Nr. 2 / 2014 / articolul 6

Modulele de procesor Connect Card® și ConnectCore™ de la Digi International

Alexander Samarin (Moscova)

Pe baza noului concept de platforme SoM (System-on-Module), pot fi create soluții extrem de eficiente, compacte și mobile pentru o gamă largă de aplicații. Plăcile de procesor din seria Connect Card® și ConnectCore™ de la Digi International aduc implementarea platformelor de sistem pe modul pe piața M2M, oferind noi niveluri de integrare și performanță.

Modulele SoM sunt produse gata făcute și standardizate într-un factor de formă compact, care conțin deja un procesor, magistrală de date, memorie și porturi I/O, o gamă largă de interfețe periferice, precum și interfețe de afișare și multimedia. Utilizarea modulelor SoM va facilita și va accelera semnificativ dezvoltarea sistemelor pentru aplicații încorporate. Ca urmare, specialiștii vor acorda mai multă atenție creării și optimizării propriilor aplicații încorporate, ceea ce le va permite să construiască cea mai eficientă soluție care să îndeplinească toate Cerințe de sistem. Această abordare ne permite să derivăm sistem gata făcut pe piață mult mai rapid decât atunci când îl dezvolta de la zero.

Ultimii ani s-au caracterizat prin creșterea aplicațiilor care folosesc activ funcții multimedia: grafică de înaltă rezoluție și calitate, intrare de imagine de la camerele video încorporate, procesare în timp real a fluxului video, interfețe touchpad, conversie și compresie video etc. Un exemplu izbitor de astfel de aplicație poate fi, de exemplu, multimedia auto și sisteme de navigație, sisteme de siguranță pasivă și de asistență la parcare. Astfel de sisteme folosesc în mod activ informațiile introduse de la mai multe camere video instalate în mașină. Și mai multe afișaje sunt folosite pentru a afișa informații video. Suportul acestor caracteristici necesită o platformă de procesor de înaltă performanță, bogată în funcții, cu resurse hardware încorporate pentru a sprijini procesarea și transformarea grafică. Cea mai mare parte a performanței plăcii procesorului se va concentra pe furnizarea de intrare video, procesare a imaginii în timp real și ieșire a imaginilor procesate și a parametrilor grafici pe ecrane de afișare.

Arhitectura modulelor de procesor sistem pe modul

Unul dintre domeniile cheie de dezvoltare a inginerilor Digi în În ultima vreme au devenit module de procesor cu o arhitectură system-on-module, destinate segmentului de piață M2M (Machine-to-Machine). În primele dezvoltări ale companiei, modulele de procesor din seria SmartCat au instalat procesoare Rabbit 2000 de performanță medie care funcționează la o frecvență de 22,1 MHz (modul BL21xx) sau procesoare Rabbit 3000 care funcționează la o frecvență de până la 7,4 MHz (modul LP35xx). Sectorul de aplicare al unor astfel de module este terminalele low-cost, controlere industriale low-cost, controlere HMI, controlere în switch-uri Ethernet, controlere de gestionare a nodurilor acces wirelessși așa mai departe.

Digi Int. oferă și dezvoltatori opțiuni gata făcute soluții bazate pe astfel de module, de exemplu, prin instalarea unui modul de afișare la mezanin cu un câmp funcțional de buton pe placa procesorului. Compania oferă și carcase gata făcute pentru astfel de asamblare.

Module de procesor bazate pe procesoare multimedia Freescale SoC

Să luăm în considerare evoluțiile promițătoare ale plăcilor de procesor fabricate de Digi pe baza procesoarelor multimedia de înaltă performanță de la Freescale cu o arhitectură system-on-chip (SoC). Principalele avantaje ale procesoarelor utilizate sunt nivelul lor ridicat de integrare, performanță, încorporat porturi de comunicație, prezența funcțiilor de suport grafic integrat, multimedia, consum redus de energie, precum și suport pentru multe platforme software. Digi a dezvoltat mai multe serii de plăci de procesoare compacte Connect Card® și ConnectCore™ care oferă performanțe și opțiuni de porturi diferite.

Să luăm în considerare trei versiuni de bază ale plăcilor de procesor, care diferă în primul rând în structura unității multimedia și de afișare. Astfel, modulele Connect Card® i.MX28 au un singur port paralel pentru conectarea unui modul de afișare LCD TFT, modulul ConnectCore™ 53 are două porturi de afișare separate cu diferite tipuri de interfețe de afișare, iar cardul ConnectCore™ 6 oferă conexiune până la la patru afișaje independente.

Tabelul 1 prezintă caracteristici de bază plăci de procesor Digi disponibile în prezent.

Tabelul 1. Principalele caracteristici ale plăcilor de procesor Connect Card® și ConnectCore™

Module de procesor	Connect Card® i.MX28	ConnectCore™ i.MX53	ConnectCore™ 6 i.MX6
CPU	Freescale i.MX28 ARM926EJ-S; frecventa de pana la 454 MHz (1,2 DMIPS/MHz)	Freescale i.MX53 Cortex-A8; frecventa de pana la 1 GHz (2,0 DMIPS/MHz)	Freescale i.MX6 până la patru nuclee Cortex-A9; frecvență de până la 1,2 GHz (2,4 DMPIS/MHz)
Dimensiuni modul, mm	Factor de formă PCI Express Mini Card 51x35x3	82x50x8	50x50x5; format SMT
Interfețe de rețea	802.11a/b/g/n + Bluetooth 4.0, Ethernet single/dual 10/100 Mbit/s	802.11a/b/g/n, Ethernet single/dual 10/100 Mbit/s	802.11a/b/g/n + Bluetooth 4.0, Gigabit Ethernet
Interfețe	UART;, USB; POATE SA; SPI; I2C; I2S; ADC; GPIO	USB; UART; SPI; I2C; I2S; ADC; SD/MMC; POATE SA; SATA; GPIO; interfață de tastatură; accelerometru cu trei axe	POATE SA; USB; UART; SPI; I2C; I2S; SD/MMC; SATA; PCIe; GPIO
Mediul de operare	Android; ferestre; Linux	Android; ferestre; Linux	Android; ferestre; Linux
Conectori	PCI cu 52 de pini	Două ace de 180	Fara conectori; Pachetul SMT LGA-400
Kit de depanare	CC-WMX28-LX	CC-WMX53-ANDRD	Consiliul de dezvoltare SBC
Interfețe multimedia
Interfețe de afișare	O interfață paralelă (conector cu 31 de pini)	Două interfețe de afișare (până la 24 de biți) UXGA@60Hz; 2 x LVDS; Ieșire TV/VGA 1080p60	Până la patru interfețe independente multi-display; (LVDS/MIPI/paralel/HDMI)
Module hardware acceleratoare grafice	Scalare; rotirea imaginii; conversia culorilor	Accelerator grafic 2D/3D (GPU); MPEG-4; H.263; H.264; MPEG-2; VC-1; DivX; RV10; MJPEG; codec video 720p/1080p	Unul sau două acceleratoare grafice 2D/3D (GPU), codec video 1080p
Interfața camerei video	–	Două MIPI/paralel	Două MIPI/paralel
Interfață touch screen	4/5 fire (LRADC)	da	da
Audio	I2S		audio digital multicanal
Audio	I2S	audio digital multicanal	audio digital multicanal
Interfața camerei video	–	Două MIPI/paralel	Două MIPI/paralel
Interfață cu ecran tactil	4/5 fire (LRADC)	da	da
Audio	I2S	audio digital multicanal	audio digital multicanal

O caracteristică specială a modulului i.MX6 este că nu există conectori pe placă. Datorită acestui fapt, a fost posibil să se reducă semnificativ dimensiuni modul. Caracteristicile implementării modulelor multimedia și de afișare în structura plăcilor de procesor din seriile Connect Card® și ConnectCore™ vor fi discutate mai detaliat mai jos.

Structura modulului procesor i.MX28

Aceasta este o opțiune bugetară pentru o placă de procesor cu performanță medie pentru aplicații care necesită în primul rând un consum redus de energie cu funcționalitate ridicată. Figura 1 prezintă structura plăcii procesorului Connect Card® i.MX28.

Figura 2 prezintă aspectul elementelor de bază de pe placa modulului procesor Connect Card® i.MX28.

Interfață LCD

Pe placa Connect Card® i.MX28, pe lângă conectorul de margine imprimat PCI, este instalat un conector de interfață separat pentru conectarea unui afișaj LCD. Interfața oferă conexiune la afișaje LCD cu diferite tipuri de interfețe de afișare și având diferite dimensiuni și rezoluții de ecran, de la simple multiplex și module alfanumerice monocrome până la panouri LCD TFT în format WVGA, cu magistrale de date late de 16/18/24 biți. Interfața oferă transfer de date pentru afișarea video real în modul RGB pe ecranul de afișare. Rezoluția maximă a afișajului LCD TFT este de 800x480 (WVGA). Rata de reîmprospătare – până la 60 Hz. Moduri – RGB/DOTCK/SYSTEM. Hardware-ul oferă, de asemenea, conversie de culoare, scalare și rotație a imaginii.

