Eine technische Einführung in die neue, ultramobile Computer-On-Module Definition

Das neue Qseven-Format zielt auf die nächste Generation ultramobiler Embedded-Prozessoren in 45-nm-Technologie. Es ergänzt den minimalen Stromverbrauch und die kleinen Abmessungen dieser Prozessoren mit modernsten High-Speed Schnittstellen und Batteriemanagement.

Unter Ausnutzung der neuesten von der Industrie angebotenen Prozessoren bietet das Qseven-Format hohe Rechenleistung auf einer Platinenfläche von nur 70 x 70 mm. Die Qseven-Plattform wurde mit Blick auf Performance und Zukunftssicherheit entwickelt um flexible batteriebetriebene Lösungen zu ermöglichen.

Qseven ist die optimale Plattform für den aktuellen Intel^® Atom™ Z5xx Prozessor und definiert nur aktuelle Schnittstellen, um dasFeatureset heutiger und zukünftiger mobiler Chipset/CPU Kombinationen optimal zu unterstützen.

Wenn in den Entwicklungsabteilungen von System- und Geräteherstellern diskutiert wird, wie die Entwicklungszeiten und Kosten reduziert werden können, liegt die Antwort meist in der Verwendung von Computermodulen (Computer-On-Modules = COM). Diese Entscheidung bringt neben einer erhöhten Flexibilität und Skalierbarkeit weitere Vorteile mit sich. Die verbreitetsten Standards sind ETX (definiert im Jahr 2000), COM Express (2004) und XTX (2005). Seitdem sind von den Chipherstellern einige neue Technologien auf den Markt gebracht worden, die damals logischerweise noch nicht berücksichtigt werden konnten.

Neue Interfaces wurden definiert, die Rechenleistung wurde ungemein erhöht, doch auch am Stromverbrauch wurde - dank immer kleiner werdender Chipstrukturen - exorbitant gespart. Während COM Express z. B. einen maximalen Leistungsverbrauch von 188 Watt erlaubt, verbrauchen aktuelle Prozessoren wie die Intel^® Atom™ Z5xx Serie mit Chipsatz (Intel^® System Controller Hub US15W) unter 5 Watt. Es ist abzusehen, dass die Entwicklung zukünftig noch stromsparendere X86 Prozessorplattformen bringen wird. Anders als die bisherigen Modul-Standards ist Qseven™ klar auf mobile und batteriebetriebene Anwendungen ausgelegt, und die Schnittstellen-Ausstattung ist zukunftsorientiert an die modernsten mobilen Chipsätze angepasst.

Qseven Mechanik

Der Name Qseven™ leitet sich aus „Quadratisch“ und 7 cm Modulgröße ab. Diese Grundfläche erlaubt die Entwicklung einer leistungsfähigen und äußerst stromsparenden x86 PC Plattform mit umfangreicher Schnittstellenausstattung bei gleichzeitig kompakter Bauweise, um auch die Integration in Handheld-Geräte zu ermöglichen.

Anders als bei den meisten bisherigen Modulstandards kommt bei Qseven™ kein teurer Board-to-Board Steckverbinder, sondern ein sehr preisgünstiger MXM Karten-Stecker mit 230 Pins im 0,5 mm Raster zum Einsatz. Dieser Stecker wird bereits für schnelle Notebook-Grafikkarten eingesetzt und ist daher für die hohen Datenübertragungsraten von PEG (PCI Express Graphics) spezifiziert. Trotz seiner kleinen Bauweise ist er sehr robust konstruiert (1,2 mm Leiterplattenstärke) und bietet sich dadurch für alle mobilen Anwendungen an.

Qseven verwendet den MXM Stecker

Derzeit gibt es drei Hersteller für diesen Steckertyp, der obendrein in zwei verschiedenen Bauhöhen und in einer gedrehten Variante angeboten wird. Dies ermöglicht zusätzliche Flexibilität beim Design von Carrier-Boards. Dieser preisgünstige MXM Stecker wird lediglich am Carrier-Board benötigt, die Kontakte am CPU Modul werden direkt auf der Platine, ohne zusätzliche Kosten, realisiert. Die Verlässlichkeit und Praxistauglichkeit von direkten Karten-Steckverbindern ist durch Speichermoduleoder auch den Einsatz bei AMC Computermodulen für die Telekommunikation (www.picmg.org/v2internal/AdvancedMC.htm) bewiesen.

Das Qseven™ Computer-On-Module wird, anders als bei Speichermodulen, nicht vom Kartenstecker selbst, sondern mit 4 Schrauben und Abstandshaltern (5 mm oder 2,7 mm, je nach Steckerhöhe) sehr stabil gehalten. Hohe Schock- und Vibrations-Spezifikationen können mit dieser Montageart eingehalten werden.

Qseven™ definiert nur aktuelle Schnittstellen, um das Featureset heutiger und zukünftiger mobiler Chipset/CPU Kombinationen zu unterstützen. Alte „legacy Interfaces“ wie Parallel-IDE und PCI Bus werden ganz bewusst weggelassen, um den zusätzlichen Aufwand und die damit einhergehenden Kosten zur Erzeugung dieser „Antiquitäten“ einzusparen.
Folgende Interfaces sind bei Qseven™ definiert:

Qseven Schnittstellen

Die vier PCI Express Lanes ermöglichen in Summe eine Datentransferrate von ca. 8 GBit/s pro Richtung. Dies ist im Vergleich zu COM Express mit bis zu 22 PCI Express Lanes zwar wenig, doch der Bedarf an derart hoher I/O Bandbreite macht lediglich bei serverartigen oder high-end Grafikanwendungen Sinn, nicht aber bei mobilen Geräten.

