Qseven - Computer-on-Module - Tekniköversikt
Under de senaste åren har Qseven etablerats på allvar, mestadels i Europa, men nyligen även i Asien och USA. COM-moduler i just det där formatet används i en mängd olika produkter, från datorer på bussar, medicinteknik och HMI:er. Allt fler inbyggda företag ansluter sig till konsortiet bakom standarden och erbjuder sina egna Qseven-moduler.
Anledningen till Qsevens popularitet är en kombination av kompakt storlek (70mm x 70mm) och låg höjd, kostnadseffektivitet och tillgång till samtida och höghastighetsgränssnitt som PCI Express, SATA, Gbit Ethernet och USB 3.0. På senare tid har antalet alternativ och möjligheter ökat från lanseringen av ett antal Qseven-moduler baserade på kraftfulla ARM-processorer och AMD G-seriens APU:er.
Men låt oss börja från början, allra början. För ungefär tio år sedan hade X86-processorer blivit så komplexa att man ifrågasatte möjligheten att fortsätta utveckla hårdvara in-house, även hos stora OEM-kunder med höga produktionsvolymer. Användning av färdiga standardiserade datorkort (COTS, Computer-Off-The-Shelf) var ett alternativ att överväga. Produkternas unikhet låg ofta i funktionalitet och gränssnitt i hårdvaran, vilket talade emot alternativet med COTS-datorkort.
Denna situation blev grogrunden för idén att använda en färdigbyggd datormodul monterad på ett specialtillverkat bärarekort. Datormodulen innehöll främst CPU, chipset och minne och skulle användas i produkter från många olika företag. Hårdvaran som helhet gjordes unik genom att anpassa funktionalitet och gränssnitt på det bärarekort där modulen monterades.
Drivkrafter bakom Qseven
Eftersom en datormodul används på många olika bärarkort, i många produkter, från många företag behövs standardisering. ETX och COM Express är ett par standarder som definierar modulens egenskaper såsom storlek, hålmönster och kontakter för montering av modulen på bärarkortet, minimum- och maximumuppsättningen av gränssnitt, pinout, strömförbrukning och kylningsalternativ.
Specifikationen för den standardiserade datorn COM-modul (COM, Computer On Module) påverkas och begränsas givetvis i stor utsträckning av befintliga processorer och chipsets. Det kom inte som någon överraskning att lanseringen av lågeffektsprocessorn Intel Atom 2008 också ledde till introduktionen av ytterligare en formfaktor med nya egenskaper. Intel Atom erbjöd en anständig prestandanivå men framför allt riktigt låg strömförbrukning och en kompakt storlek. Detta öppnade upp för nya användningsområden. X86-processorer hade hittat sin väg in i handhållna och batteridrivna inbyggda produkter.
Qseven-formfaktorn lanserades för att möta behoven av en kompakt och kostnadseffektiv modulstandard med nya höghastighetsgränssnitt inkluderade. MXM II-kontakten var en av nycklarna till att hålla nere kostnaderna och erbjuder ändå hållbarhet och kvalitet. Qseven-moduler använder en MXM-kontakt för att ansluta modulen till bärarkortet.
MXM-kontakter håller nere kostnaderna
MXM-kontakter användes ursprungligen för anslutning av grafikmoduler i bärbara datorer i toppklass. Produktionsvolymen var, och är, stor. Endast en faktisk MXM-kontakt krävs, den som sitter på bärarkortet. Qseven-modulen har guldpläterade “fingrar” tryckta direkt på kortet som fungerar som den hane-kontakt som matchar kontakten på bärarkortet.
