Evolution der Embedded Computer-Module

Ein Vergleich der Modulkonzepte COM-Express, XTX, ETX und Qseven

ETX ist seit vielen Jahren der Computer-On-Module-Standard. COM Express und XTX sind wesentlich später definiert worden und bringen dadurch viele neue Möglichkeiten mit. Während COM Express mit einem komplett neuem Konzept in den Ring steigt setzt XTX auf eine Erweiterung der etablierten Technik  – und ist damit größtenteils abwärtskompatibel. Qseven ist der jüngste Standard. Die Spezifikation wurde erst mitte 2008 veröffentlicht und zielt auf den stark wachsenden Markt der mobilen Anwendungen. Qseven und COM Express brechen mit alten Traditionen: Das Wort „legacy“ kann man mit ihnen nicht mehr in Verbindung gebracht werden. Welches Konzept ist das beste? Oder liegt ETX vielleicht doch nicht im Sterben? Die Antwort schon vorweg: „Es kommt darauf an ...“. Wir vergleichen die Standards.

Acht Jahre ist es nun schon her, dass ETX als bisher erfolgreichster embedded PC Modul-Standard definiert wurde – eine kleine Ewigkeit, zumindest in der schnelllebigen Computerwelt. Die Ingenieure bauten es auf Basis einer Pentium-Plattform mit PCI- und ISA-Bus und versahen es mit USB1.1, 100MBit LAN, IDE und Legacy-I/O-Schnittstellen. Seitdem haben sich neue Technologien entwickelt – Prozessoren, aber auch neue Schnittstellen sind dramatisch schneller geworden. Dieser Fortschritt sollte auch den Modulgedanken zu Gute kommen – ein Nachfolger muss her. Auf der Suche nach ihm haben sich einige große Firmen im Markt gemeinsam zu einem neuen Modulkonzept durchgerungen: COM Express, ein PC-Modul mit zwei Steckern und 440 Pins. Dank zweier Größen und fünf unterschiedlicher Pinouts an den 440 Pins, lässt sich dieses Modul für nahezu alle Bereiche des Embedded-PC-Segments einsetzen. Einen kleinen Nachteil gibt es allerdings: COM Express ist nicht mehr kompatibel zum „Vorgänger“ ETX. Abmessungen, Stecker und Schnittstellen hat man geändert bzw. neu definiert.

Bei einer COM basierenden Lösung wird der komplette PC als Modul auf ein kundenspezifisch entwickeltes
Carrier-Board montiert.

Während COM Express einen maximalen Leistungsverbrauch von 188 Watt und ETX/XTX Module bis zu 40 Watt erlauben, verbrauchen aktuelle Prozessoren wie die Intel Atom Z5xx Serie mit Chipsatz (Intel System Controller Hub US15W) weniger als 5 Watt. Es ist abzusehen dass die Entwicklung zukünftig noch stromsparendere X86 Prozessorplattformen bringen wird. Anders als die bisherigen Modul-Standards ist QSeven™ mit einem maximalen Leistungsbedarf von 12 Watt klar auf mobile und batteriebetriebene Anwendungen ausgelegt und die Schnittstellen-Ausstattung ist zukunftsorientiert an die modernsten mobilen Chipsätze angepasst.

Kompatibel gern gesehen

Die Standards COM Express und Qseven gefallen nicht allen. Speziell für die grosse Gruppen von ETX Anwendern ist es praktischer, ein Modul einzusetzen, das zu bestehender Hardware kompatibel ist. Das dachten sich auch einige Embedded-Hersteller und gründeten das XTX Consortium (www.xtx-standard.org). Statt das Rad komplett neu zu erfinden, wurde ein Modul konzipiert, welches auf dem ETX Standard aufsetzt, aber trotzdem die neuen Schnittstellen aktueller Chipsätze über die vier existierenden hundertpoligen Stecker auf das Basis-Board bringt.

Die Lösung des Problems war denkbar einfach: Der Stecker, welcher bei ETX die ISA-Bus-Signale führt, wurde neu definiert. Die übrigen drei Stecker, sowie Abmessungen und Kühllösungen bleiben identisch. Damit haben Anwender aktuell die Qual der Wahl, zwischen den unterschiedlichen COM Formfaktoren:

Qseven, ETX, XTX und COM Express.