Implementarea unei interfețe cu afișaj LCD

Ecranul LCD se conectează la un conector ZIF cu 31 de pini montat pe partea superioară a modulului. Kitul de depanare folosește un cablu de la NICOMATIC (denumirea 050P331K0076-406406). În mod implicit, placa de dezvoltare utilizează o interfață de afișare LCD pe 18 biți (6 biți pe culoare). Puteți utiliza, de asemenea, modul de codare a culorilor pe 24 de biți, dar în acest caz funcția interfeței JTAG, ale cărei semnale sunt transmise și la același conector, va fi dezactivată. Interfața panoului tactil este acceptată prin utilizarea LRADC2-5. Pentru a interfața cu controlerul panoului tactil, puteți utiliza unul dintre porturile SPI. Placa de dezvoltare folosește portul SSP1. Semnalele PWM PWM0, 1, 3, 4, 5 și 6 pot fi utilizate pentru a controla luminozitatea luminii de fundal (placa de dezvoltare utilizează semnalul PWM0) Conectorul de afișare de pe modul este FCI 10106814-051002LF.

Modulele i.MX28 sunt folosite în medicină și sănătate, transport, sunt folosite pentru controlul distribuției de energie și sunt utilizate în automatizările industriale.

Kit de depanare pentru modulul procesor i.MX28

Pentru a accelera depanarea software-ului utilizatorului, puteți utiliza kituri de depanare dezvoltate de Digi. Figura 3 prezintă aspectul unei astfel de plăci de dezvoltare, indicând amplasarea conectorilor de interfață, în special, a conectorilor de afișare și panou tactil.

Arhitectura procesorului ConnectCore™ i.MX53

Modul procesor ConnectCore™ i.MX53 este o modificare suplimentară a modulului ConnectCore™ i.MX51 din generația anterioară și are mult mai multe performanță mai bunăși funcționalitate. Acest lucru este asigurat în primul rând de noul procesor i.MX53 utilizat în modul, dezvoltat de Freescale.

Principalele diferențe dintre procesoarele i.MX51 și i.MX53

Procesorul i.MX53 este o clonă mai puternică a lui i.MX51. La migrarea de la i.MX51 la i.MX53, este asigurată compatibilitatea deplină. Performanța procesorului a fost crescută, consumul de energie a fost redus, funcțiile multimedia au fost extinse, frecvența procesorului a fost crescută, viteza magistralei de memorie a fost mărită și cantitatea de memorie adresabilă a fost extinsă. În loc de codecul video HD720p30 utilizat în i.MX51 51, procesorul i.MX53 folosește codecul video HD1080p, care oferă o rezoluție mai mare. Performanța modulului de accelerare grafică 2D/3D a fost, de asemenea, crescută semnificativ. În modulul de interfață de afișare rezolutie maxima in i.MX53 este crescut la formatul UXGA (1600x1200) 60 Hz. În loc de o interfață video analogică HD720/60 Hz, folosește i.MX53 Interfață VGA HD1080p60. În procesorul i.MX53, o punte internă de interfață LVDS este introdusă suplimentar în modulul controlerului de afișare. Pentru a implementa interfața LVDS în dispozitivele bazate pe procesorul i.MX51, este necesară instalarea unui bridge extern LVDS. Toate acestea în ansamblu ar trebui să contribuie la creșterea eficienței utilizării modulelor de procesor ConnectCore i.MX53 în loc de i.MX51. Figura 4 arată aspectul modulului de procesor ConnectCore™ i.MX53 din partea în care sunt instalate procesorul și alte componente de bază. Conectorii pentru conectarea nodurilor periferice sunt amplasați pe cealaltă parte a plăcii.

ConnectCore™ i.MX53 folosește procesorul multimedia Freescale i.MX535 de ultimă generație cu un nucleu Cortex-A8 de 1,2 GHz de înaltă performanță. Procesorul are un codec video 1080p/720p încorporat și un set complet de interfețe periferice. Placa are interfețe cu fir și fără fir și două magistrale CAN. ConnectCore™ i.MX53 este ușor de integrat cu funcții cheie, cum ar fi managementul integrat al energiei, suport multimedia, inclusiv decodare video hardware 1080p, accelerator 2D/3D, capacitate de afișare HD duală, captură video a camerei, criptare hardware, wireless 802.11a/b/g /n Interfață Wi-Fi cu viteze de transfer de date de până la 150 Mbit/s, Bluetooth 4.0, două porturi Ethernet (fiecare cu propriul MAC), două magistrale CAN, posibilitatea de a conecta dispozitive prin SATA II și un set complet de periferice. Figura 5 prezintă structura plăcii procesorului ConnectCore™ i.MX53.

Modulele ConnectCore™ i.MX53 sunt disponibile în două versiuni: intervalul de temperatură comercial -20...70°C și intervalul de temperatură industrial -40...85°C.

Interfețe multimedia ConnectCore™ iMX53

Figura 6 prezintă o diagramă de conectare a dispozitivelor multimedia la placa procesorului de afișaje, camere video, panouri cu ecran tactil și sisteme audio.

Interfețe de afișare

Cinci interfețe de afișare sunt implementate fizic pe placa procesorului tipuri variate, prin care este posibil să conectați până la cinci afișaje. Cu toate acestea, doar două dintre ele pot fi active simultan. Debitul total al tuturor interfețelor este de până la 180 Mbps la 24 de biți per pixel.

Compoziția interfețelor de afișare:

• două porturi paralele de afișare pe 24 de biți cu lățime de bandă de până la 165 Mbps (UXGA@60 Hz);
• două porturi seriale LVDS. 1 port de până la 165 Mbps (HDMI) sau 2 porturi (WXGA@60 Hz) fiecare;
• un port TV-out/VGA cu o lățime de bandă de până la 150 Mbps (1080p la 60 Hz).

Unul dintre ecrane poate folosi un touchpad.

Modulul multimedia al procesorului i.MX53 implementează o interfață cu panou tactil rezistiv cu patru fire cu un stilou haptic. Controlerul touchpad poate fi controlat prin intermediul unuia dintre porturile SPI. Modulul multimedia are și două interfețe paralele pentru conectarea camerelor video.

Interfețele de afișare sunt distribuite pe pinii celor doi conectori cu 180 de pini, după cum urmează:

• Conector J1
  1. semnale de interfață pentru conectarea a două camere video;
  2. interfață de afișare LVDS;
  3. Interfață VGA.
• Conector J2
  1. interfață RGB paralelă/semnale HDMI;
  2. Semnale de interfață VGA-analogică.

Modulul de procesor Connect Core™ i.MX53 DIGI International poate fi utilizat în dispozitive medicale, sisteme de securitate și supraveghere video, terminale de puncte de vânzare, controlere HMI de automatizare industrială și dispozitive multimedia.

Placă de dezvoltare ConnectCore™ i.MX53

Digi International lansează un kit de dezvoltare pentru modulul său de procesor ConnectCore™ i.MX53 bazat pe sistemul de operare Android. Un kit de dezvoltare complet și ieftin, kiturile JumpStart conțin instrumentele necesare pentru a susține platformele Digi Embedded Linux, Timesys LinuxLink, Android Microsoft, Windows Embedded Compact 7. Figura 7 arată aspectul plăcii de dezvoltare.

Kiturile ieftine, all-in-one, Digi JumpStart cu Linux, Android și Windows Embedded Compact 7 și un set complet de BSP-uri vă permit să dezvoltați rapid și profesional și să vă aduceți produsul pe piață.

Pentru a stăpâni modulul CC-Wi-MX51 încorporat, sunt disponibile kituri de depanare:

• CC-WMX53-CE – Kit JumpStart pt Microsoft Windows Compact 7;
• CC-WMX53-LX – Kit JumpStart pentru Digi Embedded Linux;
• CC-WMX53-ANDRD – Kit JumpStart pentru ANDROID.

Module de procesor ConnectCore™ seria 6

Noile module de procesor media ConnectCore™ 6 Series dispun de un procesor media puternic, multi-core Freescale, care oferă performanța ultra-înaltă necesară atunci când lucrați cu mai multe fluxuri video. Modulele pot fi echipate cu un procesor ARM Cortex A9 cu 1…4 nuclee cu o frecvență de operare de până la 1,2 GHz fiecare. Modulul este echipat cu un codec video HD multicanal cu capacitatea de decodare 1080p60, codificare 1080p30 și redare video 3D HD. Modulul implementează un mod care acceptă camere stereoscopice.

Modulul va conține opțional radiouri WLAN 802.11a/b/g/n certificate și Bluetooth 4.0, un microcontroler Freescale Cortex M0+ integrat și un PMIC de înaltă eficiență pentru gestionarea energiei. Figura 8 arată structura plăcii procesorului Connect Core™ 6.

Procesorul este fabricat conform standardelor de tehnologie de 40 nm. Alimentarea nucleului procesorului este de 1,1 V.

Modulele din serie sunt disponibile în trei intervale de temperatură de funcționare:

• domeniul industrial – -40…85°C;
• comercial extins – -20…105°C;
• comercial – 0…95°C.

Tabelul 2 prezintă parametrii unității multimedia pentru diferite versiuni de procesor (număr de nuclee).