MXM-kontakter har visat sig vara pålitliga även i krävande miljöer, inklusive fukt, vibrationer och temperaturförändringar. MXM-kontakter finns specificerade för de krävande kraven inom fordonsindustrin. Qseven-moduler används inom transport och i obemannade fordon. Ett exempel är den svenska tågoperatören SJ som valde en Qseven-modul för en infotainmentapplikation i sina tåg. Tågmiljön betraktas typiskt sett som en krävande miljö för elektronik. Vi återkommer till detta exempel senare i texten. Låt oss först titta närmare på fördelarna som den kompakta storleken medför.
En Qseven-modul mäter 70 mm x 70 mm. Trots den begränsade ytan för montering av komponenter finns det plats för en fullfjädrad X86-plattform inklusive upp till åtta DDRII/DDRIII-minneskretsar, Flash SSD och Ethernet-kontroller. Den specificerade höjden för en Qseven-modul, inklusive kylfläns, är inte mer än 14,2 mm. Den kompakta storleken på Qseven visade sig vara avgörande i följande exempel baserat på erfarenheter från en av Hectronic:s kunder.
Undvika fullständig systemomdesign
Den befintliga produkten baserades på en 3,5-tums enkortsdator kopplad till ett par subsystem. Linux användes på den äldre X86-processorn, Intel Pentium III. Industrikameror anslöts med kommunikationsgränssnittet Firewire.
Datorn fanns inte längre tillgänglig på marknaden och en ersättning behövdes. Krav som ställdes på den ersättande hårdvaran var bland annat att anslutningar skulle placeras enligt föregångaren och tillgång till Firewire. 3,5-tum SBC:er på marknaden uppfyllde inga av dessa krav. Och ständigt närvarande var oron att undvika en kostsam omdesign av hela systemet inklusive elektronik och mekanik.
Alternativet med en COM-modul på ett bärarkort verkade vara det bättre valet. Bärarkortet kunde enkelt anpassas till vissa av kraven genom att använda 3,5-tumsformatet och placera anslutningar och monteringshål på alla rätt ställen. Det återstod att bestämma modulens formfaktor, ett beslut som styrdes av de gränssnitt och styrenheter som krävdes.
Utvärdera formfaktorer
COM Express, ETX och Qseven utvärderades. ETX är idag en standard som mest används när tillgång till äldre gränssnitt som PCI- eller ISA-bussen är en nödvändighet. Denna kund behövde snarare tillgång till nya och höghastighetsgränssnitt med en förväntad lång livslängd, inte minst för att säkerställa framtida tillgång på Firewire-kontroller. PCI Express var ett av de önskvärda gränssnitten, men det fanns (och finns) inte med i ETX-moduler. ETX-moduler var inte heller tillräckligt små.
Både Qseven och COM Express erbjuder PCI Express. Valet föll slutligen på Qseven baserat på den mer kompakta storleken och särskilt den begränsade höjden. Qseven-modulen monterades på ett specialtillverkat moderkort som behövde passa i det befintliga utrymmet och mekaniskt kopplas till den befintliga kylningslösningen. En Firewire-kontroller monterades på moderkortet och anslöts till PCI Express.
Kostnaden per enhet för lösningen var jämförbar med priset för den enkortsdator som skulle ersättas. En av anledningarna var naturligtvis att det använda MXM-kontakten är relativt kostnadseffektiv. Hectronics Qseven-modul erbjöd de flesta av de funktioner och gränssnitt som behövdes. Därigenom kunde bärkortet vara okomplicerat och tillverkas till en låg kostnad. Men framför allt undveks kostnaden i tid och pengar för en fullständig omdesign.
Ny funktionalitet i Qseven-standarden
Qseven-standarden har funnits ute ett par år nu. Många av Qseven-modulerna på marknaden stödjer version 1.11 av standarden. I version 2.1, den senaste, har gränssnitt för styrning och kommunikation som SPI lagts till. SMBus och I2C inkluderades redan i tidigare versioner av standarden. CAN lades till i version 1.2 på grund av intresset från fordonsindustrin. CAN ingår i Qseven-specifikationen men stöds inte vanligtvis på X86-plattformar. Sådana plattformar behöver ytterligare kontroller integrerade på modulen för CAN-åtkomst. Intel Atom E6xx med EG20-chipset är en av plattformarna med stöd för CAN.
