COM Express von Ultra Low Power bis hin zum High End

COM Express ist der Computer-On-Modul Standard der das größte Leistungsspektrum abdeckt und damit für nahezu alle Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Vom extrem stromsparenden Intel Atom Prozessor mit passenden Chipsatz bis hin zum Intel Core 2 Duo mit 2.53 GHz Takt, 6 MByte Cache und integrierter Hochleistungsgrafik werden alle Leistungsklassen abgedeckt.

Im Gegensatz zu anderen Modulstandards ist COM Express ein von der PICMG ( PCI Industrial Computer Manufacturers Group) definierter Standard. Die PICMG ist ein Konsortium aus über 450 Unternehmen, die patentfreie Spezifikationen für Telekommunikations- und Industrieanwendungen erarbeiten. Die dort festgelegten Spezifikationen können nur nach einem Mehrheitsprinzip geändert oder erweitert werden, die Stabilität der Standards ist damit gewährleistet.

Zeitlich und technologisch gesehen ist COM Express ein direkter Nachfolger des im Jahr 1999 spezifizierten „Urmoduls“, dem ersten Computer-On-Modul Standards ETX. Als ETX definiert wurde war der ISA Bus noch „state of the art“. Die Ingenieure die im Jahre 2004 die COM Express Spezifikation verabschiedeten haben konsequent alte „legacy“ Schnittstellen gemieden und neue Technologien wie den serialisierten PCI Express aufgenommen. Die Spezifikation ist flexibel gehalten und beschreibt zwei unterschiedliche Modulgrößen. Der verbreitetste Formfaktor ist der Basic mit 95x125mm. Die Extended Module mit 155x110mm bieten viel Platz für extreme Speichergrößen wie sie in Serveranwendungen häufig benötigt werden. In der Praxis hat sich aber auch noch eine dritte Modulgröße etabliert. Der sogenannte „Compact“ ist mit nur 95x95mm deutlich leichter zu integrieren und bietet trotzdem genügend Boardfläche um eine gehobene Rechenleistung zu realisieren.

Neben den beiden Formfaktoren Basic und Extended hat sich in der Praxis auch der Compact etabliert

Um innerhalb der Spezifikation vielfältige Leistungsbereiche abdecken zu können wurden fünf unterschiedliche Pinbelegungen definiert. Das klingt auf den ersten Blick etwas verwirrend, ist aber letztendlich eine klare, zukunftsorientierte Definition der maximal 440 verfügbaren Pins. Die meisten am Markt verfügbaren COM Express Module sind sogenannte Typ 2 Module. Das liegt einfach daran dass die verfügbaren Schnittstellen heutiger Chipsätze dieser Definition sehr nahe kommt. Die höheren Typnummern 3 bis 5 verzichten auf die  mittlerweile technologisch überholten Schnittstellen wie paralleles IDE oder den PCI Bus um zusätzliche Ethernet und PCI Express Lanes anbieten zu können.

Trotz zahlreicher Vorteile dieser Definition bleibt ein kleiner Wermutstropfen. COM Express ist nicht mehr kompatibel zum „Vorgänger“ ETX. Abmessungen, Stecker und Schnittstellen geändert bzw. neu definiert. ETX basierende Lösungen müssen beim Umstieg auf COM Express von Grund auf neu Entwickelt werden. Doch dank der XTX Modul-Standards gibt es eine praktikable Lösung. XTX ist ein Industriestandard der zwischen COM Express und ETX zu sehen ist. XTX Module sind mechanisch völlig identisch zu ETX Modulen, lediglich die Signaldefinition auf den Modulsteckern wurde geringfügig verändert. Der ISA Bus wurde weggelassen, stattdessen wurden 4 PCI Express Lanes und SATA eingeführt. Existierende ETX Lösungen können damit mit nur geringen Aufwand auf aktuelle Prozessortechnologien aktualisiert werden.