Tabelul 2. Parametrii blocului multimedia pentru diferite opțiuni de procesor i.MX6

Spectacole	i.MX 6SoloLite	i.MX 6Solo	i.MX 6DualLite	i.MX 6Dual	i.MX 6Quad
Max. Rezoluția afișajului, 60 Hz	WXGA (1366×768)	2xWXGA (1366×768)	2xWXGA (1366×768)		2x4XGA (2048×1536) sau 2x
Interfețe de afișare	EPDC; Paralel; Două ieșiri		2xParalel; 2xLVDS; MIPI-DSI; HDMI; EPDC; Două ieșiri	2xparalel; 2xLVDS; MIPI-DSI; HDMI; Patru ieșiri	2x paralel; 2xLVDS; MIPI-DSI; HDMI; Patru ieșiri
Interfața camerei video	paralel pe 16 biți		2x20 de biți paralel; MIPI-CSI2 (2 piste); Două intrări	2x20 de biți paralel; MIPI-CSI2 (4 piste); Trei intrari	Tipuri: 2×20-bit paralel; MIPI-CSI2 (4 piste); Trei intrari
Accelerator grafic GPU 3D (OpenGL ES)	N / A		Vivante GC880; 53 Mtri/s; 266 Mpxl/s; OpenGL ES 2.1	Vivante GC2000;176 Mtri/s 1000 Mpxl/s; OpenGL; GL ES 2.1 & Halti, OpenCL 1.1 EP	Vivante GC2000 176 Mtri/s 1000 Mpxl/s; OpenGL; GL ES 2.1 & Halti, OpenCL 1.1 EP
Accelerator grafic GPU 2D (grafică vectorială)		prin GPU 3D	prin GPU 3D	Vivante GC355; 300 Mpxl/s; OpenVG 1.1	Vivante GC355; 300 Mpxl/s; OpenVG 1.1
GPU 2D (compoziție)	prin GPU 2D	Vivante GC320; 600 Mpxl/s, BLIT		Vivante GC320; 600 Mpxl/s, BLIT	Vivante GC320; 600 Mpxl/s, BLIT
Accelerator audio	N / A	ASRC	ASRC	ASRC	ASRC
Interfețe audio	3xI2S; SPDIF Tx/Rx	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI

Partea software va include Linux (Yocto Linux), Android și Microsoft Windows Embedded.

Interfețe de afișare

La fel ca în structura i.MX53, sunt implementate cinci interfețe de afișare. Lățimea de bandă totală a tuturor interfețelor a fost mărită la 450 Mbps la 24 bpp. Puteți conecta până la cinci afișaje simultan. În designul ConnectCore™ 6, până la patru afișaje conectate pot fi active simultan.

Interfața de afișare constă din:

• un port paralel pe 24 de biți cu o lățime de bandă de până la 225 Mbps (de exemplu, WUXGA la 60 Hz) sau două porturi paralele (HD1080 și WXGA / 60 Hz);
• porturi seriale LVDS - unul cu o lățime de bandă de 165 Mbps sau două cu lățime de bandă de 85 Mbps (de exemplu, WUXGA/60 Hz);
• Porturi HDMI 1.4
• MIPI/DSI cu două benzi de 1 Gbps.

Porturile camerei

Următoarele porturi sunt folosite pentru a conecta camerele video:

• port paralel (lățimea magistralei de până la 20 de biți cu lățime de bandă de până la 240 MHz);
• Port serial pentru cameră MIPI CSI-2 cu o lățime de bandă de până la 1000 Mbps/canal în moduri cu 1/2/3 canale sau cu o lățime de bandă de 800 Mbps/canal în modul cu 4 canale.

Figura 9 prezintă o diagramă de conectare a camerelor video la placa procesorului i.MXSolo.

Principala caracteristică de design a modulului ConnectCore™ 6 este lipsa conectorilor. Modulul are un design pin cu montare pe suprafață folosind tehnologia LGA. Tehnologia de montare pe suprafață LGA utilizează plăcuțe plate de nichel placat cu aur (NiAu) în loc de bile. Astfel de plăcuțe sunt disponibile atât pe modul, cât și pe placa de circuit imprimat. Plăcuțele de contact ale modulului și plăcii sunt situate exact una față de cealaltă, iar pasta de lipit este aplicată într-un strat uniform între aceste două suprafețe. Încălzirea se realizează într-un cuptor cu reflow de lipit. Rezultatul este o îmbinare plată, dar lată. Figura 10 prezintă designul modulului i.MX6.

Placa personalizată conține un set de conectori corespunzători aplicației date și componente suplimentare. Utilizatorul însuși alege tipul de conectori utilizați. Ca exemplu, Figura 11 prezintă o opțiune de implementare pentru o astfel de placă (placă de depanare). ÎN în acest exemplu Pentru a conecta afișajul, se utilizează un port LVDS și o priză cu 30 de pini pentru un cablu plat. Un afișaj suplimentar poate fi conectat prin portul LVDS2. Placa de dezvoltare folosește un conector DF14-20 cu 14 pini pe un singur rând pentru această conexiune. Afișajul de înaltă rezoluție poate fi conectat printr-un conector HDMI standard, instalat de asemenea pe placă. Figurile 11...12 arată configurația conectorilor de pe părțile din față și din spate ale plăcii de circuite imprimate a modulului.

Pe partea din spate Placa de dezvoltare conține conectori de porturi paralele de afișare, conexiuni de cameră MIPI și CAM1 paralel.

Aplicații pentru modulul procesor ConnectCore™ i.MX6:

• transport;
• dispozitive de automatizare industrială;
• dispozitive electronice medicale.

ConnectCore™ 6 i.MX6 va fi disponibil pentru comandă începând cu al doilea trimestru al anului 2014.

Concluzie

Portofoliul Digi International include o gamă largă de soluții modulare compacte potrivite pentru aplicatii eficienteîn diverse sectoare de aplicare. Dintre acestea, puteți alege o platformă potrivită care se potrivește bugetului și funcționalității dvs. Utilizarea modulelor din seria Connect Card® sau ConnectCore™ va permite dezvoltatorilor să reducă costurile de dezvoltare și să reducă timpul de lansare pe piață. Printre aplicatii posibile pentru modulele de procesor Connect Card® sau ConnectCore™, ar trebui luate în considerare dispozitivele mobile cu putere ultra-scăzută, interfețele om-mașină (HMI) și dispozitivele medicale portabile. În plus, aceste soluții își vor găsi aplicație în instrumente de măsură portabile, case de marcat la punctele de vânzare, automatizări industriale și tehnologie medicală.

Literatură

1. Referință hardware ConnectCore™ pentru i.MX53™.Digi International 2013
2. Expertul dvs. M2M Andreas Maeser DiGi. Seminar Sankt Petersburg
3. Procesoare i.MX 6Dual/6Quad ​​pentru aplicații auto și infotainment. Freescale Semiconductor
4. Calculatoare Rabbit SBC seria LP3500 cu o singură placă. Digi International 2013
5. Privire generală ConnectCore 6.Preliminar. Digi International 2014
6. Informații preliminare despre produs ConnectCore 6. Digi International 2013
7. Diferențele arhitecturale între i.MX51 și i.MX53. Freescale Semiconductor. Notă de aplicare AN4271. 2011
8. Tehnologie de montare la suprafață pentru soluții M2M. Ronaldo Robl. Componente si Tehnologii Nr.3/2009

Este foarte rar să auzim cuvintele „sistem încorporat” în conversațiile din jurul nostru, iar dacă o facem, atunci cel mai probabil acestea sunt conversații ale specialiștilor (sau ale celor care se consideră astfel). Aparent, acest lucru este oarecum legat de caracteristicile „marelui și puternic”, deoarece, de fapt, aceste „sisteme încorporate” ne însoțesc de destul de mult timp - primul astfel de sistem a fost un computer instalat la bordul navei spațiale APPOLO 11. , faimosul mondial dintr-un motiv complet diferit.

Așa că să ne amintim și să reflectăm. Potrivit unor surse foarte competente, un sistem încorporat este un sistem informatic specializat care este complet încapsulat în dispozitivul pe care îl controlează. Dacă cititorul nu deranjează, vom folosi această definiție în continuare. Sistemele încorporate în sine pot fi împărțite în două tipuri principale ( sacrific în mod deliberat detaliile pentru a sublinia punctul).

Primul tip este sistemele cu microcontrolere. Sunt construite pe bază cip specializat(sau mai multe microcircuite) îndeplinesc una, două sau trei funcții foarte specifice. Cel mai clar exemplu este un televizor modern: un procesor pentru procesarea diferitelor formate video și setările reale ale televizorului, un procesor audio stereo, un subsistem de procesare a teletextului. Se pare ca nu am uitat nimic?.. Toate functioneaza dupa un program preinstalat (firmware) si pot fi reprogramate cu mare dificultate, sau chiar deloc. Pe lângă televizor, puteți aduce o mulțime de dispozitive cu un sistem încorporat de acest tip - pager, telefon mobil, scanner, mașină de spălat. Da, într-o mașină cu injectare de combustibil (și chiar mai mult într-o mașină străină) puteți număra câteva zeci de astfel de dispozitive - un controler de injecție, un controler ABS, un controler de control al stabilității...

