ISSN0391-6391 www.ilb2b.it novembre 2012 46 Supplemento a Elettronica oggi n 422 - Ottobre 2012 - IIn caso di mancato recapito inviare al CMP/CPO di Roserio-Milano per la restituzione al mittente previo pagamento resi LA COPERTINA EMBEDDED Approccio embedded con moduli Arm rassegna Strumentazione modulare Nuove opportunità di business per MicroTca Vehicle Computing Tecniche di trace avanzate per applicazioni su Cortex-M
Approccio embedded con moduli ARM Il mondo embedded sta cambiando. Stanno cambiando le aspettative dei clienti, le tempistiche del mercato, la natura dei progetti, l orizzonte tecnologico e l approccio alla gestione dei costi Alessandro Damian Marketing manager Contradata Wolfgang Heinz Fischer Head of marketing TQ Group Nella competizione per la leadership tecnologica di mercato, la quantità di processori ARM ha superato le architetture x86 anche grazie alla proliferazione di soluzioni consumer come Tablet PC, Smartphone, PDA, e così via. Le architetture x86 la fanno ancora da padrone soprattutto per quanto riguarda il mercato dei moduli, ma la crescente disponibilità di interfacce offerta dal mondo ARM ha portato questi due mondi verso una convergenza sempre più stretta. Mai come nell ultimo anno si è sentito parlare di soluzioni ARM su modulo come predestinate a sostituire il mondo x86 per le applicazioni embedded. Oggi è in corso un acceso dibattito tra i sostenitori di entrambe le fazioni su quale sarà l architettura che dominerà il futuro del mercato. Contradata ha da tempo colto quest aria di cambiamento pur interpretando questa competizione tra le due realtà in maniera completamente differente. Le grandi differenze nelle due architetture tuttora costituiscono la chiave di volta nell approccio al mercato. Oggi il mondo delle applicazioni embedded è talmente variegato in quanto a tipologie, volumi ed esigenze di time-to-market che le due realtà non possono che continuare a convivere e talvolta addirittura a convergere. Le architetture ARM non sono di certo una novità ma l approccio degli utenti in passato è sempre stato prevalentemente quello del Make In-House. Il loro successo è da attribuirsi principalmente ai bassi consumi e costi e alla disponibilità di lungo periodo garantita dai produttori: quest ultimo, in particolare, è un punto chiave che il settore x86 non ha mai saputo soddisfare pienamente. Oggi, vista anche la crescente complessità di queste architetture e le esigenze di time-to-market 10 Fig. 1 - Gianni Damian, Ceo di Contradata e Bernd Scheuffele, managing director, TQ Components sempre più ridotto, incomincia a proliferare una varietà di soluzioni ARM su modulo, più semplici da integrare, supportate a livello software da produttori specializzati e che garantiscono quindi migliori tempistiche di mercato e minori costi di produzione. Contradata, spinta dall istinto EMBEDDED 46 novembre 2012
pioneristico che l ha da sempre contraddistinta, ha voluto essere la prima società nella distribuzione x86 a entrare nel mercato dei moduli ARM. A seguito di una lunga ricerca sul mercato la società monzese ha individuato nel gruppo TQ la casa produttrice più valida, secondo parametri che tengono conto, oltre che della qualità del prodotto, anche del supporto che l azienda è in grado di fornire al cliente. Lo scorso marzo le due società hanno quindi firmato un accordo per la distribuzione sul territorio italiano dei moduli TQ basati su architetture ARM e Power Architecture di Freescale. Il Gruppo TQ impiega più di 900 persone, distribuite nelle sedi tedesche di Seefeld, Murnau, Peißenberg, Wetter/Ruhr, Chemnitz, ma anche a Fontaines, in Svizzera, e a Shanghai, in Cina. TQ è in grado di fornire un supporto completo per progetti embedded a partire dalla consulenza sulla scelta dei componenti che stanno intorno al modulo, passando per la gestione di vita del progetto fino ad arrivare alla gestione dell obsolescenza. Le applicazioni