לאחרונה הכריזה Standardization Group for embedded Technologies (SGeT) על גרסה 2.0 של תקן למודולים משובצים בארכיטקטורת SMARC. מספר חברות כבר הציגו דוגמאות של מוצרים המבוססים על תקן זה בתערוכת Embedded World 2016 שהתקיימה בנירנברג גרמניה. הסערה שהתחוללה סביב מפרט המודולים החדש מצדיקה לבחון מקרוב את התקן ה”האולטימטיבי” למודול עם מעבדים בעלי צריכת הספק נמוכה ולהציג בהבלטה את ההבדלים בינו לבין SMARC 1.1, Qseven & Co.
תמונה 1. הקצאת אותות לפי תקן SMARC 2.0 במחבר MXM-3 בעל 314 פינים
התקנים Qseven ו-SMARC למודולים משובצים נמצאים בפיקוח מלא של הקבוצה המקצועית SGeT, ולכן חברות רבות שלחו נציגים לצוותי העבודה של שני התקנים. לפני כשנה, מספר חברים בקבוצת Qseven workgroup SDT.02 הגיעו למסקנה שלא ניתן לפתח הרחבות חיוניות לתקן Qseven, מכיוון שמחבר ה-MXM-2 בעל 230 פינים המשמש להעברת אותות אל הכרטיס הנושא (Carrier board) נוצל במלואו ואינו מאפשר להעביר אותות נוספים. עם זאת, יישומים במערכות משובצות “אמיתיות” הצריכו בדחיפות הוספת אותות עבור חומרה משובצת, דרישה החורגת מהמפרט של מחבר לפי תקן Qseven. כדי לתת מענה לבעיה, התקיים דיון על המחבר הבא בגודלו, MXM-3 בעל 314 פינים, ששולב בעבר במערכות לפי תקן SMARC 1.1. באותו זמן, קבוצת העבודה SDT.01 של SGeT התכנסה פעם נוספת במטרה השאפתנית לדון ולהגדיר את תקן SMARC של הדור הבא. נציגי חברות רבים בקבוצת העבודה Qseven הגיעו למסקנה שהשוק קטן מדי לשני תקנים מתחרים המבוססים על מחבר זהה ונבדלים רק בייעוד הפינים (Pin-out). לפיכך הם הצטרפו לקבוצת העבודה SDT.01 של SMARC כדי לסייע בהגדרת התקן הסופי עבור מודול עם מעבדים בעלי צריכת הספק נמוכה.
היה צורך לשמור על הזמינות של כל הממשקים החשובים ליישומי מעבד משובץ, אך ממשקים רבים שנעשה בהם שימוש בעבר בוטלו על מנת לְפַנּוֹת פינים לממשקים חדשים ועל ידי כך לספק מהירות גדולה יותר במספר פינים מופחת, שפירושו יותר פונקציונליות וביצועים. לפיכך, התאימות לאחור מ-SMARC 2.0 ל- SMARC 1.1 לא נקבעה כמטרה מפורשת, וכתוצאה מכך לא הושגה (או הושגה במחיר של מגבלות רבות). לעומת זאת, ההישג האמיתי הוא התאמה מוחלטת של התקן למעבדי ARM/RISC ומעבדים בארכיטקטורת x86.
תקן SMARC מפגין שני גודלי מודול (82 x 50 מ”מ ו-82 x 80 מ”מ) ולכן מספק גמישות ליצרני המודולים מבחינת אכלוס המעבדים במידה המאפשרת לארגן מודולים חדשים בעלי מערך תכונות רצוי ולמצוא את הפתרון האופטימלי לשקלול בין מחיר לבין ביצועים. הפורמט הקטן מספק די שטח עבור מערכות SoC משובצות
תמונה 2. מודול SMARC 2.0 של MSC עם NXP i.MX6: MSC SM2S-IMX6
בשבב יחיד, כגון Intel Atom או i.MX6 של NXP (Freescale), שניתן להוסיף להן שבבי DRAM עם אפשרות להתקן Flash. אם המודול מיועד להפגין פונקציונליות משודרגת ברמה הקרובה ל-Ethernet Router, יידרשו שבבי בקר נוספים, דבר שעשוי להצריך שימוש במודול בפורמט גדול יותר. כך הדבר במקרה שנדרשת תקשורת נתונים אלחוטית, כגון WLAN, Bluetooth או G3/G4, המצריכה להוסיף מודול אלחוטי, והתקן החדש מגדיר עבורו מחברי אנטנה.