Al doilea tip este sistemele cu microprocesoare. Spre deosebire de sistemele de primul tip, acestea sunt construite pe baza microprocesoarelor utilizate în calculatoarele personale obișnuite. Chiar și structura acestor sisteme seamănă adesea cu structura unui computer personal. Există, totuși, o diferență - adesea sistemele încorporate sunt lipsite de unele detalii de care nu au nevoie din cauza specificului problemei care se rezolvă. De acord - nu este nevoie să aveți o cameră digitală placă video puternică cu accelerator 3D. Ei bine, am lăsat-o să scape din timp... Păi, ei bine, ar fi trebuit să o spun oricum. Care este principala diferență între sistemele de acest tip? Pot exista mai multe răspunsuri posibile, dar există câteva dintre cele principale: în primul rând, acestea sunt sisteme reprogramabile. În al doilea rând, acestea sunt sisteme mai mult sau mai puțin ușor reprogramabile, deoarece sunt software compatibile cu calculatoare pentru care s-a scris deja mult software și pe care este scris acest software. Este ceva mai dificil de dat exemple de sisteme de acest tip din cauza prevalenței lor mai scăzute în viața de zi cu zi: majoritatea DVD playerelor de uz casnic, camerele digitale deja menționate, calculatoare auto(subliniez - nu cele mai simple computere de călătorie, care aparțin primului tip, ci computere serioase care rulează Windows Automotive, cu GPS, MPEG2 etc.), PDA-uri, handheld-uri și aproape tot ce ține de nișa PDA (Personal Digital Assistant) ) , precum și diverse dispozitive exotice precum un frigider cu acces la Internet...

Sistemele embedded de al doilea tip sunt cele mai răspândite în industrie, deoarece utilizarea lor reduce timpul de dezvoltare, simplifică întreținerea etc., etc... Nu voi enumera toate avantajele aici - ele pot fi găsite în aproape orice literatură pe această temă . Din aceste motive, metodele moderne de automatizare sunt de neconceput fără utilizarea unor astfel de sisteme. Desigur, cererea creează oferta. Aceasta este ceea ce avem astăzi: un număr considerabil de standarde pentru „blocuri de construcție” pentru crearea de sisteme încorporate și un număr și mai mare de companii care produc aceleași „blocuri de construcție”. Judecați singuri: numai Consorțiul PC/104 (o organizație care reunește producătorii de plăci de acest standard) are acum peste 200 de participanți. Ce se întâmplă dacă luăm și PC/104Plus, CPCI, VME? Sute de producători, mii de nume de produse. Și toate acestea pentru confortul dezvoltatorilor de pe piața sistemelor încorporate.

Dar nimeni nu a anulat încă legea conservării energiei (deși au existat încercări) și trebuie să plătești pentru aceste beneficii. Și în sensul literal - adesea un sistem cu microprocesor este mai scump decât un sistem cu microcontroler. Și în procesul de dezvoltare a unui nou sistem încorporat, trebuie să rezolvați o anumită ecuație economică. Nu sunt multe variabile incluse în această ecuație - costul dezvoltării unui dispozitiv pe un microcontroler sau achiziționării unei plăci de microprocesor gata făcute, costul dezvoltării software sau costul scrierii firmware-ului, costul întreținerii oricăruia dintre sisteme, durata de viață și posibilitatea de a-l actualiza în acest moment. Ecuația se dovedește a fi destul de complexă, iar soluția sa este departe de a fi ambiguă. De exemplu, casele de marcat sunt de obicei realizate pe un microcontroler, iar aparatele de joc sunt de obicei realizate pe un microprocesor. Dar se întâmplă și invers!

După cum înțelegeți, costul plăcii finite joacă un rol semnificativ atunci când rezolvați o astfel de ecuație. Și dacă în plus pret atractiv Această placă are un mediu de dezvoltare software convenabil, bun suport tehnic din partea producătorului, capacitatea de a face modificări hardware la dispozitivul finit - alegerea va fi evidentă. După cum înțelegeți deja, așa încerc cu blândețe și fără pretenții să schimb conversația în mod specific către sistemele cu microprocesor. Ce putem ascunde acolo - produsele unui dezvoltator!

Referință istorică

CompuLab Ltd. (Israel) a fost fondată în 1992 și și-a început activitățile cu consultanță în domeniul soluțiilor de inginerie în electronică. În următorii cinci ani, compania participă la câteva zeci de dezvoltări personalizate. Experiența acumulată, activitatea de afaceri, cercetarea de piață și cel mai mare potențial ingineresc au permis CompuLab Ltd. suficient timp scurtîncepeți să vă proiectați propriile produse. În 1997, compania și-a lansat propria dezvoltare - familia CORE de module de procesoare. Din păcate, în ciuda inovației soluțiilor tehnice și de inginerie încorporate în prima generație de module, arhitectura procesorului utilizat în acestea (i960) nu a fost la înălțimea speranților dezvoltatorilor de implementare pe scară largă.

A doua generație de module a fost lansată în 1999. Aceste module au fost bazate pe procesorul AMD ELAN SC400 (arhitectura x86) și au fost numite 486CORE. La acea vreme acestea erau cele mai mici computere din lume. Succesul fantastic al 486CORE pe piață a confirmat corectitudinea strategiei alese. De atunci, familia modulelor CORE a fost extinsă de mai multe ori și, îndrăznim să sperăm, va continua să crească în viitor.

Combinație mare putere de calculși dimensiunile mici ale modulelor au contribuit la cucerirea rapidă a pieței sistemelor embedded. Astăzi, produsele CompuLab sunt folosite de peste 300 de companii din 50 de țări, iar compania însăși produce aproape 20% din produsele de pe această piață. Printre principalii cumpărători ai acestor module putem aminti astfel de giganți cunoscuți precum Cisco Systems, Marconi, General Electric, OKI și mulți alți producători care nu sunt atât de cunoscuți în Rusia.

Gama de aplicații pentru modulele CORE este foarte largă: industrii militare și aviatice, echipamente medicale, transporturi, echipamente de telecomunicații, dispozitive inteligente de rețea, minicalculatoare, periferice de computer, echipamente pentru industria divertismentului...

Referința tehnică nr. 1

Module de procesor CompuLab Ltd. sunt sisteme de calcul complete cu RAM, unități flash încorporate, un controler Ethernet, suport pentru periferice standard de desktop și alte lucruri mici frumoase și utile care fac viața unui dezvoltator mult mai ușoară. Toate liniile electrice necesare pentru funcționarea lor sunt direcționate către conectori unificați de companie (CAMI - CompuLab's Aggregated Module Interface) și sunt proiectate pentru andocare cu placa purtătoare corespunzătoare (de obicei în format PC/104 Aceste plăci pot conține (sau nu). - mai multe despre asta mai târziu) următoarele dispozitive: convertor de putere, drivere de magistrală pentru port serial, magistrale PC/104 și PC/104 Plus, suplimentare placa de retea, controler PCMCIA, etc. Când sunt conectate împreună, placa purtătoare și modulul procesor formează un computer cu capabilități identice cu un PC obișnuit, dar cu dimensiuni mult mai mici.

Un cititor sofisticat poate să bată joc de aceste rânduri, pentru că nu este nimic nou în această descriere. Și acum - cel mai interesant lucru: plăcile de transport au schema electricași chiar recomandări pentru cablarea propriilor plăci de transport. Așa cum? Impresionant? Tot ce trebuie să faceți este să vă creați propria placă și să instalați un nucleu de calcul gata făcut în ea - și asta este tot! Aveți nevoie de o mașină de jocuri - vă rog, aveți nevoie de o unitate de bord (într-un anumit factor de formă, cum ar fi ARINC-429) - vă rog! Nu există limită pentru perfecțiune! Apropo, acest lucru este exact ceea ce fac majoritatea clienților CompuLab.

Gata, nu te voi mai chinui cu fraze vagi. Partea ulterioară a articolului conține o descriere mai detaliată a produselor. Vă avertizez imediat: dacă dumneavoastră, dragă cititor, sunteți deja familiarizați cu aceste plăci, nu citiți mai departe. Numerele și termenii tehnici pe Limba engleză mă duce în blues...

Referința tehnică nr. 2

În 2005, compania și-a schimbat denumirea produselor, așa că de acum înainte vom folosi doar definiții noi. Tabelul de pe site-ul producătorului este prezentat aici cu abrevieri și comentarii minore:

1. Pe lângă opțiunile de mai sus, toate modulele includ o magistrală PCI, ceas în timp real și interfețe hard diskși codec audio.
2. Inaltimea modulelor este indicata fara calorifer.
3. Performanța a fost măsurată folosind testul SiSoft Sandra.
4. Tabelul prezintă date numai pentru modulele noi și cele mai populare. Vă voi anunța mai târziu de unde puteți obține informații mai detaliate.

Masa. Caracteristicile modulelor de calcul CompuLab Ltd.

După cum probabil ați observat, împreună cu arhitectura x86 mai familiară, lista de produse include și produse bazate pe procesoare de tip RISC. Acest articol a fost inițial planificat ca o revizuire a CM-X255 (modulul CM-X270W a fost anunțat la momentul scrierii), așa că vom începe cu această placă. Vreau să clarific imediat - există două versiuni ale modulului CM-X255 (2.0 și versiunea 3.0, numită și „GX”), vom vorbi doar despre cea din urmă.

