnille ”reunalla” automaatioprosessien ajamiseksi, sekä syvemmälle analyysille, jonka pilvilaskenta mahdollistaa.

Normaalisti uusien prosessoritekniikoiden kuten Apollo Laken integrointi voi viedä vuoden tai pidemmänkin aikaa, mutta COM-moduulien avulla suunnittelijat voivat suuresti nopeuttaa tätä prosessia.

Nopeampaa kehitystä COM-moduuleilla

Kehitysajan lyhentäminen niin, että samalla pienennetään riskejä, onnistuu vain integroimalla. Hyödyntämällä valmiita, integroituja korttimoduuleja sen sijaan että suunnittelee sulautettuja järjestelmiä aina alusta asti uudelleen, säästää suuresti kehitys- ja testausaikaa. Samalla riskit vähenevät.

Äärimmilleen vietynä integraatio tarkoittaa tietenkin valmista tietokonetta. Teollisuustietokoneita tulee eri muodoissa, korttiformaateissa ja konfiguraatioissa. Geneerisen tietokoneen luonteeseen kuitenkin kuuluu, että se on ”ylirakennettu”: valmiiden ratkaisujen koko, hinta ja joustamattomuus tekee niistä huonosti sopivia sulautettuihin laitteisiin, joissa koko, paino, tehonkulutus ja usein kustannuksetkin pitää optimoida spesifiä loppukäyttäjäsovellusta varten.

COM-moduuleilla (computer-on-module) päästään tasapainoon resurssien optimoinnin ja kustomoidun suunnittelun joustavuuden välillä ja samalla valmis ratkaisu nopeuttaa suunnittelun markkinoille saamista. Usein moduulit on rakennettu järjestelmäpiirin kuten Intelin Atomin ympärille. Ne ovat kooltaan kompakteja, mutta sisältävät silti kaikki ydintoiminnot samalla kortilla, kuten muistin ja I/O-ohjaimet, joten järjestelmän integroinnista tulee helppoa. Sulautetun laitteen luomiseksi COM-moduuli liitetään carrier- eli alustakorttiin, joka voi olla räätälöity ja sisältää joitakin sovelluskohtaisesti määriteltyjä toimintoja. Alustakortti tuo portit ja liittimet oheislaitteille, kuten verkkolaitteille, syöttölaitteille ja näytöille.

Alustakortin avulla sulautetussa järjestelmässä voidaan sovelluskohtaiset toiminnot erottaa peruslaskennan toiminnoista. Sulautetun laitteen suunnittelija voi keskittyä sovelluskohtaiseen toiminnallisuuteen sen sijaan, että hän keksisi pyörän uudelleen. Tämä säästää aikaa ja rahaa, ja myös pienentää kehitykseen aina sisältyviä riskejä. Joissakin projekteissa voidaan myös käyttää valmiita kaupallisia alustakortteja, mikä osaltaan lyhentää kehitykseen kuluvaa aikaa entisestään.

COM-lähestymistapa antaa suunnittelijoille mahdollisuuden sisällyttää helposti ja nopeasti uusimmat prosessiteknologiat kuten Apollo Laken omiin suunnitteluihinsa. Samalla ne tuovat yksinkertaistetun päivityspolun. Standardoidut korttikoot ja liittimet yhdessä CPU-riippumattoman alustan kanssa tarkoittavat, että prosessoritekniikan päivittäminen vaatii vain COM-moduulin päivittämisen ja ohjelmistopäivityksen sen sijaan, että koko järjestelmä pitäisi suunnitella uudestaan.

Kaikkien tuomiensa hyötyjen ansiosta COM-lähestymistapa on ollut iso menestys alusta asti. Sen sisällä on aikojen saatossa kehittynyt joukko standardiratkaisuja.

COM Express

Vaikka järjestelmämoduuliajattelu on ollut vallalla jo vuosia, COM Express oli ensimmäinen standardi, joka sovelsi ideaa sulautettujen järjestelmien suunnitteluun suurella menestyksellä.