Det är en vanlig strategi att inkludera stöd för äldre gränssnitt som krävs, såsom seriella portar, PS2 och parallella portar på kortet. Super I/O-kontroller kan anslutas till LPC-bussen (Low Pin Count bus, som mer eller mindre är en 8-bitars seriell ersättning för ISA-bussen). Qseven-standarden anger en minimikonfiguration tillsammans med ytterligare valfria gränssnitt upp till maximikonfigurationen enligt standarden. SDIO och CAN är två valfria gränssnitt som inte ingår i minimikonfigurationen.
PCI Express är obligatoriskt. Fyra portar är maximum och en port är minimum. USB är obligatoriskt, från fyra till åtta portar. SATA är inte en nödvändighet men ingår vanligtvis i de flesta nya moduler. Standarden innebär noll till två SATA-portar. En mindre omfattande minimikonfiguration för moduler baserade på ARM-processorer inkluderades i version 1.2. PCI Express utelämnades i denna minimikonfiguration. De grafiska gränssnitten LVDS, SDVO, DisplayPort och HDMI har inkluderats i den första versionen av standarden. Men det är först nyligen som Qseven-moduler har lanserats med processorer som även stöder DisplayPort och HDMI.
Qseven tillämpat i mobila produkter och mer
Qseven-moduler använder en enda 5V DC-strömförsörjning. Den maximala TDP (Thermal Design Power) är 12 W, riktad mot handhållna, mobila produkter eller andra passivt kylda produkter i små och fläktlösa kapslingar. Den maximala TDP i COM Express är 120W eller 188W, beroende på pin-layout och den revision som stöds. De flesta COM Express-moduler förbrukar i praktiken 15W till 50W. Qseven har visat sig ha en bredare användning än enbart kompakta, mobila och batteridrivna produkter. Karakteristiska krav i applikationer där valet har fallit på Qseven är typiskt kompakt storlek, kostnadseffektivitet, låg strömförbrukning och passiv kylning.
En av Hectronics kunder inom medicinteknik har en produkt som är ett bra exempel. Den är varken batteridriven eller mobil men egenskaperna hos Qseven erbjuder ändå fördelar. X86-prestanda behövs för att övervaka vitala tecken från sensordata och för att presentera informationen på en 14-tums pekskärm. Begränsningar på grund av produktens IP-klassificering tillät inte en fläkt och luftöppningar i höljet. Systemet baseras på Hectronics H6049 Qseven-modul baserad på Intel Atom Z510/Z530. Strömförbrukningen är tillräckligt låg för att värmen kan distribueras ut över en stor yta på höljet och därmed hålla temperaturen inom gränserna utan fläkt.
Handhållna mätinstrument, industriella surfplattor och mobil medicinsk utrustning finns bland de förväntade användningsområdena för Qseven. Mindre förväntat var kanske att formfaktorn har haft bred användning inom områden som industriell automation, fordonsdatorer, medicinska HMI:er och styrsystem för obemannade fordon.
Qseven i robusta applikationer
Svenska tågoperatören SJ använder Hectronic H6049 Qseven-modul tillsammans med radiomoduler och FPGA i ett infotainmentsystem ombord på X55-tågen. SJs mål med att införa ett nytt infotainmentsystem var att sänka kostnaderna för underhåll som krävdes med den befintliga lösningen med anslutningar vid varje säte och att generellt skapa en trevligare reseupplevelse.
Utmaningen innebar att ge passagerarna tillgång till FM-radio ombord på tåget i en miljö med fönster och väggar som reducerade radiosignaler med 60 dB till 70 dB, och det faktum att den bästa frekvensen för radiotransmittorn skiftade när tåget färdades i 200 km/h. Andra utmaningar var att klara vibrationer, fukt och elektromagnetiska störningar från släpkontakter på luftkablar, samt att möta kraven från standarden EN 50155 för elektronik i tåg.