Schema structurala modulul este prezentat în fig. 1. Acordați atenție elementelor marcate cu linia „opt”. Acestea sunt tocmai elementele personalizate („opțiuni”) din configurația plăcii procesorului, care pot fi instalate (sau îndepărtate) la cererea clientului.

Orez. 1. Schema bloc a modulului SM-X225

Acum - o prezentare generală a principalelor componente ale acestei plăci. Cred că ar fi logic să începem cu procesorul. Deci - Intel XScale PXA255. În principiu, întregul număr al acestei reviste i-ar putea fi dedicat doar lui, dar pentru că nu vorbim doar despre el, voi încerca să fiu scurt:

• Cipul procesorului este fabricat folosind tehnologie de 0,18 microni, care asigură un consum redus de energie la frecvența ceasului(400 MHz).
• Procesorul este compatibil cu arhitectura ARM v.5TE.
• Tehnologia Intel Media Processing (inclusiv acumulatorul pe 40 de biți și operația de multiplicare pe 16 biți) accelerează decodificarea fluxurilor audio/video.
• Pe lângă computerul în sine, procesorul include suport pentru PCMCIA/Compact Flash, 17 linii de intrare/ieșire scop general(GPIO), ceas în timp real (RTC), watchdog, controler de gestionare a energiei, controler de întrerupere, controler acces direct la memorie, controler hard reset(controler de resetare), controler grafic cu suport pentru panouri LCD, inclusiv TFT, trei porturi seriale, Bluetooth, IrDA (SIR și FIR), I2C, I2S, AC97, SPI, USB, JTAG, controler MMC, două generatoare de ceasuri independente (32768) Hz și 3,6864 MHz).
• Procesorul este disponibil pentru intervale de temperatură obișnuite și extinse.

S-a dovedit a fi destul de scurt... Pentru cei care se așteptau la mai mult, vă sfătuiesc să vă uitați la lista de referințe de la sfârșitul articolului.

Acum să vorbim puțin mai mult despre componentele și caracteristicile rămase ale modulului (Fig. 1).

RAM de tip SDRAM cu o magistrală de 32 de biți și o frecvență de 100 MHz.

Există două tipuri de unități flash - NOR și NAND. Primul megabyte de NOR este folosit pentru a stoca programul de monitorizare (ARMMON), restul este folosit pentru a stoca kernel-ul Linux sau bootloader-ul Windows CE. ARMMON include un driver pentru suportul memoriei NAND, care vă permite să scrieți fișiere acolo. sistem Linux sau imagine Windows CE. Ambele unități au protecție la scriere hardware (una dintre liniile de conector CAMI).

Interface Bridge este un cip al așa-numitului cip însoțitor, care extinde capacitățile procesorului. Acest cip include un controler SDRAM, un controler de magistrală PCI (versiunea 2.1, frecvență 33 MHz), o extindere a controlerului de întrerupere, o extindere a controlerului de acces direct la memorie, un contor-temporizator cu patru canale, un controler de magistrală LPC, două canale USB suplimentare ( Gazdă, 1, 5–12 Mbit/s) și un alt port serial.

Nu mă voi opri prea mult pe controlerul Ethernet: 10–100 Mbit/s.

Un codec audio și un controler cu ecran tactil extind capacitățile interfeței AC97 încorporate în procesor. La codecul instalat(Crystal CS4299 sau UCB1400) modulul are o intrare pentru microfon mono, intrare și ieșire pentru linie stereo. O parte a cipul UCB1400 este un controler cu ecran tactil rezistiv cu patru fire.

Cip Super-I/O. Poate că experții ar putea acum să mă mângâie cu condescendență pe umăr, spunând că astfel de lucruri nu se întâmplă. Pot fi. Dar, să fiu sincer, dacă aș putea scrie poezie, aș scrie o odă CompuLab pentru frumusețea soluțiilor sale de inginerie. Una dintre ele este utilizarea controlerelor de tip Super-I/O. Această soluție este utilizată în toate modulele produse de companie și face viața mult mai ușoară dezvoltatorilor. În acest caz, CM-X255 este echipat cu un cip IT8711F care acceptă următoarele dispozitive: o tastatură și mouse PS/2, un port paralel (cu posibilitatea de a conecta o unitate de dischetă) și un alt port serial.

Un alt controler RTC (MAX6902) este instalat pe modul pentru a urmări timpul când procesor oprit.

Singurul driver de linie RS-232 pentru portul serial (COM-A) este instalat direct pe modul. Acest port servește ca port de consolă când se lucrează cu ARMMON, poate fi folosit și pentru diagnosticare și depanare atunci când se lucrează în Linux și Windows CE.

Informațiile foarte seci despre dimensiunile modulului (tabelului) pot fi ușor însuflețite de fotografia acestuia (Fig. 2). Cei doi conectori mari de 180 de pini de pe el sunt CAMI menționate anterior.

Orez. 2. Modulul SM-X225 - vedere de jos

Acum câteva cuvinte despre placa de transport. Mai exact, despre plăcile suport, deoarece există două tipuri de ele pentru acest modul. Să începem cu cel mai mic.

Referința tehnică nr. 3

Placa SB-X255 (nume vechi ARMBASE). Este un suport pentru CM-X255, realizat în formatul PC/104 (în Fig. 3 este prezentat SB-X255 cu un modul de procesor instalat pe el). Păcat că mijloace moderne mass-media nu ne permite încă să folosim toate simțurile...

Creșterea ratelor de producție după criza economică din anii 90 a predeterminat necesitatea luării de măsuri urgente pentru renovarea echipamentelor.

O problemă serioasă pentru constructorii de mașini este lipsa echipamentelor de automatizare produse pe plan intern în țară, precum și prezența unui mare parc de mașini-unelte cu sisteme electronice de control învechite: controlere de programe MicroDAT, UPU TP etc. Pentru modernizarea controlerelor de programe ale acestea și alte tipuri, NTB a dezvoltat un modul de procesor bazat pe microcontrolerul SAFB-C165-LF, care are următoarele caracteristici:

• FLASH ROM și RAM statică 128 KB fiecare;
• Program rezident pentru descărcarea de software;
• capacitatea de memorie a programelor utilizator (tehnologice) 46 sau 62 KB;
• stocarea conținutului memoriei FLASH timp de cel puțin 10 ani;
• Posibilitate de programare prin portul serial RS-232;
• resetarea căderii de curent;
• avertizare timpurie a bateriei cu litiu scăzute;
• cronometru de supraveghere;
• consum de curent în regim de funcționare - 100 mA;
• tensiune de alimentare - 5 V;
• tensiune minima de alimentare - 4,65 V;
• frecvența rezonatorului cuarț - 40 MHz;
• temperatura de functionare - 0...+70 (-45...+85) °C.

Toate caracteristicile și fiabilitatea modulului au fost testate de trei ani de experiență în utilizarea lui la șase fabrici în cele mai severe condiții de funcționare. Niciun modul nu a suferit o singură defecțiune gravă. Acolo unde această severitate nu a fost suficientă, modulul a fost testat în condiții speciale, de exemplu, în cuptoare - 24 de ore de funcționare continuă la o temperatură de 75°C.

Schema bloc a modulului este prezentată în Fig. 1.

Orez. 1. Schema bloc a modulului

Modulul este realizat complet folosind metoda de montare SMD cu aranjare pe două fețe a elementelor (Fig. 2). Dimensiunea plăcii 90x96x1,5 mm. Înălțimea asamblată cu bateria este de până la 21 mm, fără baterie - 13 mm. Contact electric furnizate de conectori cu doi pini X1 și X2, 20 de puncte per conector. Fixarea mecanică se realizează prin patru îmbinări cu șuruburi prin inserții de plastic la colțurile plăcii.

Orez. 2. Topologia PCB modulului

Modulul include:

• microcontroler SAF-C165-LF cu o frecvență de ceas de 20 MHz;
• 128 KB RAM statică TC551001 cu nivel scăzut consumul de energie pentru programul de date și tehnologie de sistem;
• 128 KB FLASH ROM AM29F010 pentru stocarea programului de sistem și a unei copii a programului tehnologic;
• LTC1235 Supraveghetor pentru controlul puterii;
• Transceiver LT1281A pentru port serial RS-232;
• baterie cu litiu dimensiuni R6/AA pentru stocarea programului tehnologic in RAM (optional).

Programul de sistem este stocat în FLASH ROM și, în funcție de modul în care software-ul setează biții în fișierul de stare a programului utilizatorului, poate fi încărcat automat în procesor la pornire. Din cei 128 KB, programul utilizatorului poate ocupa 46 sau 62 KB, în funcție de tipul de operare al procesorului selectat în software.

Modulul este programat prin portul serial RS-232, iar orice computer compatibil IBM cu un procesor i386 sau mai mare poate acționa ca programator. Rata de schimb este selectată în software și poate varia de la 110 la 57600 bps.