principali si ritrovano, ad esempio, nei settori automotive, medicale, aerospaziale e ferroviario: più sono alte le richieste di affidabilità e stabilità di prodotto, maggiori sono i vantaggi legati all utilizzo dei prodotti TQ. Basti pensare che spesso, in questi settori, ancor prima di andare in produzione si assiste a fasi di sviluppo, prototipazione e produzione che durano anni. I moduli TQ sono ideali in queste applicazioni in quanto sono disponibili per 15 anni dalla data lancio sul mercato. Contradata, in collaborazione con i propri partner locali, è inoltre in grado di fornire servizi ODM quali la produzione di carrier board su specifica cliente anche per piccoli-medi volumi. Fig. 2 - La sede di TQ immersa nel verde di Seefeld, alle porte di Monaco di Baviera Non sempre standard significa standard L introduzione del processore ARM Cortex-A9 ha annunciato l era di un nuovo standard nel mercato dei moduli. La parola standard, spesso usata con superficialità, ha suscitato speranze di vedere il mercato ARM regolamentato così come il mondo dei Computer on Modules X86. Possono questi standard soddisfare le aspettative del mercato e potranno eseguire i compiti assegnati oggi e in futuro? Conviene dare un occhiata ai dettagli dei sistemi offerti per salvaguardarsi da spiacevoli sorprese. Come spesso succede con prodotti nuovi e nuovi standard, il marketing è protagonista della ribalta ma, qualche volta, la pillola è indorata in maniera eccessiva. Cos è uno standard? La comprensione del termine è purtroppo variamente interpretata. Un vero standard viene definito e gestito da un organizzazione non-profit. Standard reali includono, tra gli altri, il consorzio PICMG e l organizzazione PC/104 (PC/104.org) con i suoi capitoli quali COM Express, MicroTCA e PC/104. Standard reali sono caratterizzati dalla definizione di tutti i parametri che ne garantiscono la compatibilità. Oltre alle caratteristiche meccaniche viene definita la posizione dei connettori, i loro segnali e la tempificazione. L organizzazione (consorzio) conduce continuamente test di compatibilità tra differenti produttori. Lo svantaggio di tale approccio è il tempo richiesto per la definizione delle specifiche. Il termine standard viene anche usato quando un idea comune a più produttori viene di fatto attuata ma, al contrario dagli standard veri, non definisce caratteristiche troppo restrittive. Ciò conduce a prodotti non perfettamente compatibili tra loro. Questi standard di fatto chiamati anche industry standard includono tra gli altri ETX e Qseven. La loro definizione è generalmente più rapida e i cambiamenti occorrono frequentemente. Tuttavia molti produttori usano il termine standard per le proprie definizioni individuali. Chiaramente in questo caso lo standard non esiste. Cosa si aspetta un utilizzatore da uno standard e di quali vantaggi beneficia? Uno degli argomenti più comuni è la possibilità di scelta tra produttori differenti e quindi un approvvigionamento più sicuro. Non trascurabili i benefici economici derivanti dalla competizione tra più fornitori. Un altro importante argomento è la scalabilità del sistema: se un modulo non soddisfa le prestazioni richieste si prende un modulo più potente e tutto è risolto, ma si è sicuri? Nella pratica tutto ciò raramente avviene. Ciò che avviene parzialmente per un utilizzatore di un modulo COM Express che da Atom migra a un altro modulo con Core i3 diventa estremamente più difficile per un modulo basato su ARM. La migrazione è condizionata da significativi re-design del software, considerando che un Cortex-A9 ha un considerevole numero di funzioni in EMBEDDED 46 novembre 2012 11