Die definierten Schnittstellen von COM Express Modulen sind üppig bemessen. Mit bis zu 32 PCI Express Lanes, drei Gigabit Ethernet und 8 USB Schnittstellen sind nach oben noch reichlich Leistungsreserven vorhanden. Massenspeicher werden über 4 SATA Interfaces angebunden. Doch auch für eine flexible Grafikausgabe ist gesorgt. Eine onboard Grafik kann Bildschirme über einen doppelten LVDS Kanal, SDVO, VGA und TVout ansteuern.

Featureliste COM Express Typ 2

•  Zwei 220 Pin Steckverbinder zum Carrier Board
•  Bis zu 8 USB 2.0 ports; 4 gemeinsam genutzte Überstromsignale
•  Bis zu 4 Serial ATA oder SAS Ports
•  IDE Port (um alte ATA Geräte wie CD-ROM Laufwerke oder CompactFlash Speicherkarten zu unterstützen)
•  Bis zu 22 PCI Express Lanes
•  16 der 22 PCI Express Lanes werden üblicherweise für PEG (PCI Express Graphics) verwendet
•  SDVO Option (Über die Pins des PEG Ports)
•  32 Bit PCI Interface
•  Bis zu 2 ExpressCards
•  Dual 24 Bit LVDS Kanäle
•  Analog VGA
•  TV Out: Composite Video, S-Video, Component Video (YPbPr)
•  AC '97 Digital Audio Interface (externer CODEC)
•  Ethernet Interface mit integierten PHY – Gigabit Ethernet
•  LPC Interface
•  8 GPIO Pins
•  188W maximale Eingangsleistung über die Modulstecker
•  +12V primäre Versorgungsspannung
•  +5V Standby und 3.3V RTC Eingänge

Grafikleistung

Für extrem grafiklastige Anwendungen, meist im Gaming Bereich, waren die in den Chipsätzen integrierten Grafik Engines oft nicht schnell genug. Begrenzender Faktor war zum einen der Grafik-Controller, zum anderen aber auch die Geschwindigkeit des Zugriffs auf den gemeinsam mit der CPU genutzten Speicher. Dank des bei COM Express definierten PEG Ports (PCI Express Graphics) können externe Grafik-Karten oder -Controller über 16 PCI Express Lanes angebunden werden. Lösungen auf dieser Basis sind zwar sehr Leistungsfähig aber leider auch sehr kostenintensiv. Die congatec AG, der einzige Hersteller am Markt der ausschließlich Computermodule entwickelt, verspricht an dieser Stelle mit dem neuen COM Express Modul conga-BM45 eine signifikante Verbesserung. Hier kommt zum ersten mal der brandneue, leistungsfähige, Mobile Intel® GM45 Express Chipsatz mit integriertem Mobile Intel® Graphics Media Accelerator 4500MHD (Intel® GMA 4500MHD) zum Einsatz. Dieser Grafikcontroller kann über ein 1066 MHz schnellen Frontside Bus auf die gemeinsam benutzen, sehr schnellen 8 GByte DDR3 RAM zugreifen. Damit unterstützt das conga-BM45 DirectX10 sowie eine Hardware basierende Dekodierung für HDTV Videodaten. Je nach Software kann die Grafikleistung des conga-BM45 bis zum dreifachen höher sein, als die gleiche Anwendung auf der bisherigen High-End Plattform (mobiler Intel® GME965 Express Chipsatz).

Das COM Express Modul conga-BM45 erhöht die Grafikleistung bei manchen Anwendungen um das Dreifache

Doch nicht nur die Grafikleistung ist in eine neue Region vorgestoßen. Das conga-BM45 Modul ist mit dem Intel® Core 2 Duo Prozessor T9400 ausgestattet der mit 2,53 GHz betrieben wird und kann über 6 MByte L2 Cache sowie 1066 MHz Front Side Bus verfügen. Der gleichzeitige Zugriff auf die beiden schnellen DDR3 Speichermodule ermöglicht eine weitere Leistungssteigerung. Die damit verfügbaren 8 GByte RAM waren in der Vergangenheit nur mit Serverchipsätzen, welche keine Grafik unterstützen, zu erreichen.