PICMG-konsortion vuonna 2005 kehittämä COM Express keskittyy tuomaan tehokkaan prosessoinnin suhteellisen pienellä kortilla. Prosessorit ovat yleensä x86-pohjaisia ja sulautettujen suorittimien keski- ja kärkiluokan alueelta: vähävirtaisista Atom-järjestelmäpiireistä palvelinluokan Xeon-prosessoreihin.

COM Express tulee useina eri tyyppeinä, jotta se voi vastata laajan sulautettujen järjestelmien tarpeisiin, joihin kuuluu erityisiä I/O-liitäntöjä ja niitä vastaavia nastoituksia. Nämä vastaavat erilaisiin I/O-tarpeisiin, hintaluokkiin ja kokorajoituksiin erilaisissa sulautetuissa järjestelmissä.

Kun I/O-portit ja standardit ovat vuosien varrella kehittyneet, niin ovat myös COM Express -tyypit. Tämän päivän suosituimpia korttityyppejä ovat Type 6 ja Type 10, jotka tukevat uusinta PCI Express -oheislaiteväylää sekä digitaalisia näyttöliitäntöjä (DDI, digital display interface), joiden avulla saadaan ulos HDMI-, DisplayPort- ja DVI-grafiikkaa. Type 6 keskittyy suurempiin PC-tyyppisin sulautettuihin järjestelmiin, joissa on 24 PCI Express -linjaa, kolme DDI-lähtöä ja kolme SATA-liitäntää, kun taas Type 10 tähtää pienempiin järjestelmiin, joissa riittää neljä PCIe-linjaa, kaksi DDI-lähtöä ja kaksi SATA-liitäntää.

 

Kuva 1. COM Express Mini -kortit kuten tämä MSC:n 55×84-millinen Type 10 Apollo Lake -kortti tuovat paljon laskentatehoa pienessä, kompaktissa kotelossa.

Sen lisäksi, mitä COM Express tuo I/O-joustavuutta eri tyypeillään, se tukee eri korttikokoja erilaisia sulautettuja formaatteja varten. Alun perin peräti 110x115 millin koon rinnalle on tullut pienempiä kokoja ajan kuluessa, joista suosituimpia ovat nykyään Basic (95×125mm), Compact (95×95mm) ja Mini (55×84mm). Sulautettujen IoT-laitteita varten Compact-koko sopii hyvin Type 6 -moduuleihin, joissa tarvitaan robustia I/O-liitettävyyttä ja laajennusmahdollisuuksia, ja Mini-koko sopii Tyypin 10 moduuleihin, joissa tarvitaan tehokasta laskentaa pienessä formaatissa.

Lukuun ottamatta Mini-kokoa (kuva 2), joka liitetään yleensä Type 10:n COM-moduuleihin, kortin tyyppi – ei koko – määrittelee alustakortin yhteensopivuuden. Type 6 -alustakorttia voidaan käyttää joko Basic- tai Compact-koon Type 6 -korttien kanssa.

Type 10 -kortin Mini-kokoinen moduuli on tuorein lisäys sarjaan ja alun perin suunniteltu suorituskyvyltään keski- ja huippuluokan laitteisiin, jotka vaativat PC-tyypin suorituskykyä ja I/O-liitettävyyttä. Tulokas on tuonut COM Expressiin joustavuutta tukea myös pienikokoisia, alhaisen tehonkulutuksen laitteita.

QSeven

Atom-järjestelmäpiirille suunniteltu QSeven on vuonna 2008 esitelty x86-pohjainen COM-standardi. 12 watin maksimitehobudjetilla sen keskiössä ovat tiukasti alhaisen tehonkulutuksen pienikokoiset sulautetut laitteet.

QSevenissä on pienempi määrä I/O-liitäntöjä kuin useimmissa COM Express -tyypeissä, sillä se on suunniteltu mobiililaitteita varten. Käytetyt toisaalta sopivat hyvin mobiilisovelluksiin. Näihin kuuluu neljä PCIe-linjaa, kaksi SATA-porttia, useita USB-portteja, gigabitin Ethernet, SDIO, LVDS LCD-näyttöjen lähtöjä varten, digitaalinen näyttöliitäntä, HDA-liitäntä (high-definition audio), ja sarjaliitännät. Uutena formaattina se pääsi eroon vanhoista PCI-, ISA- ja vastaavista liitännöistä uudempien ja tulevaisuuteen enemmän valmiiden tieltä.