più. Una migrazione da ARM9 a Cortex-A9 userebbe una parte molto limitata delle funzioni di Cortex-A9 pur pagandone i costi più elevati. Miglioramento delle prestazioni? Molto limitato. Nella realtà gli utilizzatori pretendono di usare un processore al meglio delle sue prestazioni modificando la baseboard per adattarla alle nuove funzioni disponibili. Concetti come scalabilità e compatibilità sono spesso negletti. La necessità di uno standard a questo punto diventa discutibile e spesso superata da moduli non standard ottimizzati alle prestazioni. Si esaminino i nuovi standard introdotti per i moduli ARM per separare gli argomenti di puro marketing dai fatti reali, considerando che la decisione di adottare un modulo ha effetti nel lungo periodo per evitare costi elevati di eventuali cambiamenti e modifiche. Al momento ci sono di base tre differenti approcci: consorzio Qseven, consorzio ULP COM (Ultra Low Power COM) e varie soluzioni proprietarie. Come sempre ogni produttore ha solidi argomenti per la propria soluzione che lo differenzia dagli altri. Si è vista precedentemente la definizione di standard (formato, connettori, pin e timing) e ciò dovrebbe garantire l intercambiabilità tra prodotti di differenti produttori. La maggior parte dei pin e delle funzioni del processore dovrebbero essere disponibili tramite i connettori definiti. Tuttavia alcune funzioni del processore non sono definite nello standard e quindi non disponibili per l utilizzatore. Altre volte alcune funzioni sono disponibili solo tramite chip addizionali. In definitiva, uno standard può definire funzioni che non sono minimamente supportate. Un esame di uno standard di successo nel mercato, quale ad esempio COM Express, mostra che tutte le funzioni del processore sono supportate. Tuttavia, in funzione del processore o del chipset utilizzato alcune funzioni possono mancare; per esempio lo standard COM Express definisce 8 interfacce USB 2.0 che sono supportate da poche combinazioni di processori e chipset. Le 224 linee PCI Express non sono di solito completamente supportate. Il miglior standard è caratterizzato dal fatto che tutte le funzioni del processore siano disponibili tramite i connettori standard e che tutte le altre siano realizzate tramite extra chips. Meno compromessi ci sono tra le funzioni offerte e le funzioni stabilite dallo standard, migliore è quest ultimo. Maggiori i compromessi, maggiore il costo inutile che dovremo sopportare per funzioni non disponibili. È facile constatare come un motore Porsche non sia adatto a una Polo e viceversa. Se si comparano gli standard precedentemente elencati, si nota immediatamente che la compatibilità e la realizzazione di uno standard di intercambiabilità tra moduli ARM non è possibile se non limitando fortemente le funzioni disponibili. Il modulo Qseven, che prevede 230 pin, dei quali 177 sono segnali, non è in grado di provvedere a 12 tutti i segnali di un Cortex-A9. Connettori addizionali sul modulo potrebbero aiutare, ma non sono stati definiti nello standard e utilizzati in maniera difforme da differenti produttori. Altro esempio è lo slot per schede SD che alcuni produttori offrono integrato sul modulo. Come per i moduli ETX, gli slot a bordo non sono ottimali perché non accessibili una volta integrati a bordo dell apparecchiatura finale. È evidente, a questo punto, come la compatibilità sia seriamente compromessa. L esperienza passata dice che un connettore sul modulo non è la soluzione ideale; basta Fig. 3 - Rappresentazione schematica degli standard vedere il connettore SATA sui moduli ETX 3.0 che limita il posizionamento del modulo sulla board ospite. Ulteriore esempio: lo standard ULP-COM offre 257 pin di segnale su 314 in modo da offrire più segnali di un Cortex-A9. Anche in questo caso, però, lo standard non copre il 100% dei segnali, ad esempio, di un Freescale i.mx6. Un grosso passo avanti è stato comunque intrapreso in direzione di una standardizzazione dei moduli ARM, ma le grandi differenze tra le caratteristiche dei processori disponibili da differenti produttori rendono lo standard COM Express di X86 di uso molto limitato. Uno standard per moduli ARM è possibile solo se limitato