Eine Gegenüberstellung der unterstützten Schnittstellen kann bereits eine entscheidende Hilfe bei der Auswahl des richtigen Moduls sein und zeigt, dass alle drei Konzepte ihre Märkte und damit auch ihre Daseinsberechtigung haben. Die Hauptunterschiede liegen in technischer Hinsicht klar bei PCI Express, SATA, PEG, SDVO, Legacy I/O und den neuen Panel Interfaces HDMI und DisplayPort. Im Folgenden wird darauf etwas näher eingegangen.

Unterschied zwischen ETX und XTX

PCI Express kontra PCI

Anwendungen mit schneller I/O Anbindung kommen am PCI-Express-Bus nicht vorbei. Somit kommen hierfür ETX nicht in Frage. Am 32-Bit-PCI-Bus des ETX beträgt die theoretische Bandbreite gerade mal 133 MByte/s. Eine einfache PCI-Express-Lane ermöglicht satte 2.5 GBit/s in beide Richtungen. Mit den max. möglichen x4 PCIe Lanes eines Qseven oder XTX Moduls erreicht man mit 10 GBit/s. COM Express Typ 2 bietet 6 Lanes und damit max. 15 GBit/s. COM Express Module der Typen 4 und 5 ermöglichen sogar eine x16 PCIe Anbindung. Sowohl XTX als auch COM Express unterstützen zusätzlich den legacy 32 Bit Parallel PCI Bus. Qseven geht an dieser Stelle bereits einen Schritt weiter. Da moderne Chipsätze den PCI Bus nicht mehr direkt unterstützen wird dieser vom Qseven Konsortium bereits als „legacy“ betrachtet und wurde nicht in die Spezifikation des Standards aufgenommen.

Vergleich der maximalen Stromaufnahme und der Größe der Module

ISA Bus

Totgesagte leben länger. Dem ISA Bus wird schon seit Jahren das Ende vorausgesagt. Nichtsdestotrotz gibt es nach wie vor viele industrielle Anwendungen, die für diesen Bus entwickelt wurden. COM Express, XTX und Qseven unterstützen zwar den serialisierten LPC (Low Pin Count) Bus, doch damit können existierende Lösungen nicht zu 100% übernommen werden. Auch die Möglichkeit einer externen PCI-ISA Bridge bedeutet einen erhöhten Entwicklungsaufwand. Hier kann ETX eindeutig punkten.

SATA kontra PATA und SDIO

SATA ist der logische Nachfolger von PATA bzw. EIDE. Die gesteigerte Performance, aber auch die Verbesserungen bei der Signallänge, der Fehlerkorrektur und der Verkabelung sind deutlich. Viele Embedded Systeme verwenden EIDE um robuste und preisgünstige CompactFlash Karten als Massenspeicher zu verwenden. Auch hier ist Qseven am Puls der Zeit. Qseven unterstützt als einziger COM-Standard das SDIO Interface mit dem die äusserst preisgünstigen SD Speicherkarten als Massenspeicher, aber auch andere I/O Karten mit Funktionen wie RFID, WLAN oder Bluetooth verwendet werden können.

ETX in der 2.x Versionen unterstützt kein SATA. Mit dem Update auf ETX 3.0 können zwei SATA Stecker direkt auf das Modul gesetzt werden. Das wiederspricht zwar dem kabellosen Grundgedanken des Modulkonzeptes, erlaubt aber andererseits einen einfachen Upgrade.

PEG kontra On-board Graphik

Obwohl die im Chipsatz integrierten Graphik-Controller ständig mit mehr Funktionen und Performance aufwarten, kann damit die Anforderung mancher Applikationen nicht erfüllt werden. Wie bei einem normalen Desktop-PC treiben auch im embedded-Markt die Gaming-Anwendungen die Graphik-Performance. Und hier liegt das große Plus von COM-Express. Als einziger Standard unterstützt er den PCI Express Graphics Port (PEG), welcher via dedizierter x16 PCI-Express-Lane die Anbindung superschneller Videocontroller erlaubt. Bei den anderen Modulen kommen aus Kosten- und Platzgründen meist die integrierten Graphik-Controller mit Shared-Memory-Architektur zum Einsatz. Diese bieten zwar mittlerweile auch eine vernünftige Performance, können aber mit den externen Lösungen am PEG Port nicht konkurrieren.