Pentru a monitoriza vizual starea modulului, cinci semnale sunt afișate pe indicatoarele externe, care arată următoarele:

• Putere (verde) - dacă modulului este furnizat 5 V;
• Operare (verde) - dacă modulul este în starea OPERATION;
• Fast and Furious (galben) - dacă există post-ardere în program și dacă sunt interzise sau permise;
• Descărcare sursă (galben) - dacă bateria cu litiu este instalată și dacă tensiunea acesteia este suficientă;
• Eroare (roșu) - dacă modulul este în starea EROARE.

În plus, atunci când utilizați modulul procesor într-o rețea folosind placa de interfață PControl, sunt activi încă doi indicatori mici:

• Înregistrare (verde) - procesul de transfer al datelor din modul este în desfășurare;
• Citire (roșu) - procesul de primire a datelor în modul este în curs.

Pentru a lucra cu modulul, software-ul folosește limbajul circuitelor ladder cu următoarele tipuri de instrucțiuni: bit (6 buc), cronometre și contoare (6), comparații (8), logică și mișcări (6), matematice (14). ), programe de control al execuției (12), fișier (2), shift și stepper (9), comenzi și mesaje de intrare/ieșire (8), speciale (3). 1 KB de instrucțiuni de biți este executat în 1,6 ms și, de exemplu, o instrucțiune logică „ȘI” este executată în 14,4 μs.

Toate caracteristicile interne și externe (intrare/ieșire) respectă pe deplin caracteristicile declarate ale componentelor și sunt utilizate pe deplin.

Acest modul este utilizat în controlerele PControl ACS fabricate de NTB. Modulul este utilizat și cu alte controlere ACS în scopul îmbunătățirii și modernizării acestora, de exemplu:

• MicroDAT MB 57.0. Producator: Kiev, Ucraina.
• PS2000. Producator - VEB NUMERIK iUKARL MARXl. Karl-Marx-Stadt, DDR.
• UPU-TP. Producator - NPO "ELECTROMECHANICS"

În acest caz, modulul este furnizat cu o placă adaptoare pentru controlerul selectat pentru a coordona logica de funcționare a magistralei interne a controlerului și pentru a oferi modulului procesorului dimensiunile necesare pentru a evita recablarea controlerului și a circuitelor externe. La asamblare, înălțimea structurii nu depășește 25 mm și poate fi instalată în aproape orice controler.

Avantajul primei aplicații este că proprietarii de echipamente primesc un controler mai ieftin decât cele importate, care nu le este în niciun fel inferior. Modulul software a fost dezvoltat de specialiști ruși în limba rusă, desigur. Nu ar trebui să uităm de setul detaliat de documentație rusă, care facilitează auto-învățarea modului de lucru cu modulul procesorului.

Avantajul celei de-a doua aplicații este că înlocuirea celui mai vulnerabil nod (MicroDAT) sau a mai multor noduri simultan (PS, Penza) ale controlerului duce la o îmbunătățire bruscă a acestuia. caracteristici de performanta. În același timp, modulele „originale” îndepărtate pot servi ca bază de reparații pentru controlerele rămase nemodernizate.

Software-ul pentru modul procesor funcționează atât în ​​modul On-Line, cât și în modul Off-Line și oferă o interfață convenabilă și implementarea tuturor capabilităților modulelor. Software și program de sistem modulele sunt acceptate de controlerele de mai sus fără nicio modificare.

Posibilitatea de a crea plăci adaptoare pentru diferite controlere, precum și adăugarea suportului pentru noi tipuri de controlere la software, este determinată doar de fezabilitatea economică.

Nikolai Semenov [email protected], Alexey Nekrasov - [email protected]

În cele mai multe cazuri, dezvoltarea unui dispozitiv tehnic este asociată cu sarcina de a colecta date de la dispozitivele de intrare, de a le procesa și de a transfera acțiunile de control către dispozitivele de ieșire. Atâta timp cât calculele nu necesită performanțe ridicate și dispozitivele de intrare/ieșire sunt standard, puteți utiliza microcontrolere sau „sisteme pe cip” (System-On-Chip, SoC). Dar ce se întâmplă dacă performanța microcontrolerului nu este suficientă sau interfețele cerute de sarcină sau aplicație nu sunt standard?

În cazul în care dezvoltatorul se confruntă cu o sarcină pentru care performanța microcontrolerului nu este suficientă sau interfețele furnizate, de exemplu, de aplicație sunt nestandard, anterior exista o singură cale de ieșire: să folosești microprocesoare universale sau specializate, memorie externă, discuri de boot și suport pentru diverse periferice. Dar această cale a necesitat mult timp din partea dezvoltatorilor și programatorilor. În același timp, probleme similare au fost rezolvate simultan în diferite părți ale lumii de către diferiți ingineri. Cu toate acestea, portabilitatea unor astfel de soluții s-a dovedit a fi scăzută din cauza prezenței unor restricții specifice în fiecare caz. Această abordare a fost dominantă până când au apărut modulele de procesor ieftine gata făcute.

Modulul procesor (Computer-On-Module, CoM) este o dezvoltare ulterioară a „sistemelor pe cip” (System-On-Chip, SoC). Astfel de module se caracterizează prin dimensiunea lor mică, prezența interfețelor standard și suport bun din partea sistemelor de operare. Când le utilizați, se economisește timp pentru dezvoltare, testare, asistență, scrierea software-ului de sistem și adaptarea sistemelor de operare, deoarece de cele mai multe ori toate acestea sunt deja incluse în modulul procesorului finit. Astfel, utilizarea sa reduce semnificativ timpul necesar pentru ca un dispozitiv finit să ajungă pe piață.

Termenul însuși CoM a fost inventat de VDC Research Group, Inc. (fostă Venture Development Corporation, SUA) pentru a descrie o întreagă clasă de plăci de computere fabricate, a prins și este utilizat pe scară largă, în principal după adoptarea standardului industrial COM-Express.

Clasificarea modulelor procesoarelor

Din punct de vedere structural, modulele de procesor pot fi împărțite în module de performanță ridicată, medie și scăzută, iar toate acestea se caracterizează prin consum redus cu performanțe de calcul destul de ridicate în clasa lor, deoarece sunt dezvoltate pentru aplicații încorporate, în care sarcinile de disipare a căldurii în interiorul unui compact cazurile sunt critice la alegerea tipului de modul.

Module de înaltă performanță

Orez. 1. Standard COM-Express „Computer-on-module”: RadiSys CEQM77 cu procesor Intel Core i7 IvyBridge

Modulele de înaltă performanță necesită aproape întotdeauna răcire activă, consumă 5–10 W sau mai mult și sunt computere cu drepturi depline, cel mai adesea bazate pe microprocesoare Intel. Ele ating performanța versiunilor de top de Intel Core i7 cu memorie practic nelimitată sub formă de module de expansiune și interfețe de mare viteză, cum ar fi PCIexpress, GBE, SATA3 etc. Sarcina principală a unor astfel de module este de a oferi toate capabilitățile de înaltă -performanţă calculator personalîntr-un design compact cu o singură placă, cu capacitatea de a conecta atât plăci de expansiune standard, cât și cele specializate concepute pentru a rezolva o anumită sarcină. Standardizarea unor astfel de module se realizează conform dimensiuni externe, tipurile și locațiile conectorilor:

• ETX (Embedded Technology eXtended - „extensie a tehnologiilor încorporate”) - factor de formă plăci de bază, având dimensiuni de 95×114 mm și un aranjament standard al conectorilor de interfață. Conectorii conțin porturi de intrare/ieșire cu arhitectură PC/AT (serial, paralel etc.), conectori USB, audio și video, Ethernet, precum și o implementare completă a magistralelor ISA și PCI.
• XTX este o evoluție a standardului ETX cu compatibilitate cu 75% pin . XTX elimină magistrala ISA și adaugă PCI-Express, SATA și LPC. Astăzi, aceste standarde sunt inferioare ca popularitate față de noul standard COM-Express, dar există încă suficient suport o cantitate mare producatori, . Ca exemple de ETX și XTX, putem lua în considerare module de la producători precum Avalue, Congatec, Kontron, MSC, Norco, SECO etc.

• COM-Express (COMe) este un standard computer-on-modul creat pentru a înlocui vechile ETX și XTX . A fost introdus în 2005 de către consorțiul PICMG și definește atât dimensiunea modulului (Fig. 1), cât și interfețele acestuia. Astăzi, a fost lansată a doua revizuire a standardului, care descrie șapte tipuri diferite de pinouts ale conectorului și patru posibili factori de formă a modulului (de la 55x84 la 110x155 mm). Standardul se caracterizează prin utilizarea în sisteme de înaltă performanță pentru Ethernet10/100/1000, SATA, LPC, 8×USB (inclusiv; Suport USB 3.0), 6×PCI-Express, audio, video. Alimentare 12 V. Cel mai mult producători cunoscuți Modulele COMExpress includ RadiSys și Kontron, Congatec și AdLink.

În plus, modulele de înaltă performanță includ plăci de procesor ale sistemelor modulare backbone, cum ar fi CompactPCI și AdvancedTCA.