Matalan MXM-liittimen ja vain 70x70 millin koon ansiosta QSeven sopii hyvin pieniin sulautettuihin sovelluksiin kuten kannettaviin tai kädessäpidettäviin laitteisiin.

Samankokoisen COM Express Type 10 Mini -moduulin myötä – joka myös eliminoi vanhat legacy-liitännät uusien modernien liitäntöjen tieltä – Qsevenin suosio on hieman hiipunut. Se on silti edelleen pätevä COM-tekniikkaa, erityisesti ilman tuuletinta toimivissa alhaisen tehonkulutuksen mobiileissa sulautetuissa sovelluksissa.

SMARC 2.0

Kuva 2. Tämä MSC:n 80x80-millinen SMARC 2.0 -moduuli on pitkälle integroitu ratkaisu, joka tukee kolmea erillistä näyttöä, DDR3-muistia, eMMC-muistia ja SATA-väylästä flashia ja USB 3.0:a kortille integroidun langattoman tuen lisäksi.

SMARC on ultravähävirtainen sulautettu COM-standardi, jonka kehitys saatiin valmiiksi vuonna 2012. Sen tehobudjetti (6W) on jopa QSeveniä tiukempi. Siinä missä QSeven-formaatti kehitettiin alun perin Atom-järjestelmäpiirejä varten, SMARC suunniteltiin ARM-prosessoreille. Se on sittemmin päivitetty tukemaan myös Atom-prosessoreja.

SMARC käyttää 314-nastaista MXM3-liitintä, joka on tarkoitettu matalatehoisiin ja mobiileihin sovelluksiin. Se I/O-liitäntöihin kuuluvat rinnakkaiset LCD-näyttöliitännät, USB-toiminnot (host ja client), PCI Express, SDIO, eMMC ja erilaiset sarjaliitännät kuten kaksi MIPI CSI -kameraliitäntää.

Vuonna 2016 SMARC-standardi päivitettiin versioon 2.0. Se lisäsi määrityksiin lisätuen HD-grafiikkalähdölle kaksitoimisen DisplayPort-väylän (DP++) muodossa, toisen LVDS-kanavan, toisen gigabitin Ethernet-liitännän, lisää USB-portteja, neljännen PCI Express -linjan ja tuen x86-tehonhallintasignaaleille.

SMARC-standardi tukee joko 80x80 tai 80-50 millin kokoa. Suuremman moduulin I/O-tuki on laajempi, kun taas pienempi on omiaan edullisiin tai rajoitetun tilan toteutuksiin. SMAR tukee 3-5.25 voltin syöttöjännitteitä. Tämä pienentää kortin tilavaatimuksia tehomuuntimille, ja antaa paremman tuen akkupohjaisille teholähteille.

Keskittyessään ultravähävirtaisiin ja mobiileihin sulautettuihin sovelluksiin, sekä nastamäärältään QSeveniä suurempana, SMAR on kestävä sulautettu COM-standardi vahvoilla I/O-mahdollisuuksilla.

COM-moduulie integraation myötä suunnittelijat voivat helpommin ja nopeammin hyödyntää uusia teknologioita, kuten Apollo Lake -prosessoreja.

 

IoT-laitteiden tietoturva on retuperällä

Viime syksynä Mirai-haittaohjelma valloitti tuhansia ja tuhansia valvontakameroita palvelunestohyökkäyksiä varten. Barr Groupin tuore kyselytutkimus osoittaa, että sulautettujen laitteiden suunnittelijat eivät vieläkään suhtaudu riittävän vakavasti laitteiden tietoturvaan.

Lue lisää...

Korteilla vauhtia IoT-kehitykseen

Sulautetun laitteen kehitys onnistuu useimmiten helpoiten valmiiden moduulien avulla. Nykyään niitä saa myös tehokkailla Apollo Lake -sarjan prosessoreilla varustettuna.

Lue lisää...
 