Utvecklingsprojektet balanserade tekniska krav med krav på att hålla nere kostnaderna genom en kombination av teknisk utveckling och färdiga komponenter och moduler, varav en var Hectronic H6049 Qseven-modul.
Systemhårdvaran är en semi-anpassad design som inkluderar ett bärarkort med ljudkretsar och en FPGA, en RTX-modul för FM-radio utvecklad av Generic samt Hectronic H6049 Qseven-modul med Intel® Atom™.
Den maximala TDP-effekten på 12W begränsar förstås prestandanivåerna som kan förväntas av Qseven-moduler. Hectronic släppte H6071 Qseven-modul baserat på AMD:s G-serie av APU:er. AMD använder namnet APU (Accelerated Processing Unit) för att betona vikten av att använda en kombination av en energieffektiv X86 CPU och en avancerad GPU i samma krets, faktiskt på samma kiselplatta.
Integrerad GPU ökar grafikprestandan i Qseven
Radeon 8000 GPU:n är integrerad med CPU:n för att erbjuda bästa möjliga 2D/3D- och videoacceleration. Ett annat intressant alternativ för att utnyttja AMD:s APU är generell GPU-beräkning (GPGPU) genom att dra nytta av AMD:s OpenCL-stöd. En av fördelarna med att GPU:n är integrerad med CPU:n, jämfört med användningen av en separat grafisk processor, är att begränsningen från minnesbussen undviks.
En Qseven-modul i detta prestandasegment lämpar sig väl för applikationer som avancerad bildbehandling, visionsystem och integrerade digitala skyltlösningar. Ännu andra användningsområden som gynnas av den ökade grafiska prestandan är kraftfulla radar- och navigationssystem till sjöss, som ECDIS (Electronic Chart Display and Information System).
Den Hectronic H6071 är en COM-modul i Qseven-formfaktor baserad på lågeffekts-processorerna AMD Embedded G-serien, med en- och dubbla X86-kärnor respektive och Radeon 8000 GPU. Qseven-formfaktorn gör H6071 till en legacyfri modul med ett komplett utbud av moderna lågspända differentiella seriella gränssnitt såsom PCI Express, USB 3.0 och skärmgränssnitt som DisplayPort, HDMI, DVI och Dual 24-bitars LVDS. Qseven-moduler är definierade för låg kostnad och robusthet, med en MXM-typ edgecard-kontakt som gränssnittar mot bärarkortet. H6071 har fastlött minne och valfri ombordmonterad SSD.
Qseven och ARM
Komplexiteten och prestandan hos ARM-processorer har närmat sig X86-plattformar och nått upp till deras nivåer inom lågprissegmentet. Mjukvaruutveckling är ofta en större utmaning för ARM-processorer jämfört med X86. BSP:er (Board Support Packages), som normalt erbjuds tillsammans med COM-moduler, är till stor hjälp för att stödja mjukvaruutveckling med ARM. Svårigheter inom hårdvaruutveckling av höghastighetsminnen och gränssnitt är desamma för ARM och X86. Tidigt utlöste komplexiteten i X86-plattformar en strategi för att separera hårdvaran i en COM-modul och ett moderkort.
Det är därför inte förvånande att Qseven-moduler baserade på ARM-processorer som Cortex A8 och dual core Cortex A9 i Nvidia Tegra 2 har introducerats på marknaden för inbyggda system. iMX6-processorerna från Freescale har blivit populära på Qseven-moduler. Dessa kraftfulla ARM-processorer erbjuder stöd för höghastighets PC-gränssnitt som PCI Express, SATA och Gbit Ethernet. I praktiken är Qseven den första formfaktorn som erbjuder standardiserade moduler baserade på ARM.