CompactPCI este o magistrală de sistem utilizată pe scară largă în automatizări industriale și sisteme modulare de magistrală. Din punct de vedere electric este compatibil cu magistrala PCI, dar vă permite să vă conectați mai multe dispozitive. Conectarea la cald a plăcilor este acceptată, dar în prezent acest standard este de fapt depășit în ceea ce privește lățimea de bandă. Principalul concurent este anvelopele VME, VME32, VME64, utilizate în echipamentele militare NATO, dar aceste standarde nu au devenit larg răspândite în Rusia. Sunt dezvoltate extensii precum PCI-E, dar utilizarea lor viitoare este incertă.

Orez. 2. Qseven Computer-on-Module: SECO QuadMo747-X/i.MX6 cu procesor Freescale iMX6

AdvancedTCA, MicroTCA (Telecommunications Computing Architecture) este o arhitectură dezvoltată cu participarea a peste 100 de companii producătoare de echipamente industriale și de telecomunicații sub conducerea PICMG și este o nouă generație de platforme standardizate de calcul pentru telecomunicații care a înlocuit CompactPCI învechit. Din punct de vedere mecanic este un coș standard pentru plăcile de conectare dimensiuni standard cu conectori standard și locații ale pinii pe ele. Suportă conectarea la cald a plăcilor și mai multe topologii de comunicare între ele. Principalul mediu de transmitere a informațiilor între plăci este Ethernet, deși în plus conectorul conține și semnale de testare JTAG, impulsuri de ceas, precum și fire de semnal care trec prin comutatorul de semnal (Switch Fabric). În plus, standardul descrie un sistem de răcire pentru modulele procesor, unul pentru întregul coș. Modulele de procesor cu o interfață TCA pot fi utilizate într-o gamă largă de aplicații - cum ar fi construirea unui cluster pentru cloud computing(unde interfața principală între modulele Ethernet) și pentru soluții de telecomunicații cu sincron interfețe seriale, conectarea camerelor video, sunetului, senzorilor externi etc.

Module cu performanță scăzută

Orez. 3. „Computer-on-module” din standardul Qseven: SECO uQ7-OMAP5 40x70 mm cu procesor Texas Instruments OMAP5

Până de curând, modulele cu performanță scăzută includeau diverse module SoDIMM și computere cu o singură placă de 2,5” realizate pe procesoare ARM (cel mai adesea producătorii folosesc ARM9). Standardizarea unor astfel de module nu a fost intenționată, astfel încât fiecare producător a determinat însuși factorul de formă și durata de viață a produselor. Ceea ce, firește, a implicat anumite riscuri pentru dezvoltatori, deoarece inițial nu era de așteptat nicio compatibilitate a modulelor de la diferiți producători. Cu toate acestea, astăzi situația s-a schimbat puțin: odată cu lansarea specificației Revizie 2.0 a standardului industrial deschis Qseven , pe de o parte, și lansarea de noi procesoare cu putere redusă (de exemplu, cum ar fi Freescale i.MX6 Solo, Fig. 2), pe de altă parte. Acum dezvoltatorii au posibilitatea de a folosi module cu performanță scăzută fără riscuri pentru durata de viață a produsului rezultat. Deoarece respectarea standardului de către diferiți producători înseamnă că modulele sunt interschimbabile între ele, dezvoltarea nu trebuie să înceapă de la zero: puteți selecta pur și simplu un modul similar în standardul Qseven de la alt producător. În plus, noua revizuire a specificației Qseven oferă module de jumătate de dimensiune - doar 40x70 mm (Fig. 3), care este ideal pentru segmentul sistemelor entry-level și cu performanță scăzută.

Module de performanță medie

În cazul în care sunt necesare module de procesor ieftine, caracterizate prin consum redus și performanțe de calcul relativ ridicate, care nu necesită răcire activă, singura soluție disponibilă în prezent sunt modulele realizate tot în standardul Qseven. În plus, în comparație cu altele, standardul industrial deschis Qseven oferă dezvoltatorului cea mai mare flexibilitate în dezvoltarea dispozitivelor tehnice, deoarece este multiplatformă pentru arhitecturi ARM și x86. Cu alte cuvinte, modulele implementate pe procesoare x86 și modulele implementate pe un procesor ARM sunt interschimbabile în cadrul standardului Qseven. Aceasta înseamnă că, după ce a dezvoltat un dispozitiv pe un procesor x86 familiar, în viitor va fi posibilă trecerea la un procesor ARM pentru a reduce consumul de energie al dispozitivului și costul total. .

În ceea ce privește disponibilitatea modulelor și durata de viață a acestora, pot fi remarcate următoarele caracteristici pozitive. Pe de o parte, modulele folosesc procesoare încorporate cu durată lungă de viață de la producători precum Intel, AMD, VIA Technology, NVidia, Texas Instruments și Freescale. Pe de altă parte, astăzi există deja peste 50 de producători de module de procesor în standardul Qseven. În plus, dacă este necesar, puteți înlocui modulul procesorului Q7 pe produsele deja fabricate cu unul similar de design propriu. În același timp, timpul de lansare a produsului (time-to-market) va fi scurt și va fi posibil să treceți la propria platformă de calcul sau să aveți o gamă largă de module de procesor într-un singur standard pentru diferite sarcini.

Astfel, dezvoltatorul are de ales nu numai între producătorul atât al procesorului, cât și al modulului în sine, ceea ce oferă o mai mare libertate în alegerea celui mai potrivit dispozitiv în funcție de sarcina la îndemână (tabel).

Masa. Clasificarea modulelor

Producător	Primul nivel	Multimedia	Înalt performanţă, tehnica de calcul sarcini	Responsabil aplicație, largă Interval de temperatură
Seco	QuadMo747-X/i.MX6	uQ7-OMAP5	uQ7-OMAP5	QuadMo747-X/i.MX6
	QuadMo747-X/OMAP3	QuadMo747-X/T30	QuadMo747-GSerie	QuadMo747-X/OMAP3
	QuadMo747-Z5xx	QuadMo747-X/T20	QuadMo747-X/i.MX6	QuadMo747-XL
		QuadMo747-X/i.MX6	QuadMo747-X/T30	QuadMo747-EXTREME
		QuadMo747-X/i.MX51		QuadMo747-E6xx
		QuadMo747-GSerie
		QuadMo747-E6xx
O valoare	EQM-CDV
		EQM-A50M

Dacă luăm în considerare standardul Qseven mai detaliat, putem observa următoarele caracteristici principale care îl deosebesc de alte standarde „computer-on-module”.

Fig.4. Interfețe industriale de bază Standardele Qseven

În primul rând, standardul oferă o descriere logică completă a tuturor semnalelor primite de la modulele cu procesoare atât pe nucleul ARM, cât și pe arhitectura x86. Aceasta include, printre altele:

• interfețe de mare viteză precum PCI Express, SATA, USB 2.0+, GigabitEthernet etc.;
• interfețe grafice precum LVDS, SDVO, HDMI și DisplayPort;
• principalele interfețe industriale (inclusiv CAN, SPI, SDIO, I 2 C etc.) (Fig. 4).

În al doilea rând, standardul prevede:

• complet descriere electrică semnale ale interfețelor specificate;
• o descriere completă de proiectare a conectorului (MXM ieftin și disponibil) care indică locația semnalelor pe acesta;
• descrierea de proiectare a modulelor în sine.

Dimensiunile modulului sunt de doar 70x70 mm, în timp ce pentru COM-Express este de 125x95 mm, iar pentru ETX/XTX este de 114x95. Calculatoarele single-board gata făcute în format PC/104 au o dimensiune mai mare - 96x90 mm. Aceste informații sunt de natură deschisă și sunt disponibile pentru oricine în documentația pentru standardul Qseven.

Experiență în utilizarea modulelor

Orez. 5. Structura dispozitivului propus

Pentru a construi un video recorder multicanal cu stocare de date pe un hard disk și control asupra unei rețele locale, structura prezentată în Fig. 5.

Blocurile AVx conțin ADC-uri audio și video. DSPx comprimă datele primite și trimite fluxul comprimat prin FPGA către modulul procesorului PC-ului. Modulul procesor primește date de la mai multe camere video, le formează în containere de stocare și le scrie pe un hard disk și oferă, de asemenea, un canal end-to-end pentru vizualizarea și arhivarea datelor într-o rețea locală.

Fluxul de date din interiorul unui astfel de sistem s-a dovedit a fi destul de mare, iar modulele cu performanță scăzută s-au dovedit a fi nepotrivite pentru implementare. Modulele de înaltă performanță generează prea multă căldură pentru a fi instalate în interiorul unui reportofon compact. Prin urmare, ca module de procesor au fost alese Qseven - SECO QuadMo747-Z5xx, care conține un procesor Intel Atom Seria Z500 1,6 GHz, 1 GB DDR2, GBE și memorie SATA2. Prezența unei unități NAND a făcut posibilă instalarea sistemului de operare Linux direct pe modul, pentru a nu depinde de disponibilitatea și funcționalitatea hard disk-ului. După optimizarea software-ului și reducerea numărului de camere utilizate simultan, s-a dovedit a fi posibilă trecerea la un modul cu o frecvență a procesorului nu de 1,6, ci de 1,1 GHz și, de asemenea, trecerea la module de procesor cu procesoare ARM. Aspectul dispozitivului este prezentat în Fig. 6.