LVDS, SDVO, DisplayPort und HDMI

Die Anforderung an die Graphik liegen nicht nur im Performance-Bereich, sondern auch mehr und mehr in einer umfangreichen Unterstützung von Ausgabegeräten. Die auf den Modulen eingesetzten Chipsätze mit integrierter Graphik kommen fast ausschließlich aus dem Notebook-Markt. Deshalb können LVDS Displays, Analog CRT und TV meist direkt angesteuert werden. Um auch abgesetzte Display-Lösungen zu realisieren, eignet sich die SDVO Schnittstelle, welche ausschließlich von Intel Chipsätzen unterstützt wird. Auch vor Intels Digital Video Output Port hat die Serialisierung nicht halt gemacht. Zudem wurde bei der Spezifikation darauf geachtet, dass im Gegensatz zu DVO nicht jeder Hersteller von 3rd Party Transmittern sein eigenes „Süppchen kocht“, was zu sehr viel Aufwand im Softwarebereich, vor allem beim Video-BIOS und Treiber führte. Mit SDVO ist neben der Hardware- auch die Softwareschnittstelle spezifiziert. DVI und Dual Display Lösungen lassen sich mit Hilfe von SDVO nun viel einfacher und kostensparender realisieren.ETX und XTX unterstützen im Standard SDVO nicht, viele Hersteller stellen aber die dafür benötigten Signale auf einen proprietären Feature-Stecker direkt auf dem Modul zur Verfügung. Mit einer zusätzlichen Kabelverbindung lassen sich diese Funktionen dann mit diesen Modulen trotzdem verwenden.

Für die „klassische“ Ansteuerung eines Flachdisplays direkt über LVDS (Low Voltage Differential Signal) benötigen die Module zusätzliche Informationen über das angeschlossene Display, um das Ausgabeformat und das Daten-Timing passend einzustellen. Um dies einheitlich, und damit zwischen unterschiedlichen Herstellern austauschbar, zu gestalten sollte dies über DisplayID (siehe www.vesa.org) realisiert werden. Vereinfacht dargestellt wird dabei ein von der VESA (Video Electronics Standards Association) standardisiertes Datenformat mittels I²C Bus von der Displayeinheit eingelesen und vom Video-BIOS interpretiert. Damit wird die umständliche Displayanpassung Vergangenheit, „plug-and-play“ wird auch hier ermöglicht.

Unterschiedliche Größen bei COM Express Modulen

Neben dem lokalen LVDS Display kann über einen zweiten Grafikport noch ein zusätzliches Display betrieben werden, welches von der Auflösung und vom Inhalt unabhängig ist. Dies kann bei COM Express über SDVO, bei Qseven zusätzlich auch über DisplayPort oder TDMS/HDMI realisiert werden. DisplayPort, HDMI, SDVO und PEG nutzen die gleichen Signale des Chipsatzes und können nur alternativ verwendet werden. Eine Hot-Plug Mechanismus erkennt, welche Art von Schnittstelle das Carrier Board verlangt, dementsprechend wird der Grafikcontroller im Chipsatz konfiguriert.

DisplayPort ist eine der neuesten Definition der VESA (www.vesa.org) und wird als „heißer Kandidat“ für die Nachfolge der aktuell gängigen HDMI Schnittstelle gehandelt. DisplayPort ist im Gegensatz zu HDMI ein freier öffentlicher Standard, wodurch schon jetzt eine weite Verbreitung gewährleistet ist. Im Vergleich zu DVI bzw. TDMS und LVDS bietet DisplayPort ein erweiterbares, paketbasierendes Protokoll, das neben den reinen Displaydaten auch zusätzliche Informationen wie z. B. Audio mit übertragen kann. Mit lediglich vier differenziellen Leitungen lassen sich bis zu 10,8 GBit/s (DVI 4,95 GBit/s, LVDS 2,835 GBit/s) übertragen, das entspricht einer gleichzeitigen Übertragung von 6 HDTV Videokanälen. DisplayPort definiert sowohl einen externen, als auch einen internen Steckverbinder, damit ist eine einfache Anwendung auch für embedded Systeme gewährleistet.