בהשוואה לתקן הקודם, SMARC 1.1, מהדורה 2.0 כוללת ממשקים חדשים רבים נוספים. אלה כוללים את ממשק LVDS המאפשר להפעיל צגי LCD ברזולוציה גבוהה במערך דו-ערוצי יחד עם ערוץ LVDS (שיאפשר רזולוציות ברמה TFT עד Full HD); או לחלופין להפעיל שני צגים עצמאיים באמצעות ערוצי LVDS נפרדים. התקן החדש כולל גם אפשרות שימוש חלופי בפינים של אותות LVDS עבור אותות DSI או DisplayPort (eDP) משובץ. לשם כך היה צורך לבטל את קווי ה-RGB המקבילים המיועדים לצגי LCD קטנים, אולם הצגים והיישומים המקובלים כיום אינם זקוקים להם ממילא.
לצד יציאת ה-HDMI הקיימת, התקן החדש מגדיר יציאת HDMI/DP משולבת שסימונה הוא DP++ מכיוון שהיא כוללת במשותף אותות DisplayPort, HDMI ו-DVI. השימוש יחד עם יציאות HDMI ו-LVDS פותח את האפשרות להפעיל שלוש מערכות תצוגה עצמאיות (בהנחה שפלטפורמת המעבד של המודול הרלוונטי תומכת בשלושה צגים).
SMARC 1.1 מגדיר יציאת Gigabit Ethernet אחת בלבד, שהוגדלה מעתה לשתי יציאות, מאחר שיישומים בני זמננו מצריכים בדרך כלל שתי יציאות LAN כדי לתמוך בשתי רשתות משנה Ethernet ולשמור על הפרדה בין שני מרחבי תקשורת (כגון מערך החיישנים ומערך הניהול בשערי IoT). אותות הפעלה בזמן אמת נוספו לשתי יציאות ה-Ethernet כדי להעניק להן יכולת RT לפי תקן IEEE1588.
תמונה 3. לוח נושא SMARC 2.0 של MSC בתצורת Mini-ITX: MSC SM2-MB-EP1
SMARC Rev. 2.0 מספק מעתה עד ארבעה ממשקי PCI Expres, אחד יותר מגרסה 1.1. הדבר מאפשר אופציה לפעולת בפלטפורמות מתאמות, וכתוצאה מכך תוספת מהותית ברמת הביצועים. המצב דומה לגבי USB; ההוספה של שלוש יציאות USB 2.0 מגדילה את הזמינות לעד שש יציאות USB 2.0 בתוספת שתי יציאות USB 3.0 לכל היותר. הדבר מדגיש את ההתאמה של תקן SMARC לפלטפורמות x86, דבר שיוצרי SMARC 2.0 הביאו בחשבון, מכיוון שמעבדים אלה זקוקים תמיד למספר רב של יציאות USB. עבור פלטפורמות ARM/RISC, יש שתי יציאות USB התומכות באופן אופציונלי בפונקציות של הלקוח. גם במקרה זה, אחד מתוך שני אפיקי SPI שודרג בפונקציונליות eSPI אופציונלית לטובת פלטפורמות x86. ניתן להשתמש במקביל בשני ממשקי שמע, אחד עבור שמע I2S כמקובל בשימוש עם מעבדי ARM, ואחד נוסף עבור שמע HD שהוא רכיב ה-Codec הסטנדרטי למעבדים בארכיטקטורת x86.
בוטלה התמיכה בממשק הכרטיס הפחות פופולרי, MMC/SD של 8 סיביות, אך עדיין כלול ממשק SDIO של 4 סיביות עבור כרטיסי SD המקובלים בתעשייה. בנוסף, היה צורך לוותר על ממשק המצלמה המקבילי לטובת המימוש של הממשקים החדשים המתוארים לעיל. עם זאת, התקן ממשיך לתמוך בשני ממשקי MIPI CSI-2, אחד עם שני נתיבים והאחר עם 4 נתיבים. מאפיינים אלה הופכים את SMARC 2.0 לתֶּקֶן המקיף והגמיש ביותר מכל תקני ה-COM (Computer-on-Module) הקיימים, בכל הנוגע לממשקי מצלמה. ולא זאת בלבד: SMARC 2.0 כולל גם יציאת SATA, 12 ממשקי GPIO, שני אפיקי CAN ואפילו 4 ממשקי UART טוריים שיש להם חשיבות רבה ביישומים משובצים.