Alegerea modulelor descrise a redus semnificativ timpul de dezvoltare al dispozitivului și l-a făcut mai simplu, mai fiabil și mai funcțional. De exemplu, funcția de control fără fir a reportofonului, care nu a fost inclusă inițial, s-a dovedit a fi posibilă odată cu instalarea unui modul miniatural USB-Wi-Fi. Timpul exact poate fi obtinut din exterior Dispozitive GPS, conectat și prin USB. Pentru a extinde intervalul de temperatură de utilizare a dispozitivului, a fost conectat ulterior un ventilator de răcire controlat de software. Rezultatul este un dispozitiv compact multifuncțional care îndeplinește toate funcțiile specificate necesare și chiar mai mult. Există o sursă de resurse pentru a extinde funcționalitatea.

concluzii

Orez. 6. Top - aspectul dispozitivului; jos - locația plăcilor

Articolul a examinat diferite opțiuni pentru modulele procesorului de control pentru sistemele încorporate. Se pot trage următoarele concluzii:

1. În evoluții promițătoare, COM-Express ar trebui să fie considerat module compacte de înaltă performanță. Sunt productivi, ieftini, dar necesită răcire externă sau un radiator mare.
2. Pentru a construi un cluster din un numar mare Atât pentru modulele omogene, cât și pentru cele eterogene, este convenabil să utilizați standardul AdvancedTCA sau versiunea sa redusă MicroTCA. Modulele de procesor din astfel de sisteme sunt mai scumpe decât același COM-Express, dar sunt ușor asamblate în grupuri, unitatea de răcire este amplasată în mod standard în coș, iar problemele schimbului de informații între modulele de putere și redundanță sunt rezolvate.
3. Se recomandă utilizarea modulelor standardului Qseven ca modul productiv cu putere redusă, capabil să funcționeze fără răcire activă. Aceasta este o întreagă familie de module de procesor cu performanțe variate, construite pe diverse platforme, dar având interfețe standard precum Ethernet, USB, SATA, SPI, LPC etc. Există experiență în utilizarea practică a dispozitivelor seriale bazate pe astfel de module.
4. Pentru a gestiona procesele lente, puteți utiliza oricare dintr-o clasă întreagă de module cu performanță scăzută, care sunt potrivite ca dimensiune, interfață și preț.

Un modul de control, unitate centrală de procesare sau unitate de procesor (CPU) este înțeles ca un modul PLC care realizează funcții de control al procesului, procesarea programelor de aplicație, accesul la modulele periferice, controlul/controlul întregului sistem, funcțiile de control logic PLC și funcțiile de comunicare ( schimbul de informații prin intermediul unei interfețe de programare, precum și pentru schimbul de date cu alte dispozitive inteligente ale sistemului de automatizare).

Figura 2.2 - Arhitectura tipică PLC

În timpul funcționării, procesorul „citește” datele de intrare de la dispozitivele de teren conectate folosindu-le interfețe de intrare, apoi execută programul de control care este încărcat în memoria modulului procesorului. Programele sunt de obicei dezvoltate în limbi speciale Programare PLC și trebuie încărcate în memoria controlerului înainte de a putea funcționa.

În cele din urmă, pe baza programului, PLC-ul „scrie” sau actualizează ieșirile de control prin interfețele de ieșire. Acest proces, numit ciclu de scanare, este efectuat în mod constant în aceeași secvență fără oprire și se modifică fie atunci când apar anumite evenimente predeterminate, fie atunci când se fac modificări în programul de control.

Modulul procesorului include un microprocesor (unitate centrală de procesare - CPU), dispozitive de stocare, un ceas în timp real și un timer watchdog. Termenii „microprocesor” și „procesor” au devenit acum sinonimi, deoarece toate procesoarele nou lansate sunt implementate în formă VLSI, de exemplu. sunt microprocesoare.

Principalele caracteristici ale microprocesorului sunt capacitatea de biți (PLC-urile folosesc microprocesoare de 8, 16 și 32 de biți), frecvența ceasului, arhitectura, prezența operațiunilor în virgulă mobilă, tipurile de porturi de intrare/ieșire acceptate, intervalul de temperatură de funcționare și consumul de energie.

Performanța microprocesoarelor cu aceeași arhitectură este proporțională cu frecvența ceasului. Majoritatea controlerelor folosesc microprocesoare cu un set de instrucțiuni redus (RISC - Reduced Instruction Set Computing), care utilizează un numar mare de comenzi de aceeași lungime și un număr mare de registre. Un set redus de instrucțiuni vă permite să construiți compilatoare mai eficiente și o conductă de procesoare capabilă să producă rezultatul executării următoarei instrucțiuni pentru fiecare ciclu de ceas.

Pentru controlorii care efectuează procesare intensivă a datelor matematice, este important să existe un coprocesor matematic ( procesor auxiliar, efectuând operații în virgulă mobilă) sau procesoare de semnal în care operațiuni precum Y=A*B+X sunt efectuate într-un singur ciclu de ceas. Procesoarele de semnal pot accelera operațiile de convoluție sau transformate Fourier rapide.

Capacitate de memorie determină numărul de variabile (tag-uri) care pot fi procesate în timpul funcționării PLC-ului. La microprocesoare, timpul de acces la memorie este unul dintre factorii importanți care limitează performanța. Prin urmare, memoria este împărțită în mai multe niveluri de ierarhie, în funcție de frecvența de utilizare a datelor stocate în ea și de performanță. Ierarhia memoriei este o caracteristică esențială a arhitecturii procesorului, deoarece reduce impactul negativ al memoriei lente asupra performanței microprocesorului. Principalele tipuri de memorie sunt memoria doar citire (ROM), memoria cu acces aleatoriu (RAM) și setul de registre. Registrele sunt cele mai rapide elemente de memorie deoarece sunt folosite de unitatea logică aritmetică (ALU) pentru a executa instrucțiuni elementare ale procesorului. ROM-ul este folosit pentru a stoca informații rar modificate, cum ar fi sistemul de operare, driverele de dispozitiv, încărcătorul de pornire și modulul executabil al programului utilizator. RAM este folosită pentru a stoca date care se modifică de mai multe ori în timpul funcționării controlerului, de exemplu, valorile etichetelor, rezultatele calculelor intermediare, informații de diagnosticare, matrice afișate pe grafice, date pentru afișare.

Memoria reprogramabilă cu ștergere electrică (EEPROM - „Electrically Erasable Programmable ROM”) este de obicei folosită ca ROM (sau ROM - „Memorie numai pentru citire”) condensator format dintr-o poartă plutitoare și substratul tranzistorului MOS O caracteristică a memoriei flash este nevolatilitatea acesteia, adică datele sunt reținute atunci când alimentarea este oprită în blocuri mari, motiv pentru care a primit numele, care provine din limba engleză „flash“. Dezavantajul tuturor ROM-urilor este performanța scăzută.

Ca RAM microprocesoare moderne Acestea folosesc memorie statică (SRAM - Static Random Access Memory) și memorie dinamică (DRAM - „Dynamic Random Access Memory”), SDRAM („Synchronous DRAM”). SRAM rulează pe flip-flop, care stochează informații pe termen nelimitat atâta timp cât este disponibilă puterea. ÎN memorie dinamică informațiile sunt stocate pe condensatoare și de aceea DRAM necesită regenerare periodică (reîncărcare a condensatoarelor). Dezavantajele memoriei declanșatoare includ costul ridicat, asociat cu densitatea scăzută a declanșatorilor de pe cip și raportul scăzut capacitate-preț. Avantajul este performanța ridicată, ajungând la gigaherți, în timp ce memoria bazată pe condensator nu poate funcționa la frecvențe de peste sute de herți. Ambele tipuri de memorie (DRAM și SRAM) nu pot reține informații atunci când este întreruptă alimentarea de la PLC. Prin urmare, unele tipuri de PLC-uri folosesc memoria alimentată de baterii pentru a menține funcționalitatea sistemului de automatizare după o scurtă întrerupere a alimentării.

Controlerele monobloc și modulare, de regulă, folosesc o magistrală paralelă pentru a face schimb de date cu modulele I/O, ceea ce face posibilă creșterea vitezei de interogare a acestora cu un ordin de mărime în comparație cu o magistrală serială. Autobuzele paralele pot fi standard (ISA, PC/104, PCI, ComactPCI, VME, CXM) sau proprietare. Magistrala serială a controlerului (bazată pe interfața RS-485) este utilizată pentru a conecta modulele I/O la distanță (distribuite) la acesta.

Cronometru pentru câine de pază(Watchdog Timer - WDT) este un contor care numără impulsurile de ceas și Mod normal resetat periodic (repornit) de un procesor care rulează. Dacă procesorul îngheață, atunci semnalele de resetare nu sunt trimise la contor, acesta continuă să conteze și, când este atins un anumit prag, generează un semnal de resetare pentru a reporni procesorul înghețat.

Ceas în timp real(RV) reprezintă ceas cu quartz, care sunt alimentate de o baterie și, prin urmare, continuă să funcționeze când PLC-ul este oprit. Ceasul PB este folosit, de exemplu, pentru a controla lumini de stradaîn funcție de ora din zi, în sistemele de securitate a obiectelor și în alte cazuri când este necesară legarea datelor sau evenimentelor de ora astronomică.