Schnittstellenvielfalt bei Qseven

Software API

Die meisten embedded Computermodule sind mit zusätzlichen Funktionen für industrielle Anwendungen ausgestattet. Beispiele hierfür sind Watchdog Timer, I²C Bus, LCD Helligkeitskontrolle, BIOS User Speicherbereiche oder auch das Auslesen von Systemtemperaturen. Da für diese Funktionen bisher kein einheitliches Software-Interface definiert wurde, gestaltete sich die theoretische Austauschbarkeit von COMs in der Praxis meist schwieriger als erwartet. Um die in diesem Fall notwendigen Softwareänderungen generell zu vermeiden, wurde in der QSeven Spezifikation erstmals ein einheitliches Software API (Application Programm Interface) festgelegt. QSeven Module unterschiedlicher Herstellen können damit ohne Änderungen an Hard- und Software flexibel untereinander ausgetauscht werden.

„Legacy free“ kontra „Legacy“

Mit dem COM Express Standard ist nicht nur der Weg hin zu neuen, schnellen und zukunftssicheren Schnittstellen sondern auch der Weg weg von alten, langsamen und ausgedienten Ports gegangen worden. Neben dem nun wirklich in die Jahre gekommenen ISA Bus werden auch die vom Super I/O Baustein bereitgestellten Schnittstellen wie COM, LPT, Floppy und PS/2 Tastatur und Maus nicht mehr unterstützt. Mit dem Verzicht auf den PCI Bus ist Qseven noch einen Schritt weiter in Richtung „legacy free“ gegangen. Die Abstinenz von Parallel-, Floppy- und PS/2-Port mag die meisten Systemdesigner noch gar nicht stören, gibt es doch dafür längst adäquate USB Peripherie. Die fehlenden seriellen Schnittstellen werden dagegen schon für mehr Skepsis sorgen, sind sie doch gerade im industriellen Umfeld nach wie vor beliebte Kommunikations- und Debug-Schnittstellen. Gerade deshalb kann hier der XTX Formfaktor klar gegen COM Express punkten. Genau wie bei ETX werden 2xCOM, 1xLPT, 1xFloppy (shared with LPT) und PS/2 Tastatur/Maus, zusätzlich aber auch PCI Express, SATA und HDA unterstützt. Dies stellt eine Brücke zwischen der alten und der neuen Computerwelt dar.

An den aktuellen Chip-Neuentwicklungen des Marktführers Intel ist schon heute abzulesen dass die parallelen Interfaces PCI und EIDE verschwinden werden. Diese Schnittstellen lassen sich mit zusätzlichem Aufwand mit Bridge-Bausteinen erzeugen. Schwieriger ist es mit dem ISA Bus. Dieser lässt sich zwar auch über zusätzliche Bausteine erzeugen, allerdings mit gewissen Funktionseinschränkungen und nicht im Zusammenspiel mit den ganz neuen Chipsätzen. Dies schränkt die Möglichkeiten der Entwicklung neuer ETX Module ein. Durch den Verzicht auf den ISA Bus und den zusätzlichen modernen, seriell differenziellen Schnittstellen ist XTX der logische ETX Nachfolger. COM Express ist mit seinen flexiblen Pin-Konfigurationen bereits auf eine Zeit ohne PCI Bus und IDE vorbereitet. So wird beim COM Express Typ 5 beides zu Gunsten zusätzlicher Ethernet und PCI Express Ports weggelassen.

COM Express bietet damit die Möglichkeiten höchster Rechenleistung und I/O Performance. Qseven ist die ideale, zukunftsorientierte Lösung für alle mobilen und batteriebetriebenen Anwendungen.

Kurzer Überblick über die populärsten Computer-On-Module (COM) Standards.

www.congatec.de

Author:

Dipl.-Ing. (FH) Christian Eder
ist Marketing Manager bei der congatec AG in Deggendorf.