 
ETN_fi Windows 10 market share on desktop grows to 48.9 % as users finally abandon Win7. https://t.co/bor0A9nDCL
ETN_fi Elisa pilotoi privaattiverkkoa Ericssonin kanssa – kysyntä Suomessa kasvaa https://t.co/czaaWNGeeK
ETN_fi @ublox have acquired Rigado´s BLE modules. https://t.co/c7SwncnKvA
ETN_fi Efore sells the telecommunications business unit to Shenzhen Kexin. The decision also means that the joint venture… https://t.co/XM8qiDO8YE
ETN_fi Apple acquires Intel´s modem business. Another iPhone chip to be designed in-house. https://t.co/G86rLHV4yu


Sponsors



Advantech is a leader in providing trusted innovative embedded and automation products and solutions. Advantech offers comprehensive system integration, hardware, software, customer-centric design services, and global logistics support; Advantech has always been an innovator in the development and manufacture of high-quality, high-performance computing platforms.




Arm defines the pervasive computing that’s shaping today’s connected world. Realized in 125+ billion silicon chips, our device architectures orchestrate the performance of the technology that’s transforming our lives — from smartphones to supercomputers, from medical instruments to agricultural sensors, and from base stations to servers.




We offer high value-added engineering services, embedded systems and IoT as well as technical documentation solutions. Etteplan’s extensive offering covers all design engineering service needs for machinery, equipment and plants including embedded systems and IoT solutions.



Presentors


We offer custom, cost-effective solutions to help you fulfil your project. With our wealth of technology expertise, we can provide expert technical support and guidance at every stage of your design.




The number one COMPANY FACT about Altium is: Our Strategic Business Focus is Printed Circuit Board Design Software. Designers need tools that help them make the most of modern technologies, successfully manage projects, and deliver connected, intelligent products. We create the ECAD tools designers need.




congatec is a leading supplier of industrial computer modules using the standard form factors COM Express, Qseven and SMARC as well as single board computers and EDM services. congatec’s products can be used in a variety of industries and applications, such as industrial automation, medical, entertainment, transportation, telecommunication, test & measurement and point-of-sale.




DATA MODUL stands behind its claim as a worldwide leading supplier of professional “visual solutions” and is a reliable premier choice partner in the areas of display, touch, embedded and monitor solutions.




Since 1985, Digi International Inc. (Digi) has been a pioneer in wireless communication, forging the future for connected devices and responding to the needs of the people and enterprises that use them. Today, our IoT offering includes sensor-based solutions, a sophisticated platform for remotely monitoring device deployments of any size, anywhere, as well as professional design, implementation and certification teams to help you carry out your vision, no matter how large or small.



Microchip Technology Inc. is a leading provider of microcontroller, analog, FPGA, connectivity and power management semiconductors. Its easy-to-use development tools and comprehensive product portfolio enable customers to create optimal designs which reduce risk while lowering total system cost and time to market. The company’s solutions serve more than 130,000 customers across the industrial, automotive, consumer, aerospace and defense, communications and computing markets. Headquartered in Chandler, Arizona, Microchip offers outstanding technical support along with dependable delivery and quality.




For more than 80 years, Rohde & Schwarz has stood for quality, precision and innovation in all fields of wireless communications. The group relies on its expertise based on 20 years of experience in IT and network security.




Rutronik has developed from a “one-man-company” into one of the worldwide leading broadline distributors, employing more than 1,600. In the electronic components market, Rutronik currently ranks 11th worldwide and is the third largest European distributor. The product range includes semiconductors, passive and electromechanical components as well as embedded boards, storage technologies, displays and wireless products.




The Qt Company is responsible for Qt development, productization and licensing under commercial and open-source licenses. Qt is a C++ based framework of libraries and tools that enables the development of powerful, interactive and cross-platform applications and devices.



Exhibitors



Our focus is on industrial electronics and producing support services. The main product areas of Mespek are embedded modules, industrial computing, test & measurement modules and server management systems (KVM-switches). Besides our domestic customers we have clients also in several countries such as Benelux, China, Estonia, Ireland, Norway, Russia, Sweden and Switzerland.




Tritech offers standard products, design and support services, as well as custom solutions to the embedded and industrial IoT-markets. Partnering with leading technology companies, we deliver intelligent and connected systems that enable our customers’ applications. We turn technology into business.


ECF template