Stromverbrauch

Durch den Einsatz von DDR3 Speichertechnologie kann im Vergleich zu DDR2 Speicher ca. 20% Energie eingespart werden. Je nach benötigter Rechenleistung der Anwendung wird mit der schon vor Jahren eingeführten Intel Speedstep Technologie die Taktrate sowie die Versorgungsspannung des Prozessors reduziert. Eine ähnliche Technologie kommt beim mobilen Intel® GME965 Express Chipsatz jetzt auch zum Einsatz. Um den Energiebedarf des Grafik Controllers zu reduzieren werden Taktrate und Versorgungsspannung dynamisch an den aktuellen Leistungsbedarf der Software angepasst. Diese konsequente Umsetzung von stromsparenden Technologien sowie ein ACPI 3.0 konformes Power Management mit Batterie-Management Funktionen, ermöglichen es dem conga-BM45 die Bedürfnisse des anspruchsvollen Marktes für mobile Anwendungen zu erfüllen.

Grafikausgabe

Das conga-BM45 hat eine bisher unerreichte Flexibilität bei den Grafik Ausgabemöglichkeiten. Die beiden unabhängigen Grafik Pipelines können 2x24 Bit LVDS, SDVO, TV-Out, analog VGA aber auch die neuen Interfaces wie DisplayPort und HDMI bedienen. Zusätzliche Signale mussten hierfür nicht definiert werden, die Signale für DisplayPort, HDMI, SDVO und PEG liegen alle auf den gleichen Pins und können nicht parallel verwendet werden. Aufgrund der Beschaltung am Carrier Board erkennt das conga-BM45 welche Grafikausgabe verwendet werden soll.
Zur automatischen Display-Erkennung kommen sowohl der neue VESA Standard DisplayID als auch EPI (Embedded Panel Interface) parallel zum Einsatz. Damit werden dem Video BIOS die wichtigsten Kenngrössen des angeschlossenen Displays übermittelt und das Ausgabeformat des Grafikcontroller wird entsprechend eingestellt.

Üppige Schnittstellenausstattung

Das COM Express Flaggschiff von congatec ist mit fünf PCI Express Lanes, PCI Express Graphic (PEGx16), acht USB 2.0 Ports, vier SATA-2 Interfaces und Signalen für zwei ExpressCards zur schnellen Systemerweiterung ausgerüstet. Eine Lüftersteuerung, der LPC Bus für langsamere Erweiterungen und HDA, ein leistungsfähiges digitales Audio Interface, vervollständigen die Ausstattung.

Eine zentrale Überwachungs- und Steuerungsfunktionalität von verteilen Computeranwendungen ist auch für viele Embedded Lösungen notwendig. Der im conga-BM45 integrierte Gigabit Ethernet Controller ist mit der Intel-Active-Management-Technologie (Intel AMT) 4.0, einer Kombination aus Hard- und Firmware-Lösung, ausgestattet. Dies ermöglicht eine ferngesteuerte Überwachung und Verwaltung von Embedded Computer Lösungen schon auf Hardwareebene. Inventarisierung oder Fernwartung kann jetzt sogar bei abgeschalteten oder nicht funktionierenden Betriebssystem vorgenommen werden. Voraussetzung ist lediglich eine angeschlossene Stromversorgung und eine Kabelverbindung zum Netzwerk.

Mit dem conga-BM45 hat congatec ein COM Express Modul geschaffen dass trotz des geringen Stromverbrauchs in Sachen Rechenleistung und Grafik Performance ganz oben in der Produktpalette angesiedelt ist. Die bisher schon breite Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten von COM Express Modulen ist damit noch weiter gewachsen.

Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Christian Eder