a un ristretto numero di segnali. L utilizzo di tutte le funzioni di un Cortex-A9 è possibile solo usando moduli non standard dove i differenti produttori definiscono il formato, il sistema di storage e il sistema dei connettori. Un sistema proprietario ha la libertà e il vantaggio di essere tagliato sulle funzioni specifiche di ogni processore e le dimensioni della board possono essere sensibilmente inferiori al formato definito dallo standard. Le interfacce possono essere largamente disponibili sul sistema connettori. In vista di un lungo utilizzo e ammortamento della piattaforma, un modulo non standard offre la massima libertà all utilizzatore. È con quest ottica che sono stati sviluppati EMBEDDED 46 novembre 2012
i moduli TQ: massime prestazioni e integrazione, disponibilità di tutti i segnali, un sistema di connettori robusti e affidabili e, non ultimo, dimensioni estremamente compatte. Tuttavia, come nel mercato X86, differenti soluzioni di moduli ARM continueranno a esistere per differenti esigenze. Fig. 5 - TQMa28, il modulo ARM 9 più piccolo al mondo Fig. 4 - Tutte le interfacce del processore sono disponibili via connettore Fig. 6 - TQMa53, Modulo Cortex A8 Quattro moduli per tutte le applicazioni L approccio di TQ è quello di offrire moduli di formato ridotto basati su architetture ARM e Power, offrendo il set completo di interfacce del processore tramite il connettore di connessione del modulo. I clienti possono in questo modo beneficiare di una soluzione modulare con la garanzia di reperibilità nel tempo per 15 anni. Per tutti i modelli sono disponibili kit di sviluppo completi che comprendono modulo, carrier board, accessori e tool software: elementi che consentono di iniziare a sviluppare sin dalle prime fasi del progetto. La gamma di moduli TQ è ampia e variegata ma i modelli di punta che coprono la gran parte delle esigenze sono ad oggi quattro. TQMa28 è il più piccolo modulo ARM9 al mondo. È basato su CPU a 450 MHz Freescale i.mx28 e offre il massimo del prestazioni ad un prezzo contenuto. La ricca dotazione a bordo di componenti garantisce adeguate risorse per le applicazioni che hanno considerevoli necessità di stoccaggio dati. Grazie alla versatilità di interfacce, ai consumi e al formato estremamente ridotti, è una soluzione ideale in applicazioni quali HMI, smart metering e sistemi di controllo industriali. TQMa35 è basato su core ARM11 con processore Freescale i.mx35 e frequenza di clock fino a 532 MHz. Offre un rapporto bilanciato tra consumi e prestazioni grafiche, supportando display con risoluzioni fino a SVGA. Come tutti i moduli della gamma, offre il set completo delle interfacce del processore via connettore garantendo, quindi, estrema semplicità nella realizzazione della carrier board. TQMa53 è un modulo ad alte prestazioni grafiche basato su core Cortex A8. È equipaggiato con un processore Freescale i.mx537 che offre un eccezionale rapporto prezzo/prestazioni oltre che dimensioni e consumi estremamente contenuti. Costituisce la soluzione ideale per la produzione di sistemi HMI e controller industriali. Particolare attenzione va posta, infatti, sul controller grafico, che è in grado di supportare display con risoluzioni fino a UXGA ed è ideale anche per applicazioni Multi-Touch. TQMP2020 rappresenta la nuova generazione della nota famiglia di moduli PowerQUICC III. Questo nuovo modulo è basato sulla famiglia di processori Freescale QorIQ P1 e P2, che aprono nuove possibilità applicative in campo industriale e nel campo delle comunicazioni. Offre un ottimale equilibrio tra velocità di elaborazione dei dati, dissipazione elettrica e operabilità in temperature estreme che rendono facilmente possibile l utilizzo in sistemi completamente fanless. Inoltre, grazie alla tecnologia a 45 nanometri impiegata, si ha una riduzione significativa del consumo di energia rispetto al predecessore PowerQUICC III. EMBEDDED 46 novembre 2012 13