אחד המאפיינים החיוניים ביותר לתמיכה בטכנולוגיות העתיד של SMARC 2.0 הוא המספר הרב של קווים “שמורים” במחבר MXM-3. אלה מיועדים לשימוש עתידי במקרים שתהיה דרישה לכלול ממשקים נוספים (שקרוב לוודאי עדיין לא ידועים לנו). בזכות יכולת זו להרחבות עתידיות, תקן SMARC 2.0 מבטיח אפשרות שיפור עתידית, מבלי להפוך את הלוחות הנושאים ו/או המודולים הקיימים כיום למיושנים. התקני חומרה המיועדים לגרסה הנוכחית, SMARC 2.0, לא יהפכו לחסרי תועלת גם במהדורות החדשות של תקן זה; להיפך – התקן מאפשר שדרוגיות מובנית ועל ידי כך מגן על כל השקעה שנעשית במהדורה הנוכחית שלו. נוסף למערך האבטחה המתאים, יצוין כי כל היצרנים החשובים של מודולים משובצים נוכחו בקבוצת העבודה של SGeT שעסקה בתקן SMARC והכריזו על תוכניותיהם להציע מוצרים בהתאם לתקן זה.
MSC Technologies הכריזה על מודול SMARC 2.0 ראשון המבוסס על מעבדי ARM Cortex-A9 מסדרת i.MX6 של NXP, וגם הציגה לוח נושא מתאים בתצורת Mini-ITX. המודול MSC SM2S-IMX6 תומך במעבדים בעלי ליבה אחת, שתי ליבות וארבע ליבות כמו גם במעבדי Plus שיצאו לאחרונה לשוק, המפגינים תפוקת נתונים משופרת וביצועים גרפיים מתקדמים. המודול משווק בתצורה המוקטנת שמידותיה 82 מ”מ x 50 מ”מ ומספק זיכרון DRAM בנפח עד 4GB ו-eMMC Flash בנפח עד 64GB. חריץ Micro-SD מובנה מאפשר להוסיף כרטיסי Flash כמעט בכל נפח. ניתן להשתמש בכרטיס זה או ב-eMMC Flash לצורך אתחול ולאחסן בהם את מערכת ההפעלה. ממשקי ה-HDMI וה-LVDS יכולים להפעיל צגים ברזולוציות עד Full-HD. המודול תומך ב- וב-SATA II בקצבי נתונים של עד 3.0 Gbps כמו גם 5x USB 2.0 Host ו-USB 2.0 OTG (Host/Client) כמו כן Gigabit Ethernet, , 2x SPI, 2x I²C ו-2x CAN .ניתן לנצל את ממשק MIPI CSI-2 לצורך כניסת מצלמה. המודול החדש יהיה זמין בגרסאות המיועדות לטווח טמפרטורות רחב ליישומים תעשייתיים, -40 עד 85°C, כמו גם לטווח טמפרטורות ליישומים מסחריים.
התכנון הפנימי של מודול SMARC 2.0 החדש מבוסס על ליבת חומרה זהה לזו של המודולים המצליחים Qseven ו-nanoRISC מבית MSC, המבוססים גם על סדרת המעבדים i.MX6 של NXP. לפיכך מפתחי התוכנה נהנים מתמיכה מלאה מהשלב הראשון – החל במנהל האתחול (Boot loader), דרך מערכת ההפעלה ועד מנהלי ההתקנים והכלים. בשלב זה יש תמיכה במערכות Yocto Linux ו-Android, כאשר Windows Embedded Compact גרסאות WEC2013 ו-WEC7 יתווספו בשלב מאוחר יותר.
הלוח הנושא MSC SM2-MB-EP1 מוצע בתצורת Mini-ITX בגודל 170 x 170 מ”מ ומציע גישה לרוב המאפיינים של תקן SMARC 2.0 החדש. מגוון הממשקים הופך אותו לבחירה המושלמת להערכה של מודולי SMARC 2.0, אך ניתן להשתמש בו – בגרסה המאוכלסת בצפיפות נמוכה יותר – ליישומים שאינם מתאפיינים בדרישות זיכרון גבוהות מדי.
ניתן היה להזמין דוגמאות של מודול MSC SM2S-IMX6 ברגע שצוות SGeT יפרסם את הגרסה המלאה של תקן SMARC 2.0. אומר ג’נס פלצ’טקה (Jens Plachetka), מנהל חטיבת כרטיסים משובצים בחבר MSC: “אנו רואים ב-SMARC 2.0 את התקן הטוב ביותר שתומך באופן אופטימלי בטכנולוגיות עתידיות של מודולים משובצים בגורם צורה קטן, ומלאים הערכה על התמיכה של כל יצרני המחשבים המשובצים בכרטיסים (Computer-on-Module) בתקן החדש. כבר התחלנו לתכנן את המודול השני התואם לתקן SMARC 2.0, שיתבסס על הדור השני של מעבדי Atom מבית Intel.”
המחבר:
פיטר אקלמן (Peter Eckelmann)
מנהל שיווק מוצרים, לוחות משובצים
MSC Technologies GmbH
לכל שאלה ניתן לפנות לדניאל כץ, אבנט ישראל