SATA ist der logische Ersatz des EIDE Interfaces. Bis vor kurzem wurde das parallele IDE Interface bei embedded Anwendungen häufig zur Ansteuerung der robusten und preisgünstigen CompactFlash Karten als Massenspeicher verwendet, diese werden mittlerweile aber preislich von SD-Cards unterboten, welche ebenfalls schon für das industrielle Umfeld erhältlich sind.

Dank des SDIO Interfaces können SD-Cards als Massenspeicher verwendet werden. Doch dieses Interface ist weit flexibler. Der Secure Digital Standard ermöglicht neben Speichermedien auch Anwendungen wie WLAN, Bluethooth, RFID u.v.m. im gleichen Kartenformat. Diese Add-On Karten sind sehr kompakt, robust und bieten sich optimal zur Erweiterung mobiler Systeme an. Die Audioeigenschaften einer embedded Lösung basierend auf Qseven™ lassen sich auf dem Carrier-Board bestimmen. Dank HDA (High Definition Audio) kann auf dem Carrier-Board ein Audio-Codec mit zahlreichen Kanälen und höchsten Abtastraten platziert werden. Selbst eine dynamische Zuweisung der Audiostecker und Multimedia Surround Sound lassen sich damit leicht realisieren.

Qseven I/O Definitionen

Besonders flexibel ist der Video-Bereich gestaltet: Neben einem digitalen Videoeingang sind insgesamt vier verschiedene Ausgabemöglichkeiten definiert. Für die „klassische“ Ansteuerung eines Flachdisplays direkt über LVDS (Low Voltage Differential Signal) benötigt das Qseven™ Modul zusätzliche Informationen über das angeschlossene Display, um das Ausgabeformat und das Daten-Timing passend einzustellen. Dies wird mit DisplayID (siehe www.vesa.org) realisiert. 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.

Das LVDS Interface wurde bewusst mit einer hohen Bandbreite von 2x 24 Bit ausgelegt, um dem technischen Fortschritt im Bereich der Displaytechnologien mit immer höheren Auflösungen auch für kleine Displays gerecht zu werden.

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. Die physikalischen Signale dieses Grafikports werden von SDVO, DisplayPort und TDMS gemeinsam genutzt. Eine Hot-Plug Mechanismus erkennt, welche Art von Schnittstelle vom Kunden verwendet wird. Dementsprechend wird der Grafikcontroller konfiguriert.

Um den verschiedenen Kundenanforderungen bezüglich Displayansteuerungen gerecht zu werden, stellen die Grafikkontroller verschiedener Chipsatzhersteller bereits heute SDVO, DisplayPort und TDMS über den zweiten Grafikport zur Verfügung.

Über die Intel^® SDVO (Serial Digital Video Out) Schnittstelle lässt sich mittels passender Encoder-Bausteine oder über eine handelsüblichen ADD-2 Einsteckkarte eine weitere DVI, HDMI oder auch TV-Out Schnittstelle implementieren.

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.

Die Spannungsversorgung von Qseven™ Modulen wird über leicht zu handhabende 5V definiert. Diese Spannung ist üblicherweise schon auf dem Trägerboard vorhanden, um USB oder andere externe Devices zu versorgen. Um die erweiterten Stromsparmöglichkeiten nutzen zu können, sollte noch eine 5V Standby-Spannung zur Verfügung stehen. Alle Signale zur einfachen Realisierung von batteriebetriebenen Geräten sind bereits im Standard definiert.

Qseven™ 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 ein einheitliches Software API (Application Programm Interface) festgelegt. Qseven™ Module unterschiedlicher Hersteller können damit ohne Änderungen an Hard- und Software flexibel untereinander ausgetauscht werden.

congatec's erstes Qseven Modul conga-QA basierend auf einem Intel^® Atom™ Z5xx-Prozessor und mit
Intel^® System Controller Hub US15W

Die maximale Leistungsaufnahme von Qseven™ Modulen wurde mit 12 Watt an moderne Mobiltechnologien angepasst. Die ersten Qseven™ Module werden mit ca. 5 Watt deutlich unter dieser Obergrenze bleiben. Doch auch 5 Watt Leistungsaufnahme erzeugt Wärme, die abgeleitet werden muss. Im oberen Bereich der Qseven™ Module wird ein 5 mm breiter Wärmeableit-Streifen freigelassen. Alle internen und externen Lagen der Platine auf dieser Fläche sind massiv Kupfer und mit zahlreichen Durchkontaktierungen thermisch verbunden. Die internen Lagen werden dann teilweise flächig zu den wärmeerzeugenden Komponenten wie CPU, Chipsatz und Speicher geführt. Da keine gesockelten, sondern ausschließlich gelötete Bauteile zum Einsatz kommen, wird die erzeugte Wärme größtenteils auf die Platine übertragen und von dort über die Kupferlagen zum Wärmeableit-Streifen transportiert. Von dort wird die thermische Energie über Metallblöcke zum Gehäuse, zum Carrier-Board oder einem anderen, geeigneten Medium geleitet. Im oberen Bereich der max. 12 Watt kann es nötig werden, dass parallel zur Platine der Wärmetransport zum Ableitbereich über einen Metallsteifen verbessert werden muss. Doch auch dies ist bereits in der Qseven™ Spezifikation berücksichtigt.

Qseven™ wurde von congatec AG Seco und MSC gestartet. Aktuell wird Qseven™ von 20 Herstellern unterstützt:

Die Spezifikation ist frei verfügbar und darf ohne Lizenzkosten verwendet werden. Die Mitgliedschaft im Qseven™ Konsortium ist ebenfalls kostenlos.

www.Qseven-standard.org

www.congatec.de

Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Martin Danzer, congatec AG

Produktmanager für Embedded Computermodule