Введение.
Разработчики вычислительных систем и комплексов сталкиваются со многими трудностями на протяжении всего жизненного цикла разрабатываемой продукции: начиная от выбора архитектуры и компонентов при проектировании и заканчивая модернизацией изделий при длительном серийном выпуске. При этом параллельно обеспечивая соответствие требованиям по производительности и надежности, прохождению испытаний и предугадывая будущие потребности заказчиков.
Поскольку процессоры постоянно совершенствуются, появляются новые стандарты и высокоскоростные последовательные интерфейсы, многие разработчики вычислительных устройств сталкиваются с трудностями при использовании современной компонентной базы. Разработка новой процессорной платы для каждого поколения процессоров и внедрение современных интерфейсов ввода-вывода – это дорогостоящая и трудоемкая задача.
Вариантом решения может быть использование готовых встраиваемых процессорных модулей, например компьютерных модулей (Сomputer on Module (CoM) или System on Module (SoM), одноплатных компьютеров (Single Board Computer (SBC) или материнских плат (Motherboard).
Применение компьютерных модулей предлагает некоторые явные преимущества, например, необходимая производительность и наличие базовых интерфейсов ввода-вывода в компактном форм-факторе. Что еще более важно, компьютерные модули могут помочь разработчикам вычислительных систем сократить время реализации проекта, снизить стоимость разработки, свести к минимуму проектные риски, упростить обновление системы в будущем, обеспечить масштабируемость и увеличить срок службы разрабатываемого изделия.
Проблемы проектирования и обеспечения серийного выпуска промышленного электронного оборудования.
По мере развития вычислительной техники, требования к ней постоянно меняются в сторону увеличения производительности, улучшенной визуализации, поддержки современных накопителей информации и т.п. Таким образом, вычислительные устройства требуют периодического обновления или редизайна без необходимости разработки аналога полностью с нуля. Поэтому при проектировании промышленного вычислительного устройства необходимо обеспечить возможность его масштабирования и обновления.
Помимо требований к производительности и масштабируемости, оборудование, предназначенное для промышленного применения, должно выпускаться в течение длительного срока, как правило от 10лет.
Время выхода на рынок также является важным при разработке вычислительного комплекса или устройства. Сокращение времени разработки плюс время на испытания и сертификацию, также является ключевым фактором при выборе архитектуры и элементов построения системы. При всем этом нужно не забывать об оптимизации финансовых затрат на разработку.
Преимущества модульного построения.
Доступные на рынке встраиваемые процессорные модули построены на базе современных высокопроизводительных процессоров, имеют встроенную поддержку различных интерфейсов ввода-вывода и компактный форм-фактор.
Компьютерные модули (КМ) – хороший выбор для индустриальных применений, особенно где решения на базе стандартных одноплатных встраиваемых компьютеров не эффективны. КМ помещает весь вычислительный узел в модуль малого форм-фактора, который может быть установлен на платах-носителях, содержащих специализированные схемы ввода-вывода и питания (рис.1)
.

Рисунок 1. Структура КМ и платы-носителя.
Все стандартные функции персонального компьютера, такие как графика, Ethernet, звук, оперативная и постоянная память или интерфейсы для ее подключения, параллельный и последовательный порты, порты USB и системные шины (PCIe, PCI, ISA, I2C, SPI, LPC) размещаются в стандартном модуле. Пользователю нужно лишь добавить специально разработанную несущую плату (плату-носитель) для реализации определенных функций. На несущей плате (рис.2) размещаются все интерфейсные разъемы для подключения системы к периферийным устройствам, таким как жесткие диски, дисплеи и т. д.

Рисунок 2. Несущая плата с компьютерным модулем
Имея компактный размер и широкий набор интерфейсов, выводимых через стандартные разъёмы, КМ позволяют совмещать современную компьютерную функциональность, специализированные интерфейсы и функциональность приложения в рамках одной встраиваемой системы. КМ широко применяются как для решения тех задач, которые невозможно эффективно решить с помощью стандартных встраиваемых плат, так и для решения задач обновления технического решения наследственных или устаревших систем.
Практически все преимущества использования КМ лежат в экономической плоскости. Самое главное преимущество – это снижение стоимости и сроков разработки.
Применение КМ может помочь производителям промышленного оборудования реализовать современные требования, сократив затраты и время разработки, необходимые для изменения существующих конструкций и расширения ассортимента продукции. Это справедливо, в частности, для устройств, которым требуется долговечность (жизненный цикл от 10 до 30 лет), а также современные производительность и возможности ввода-вывода.
Большинство компаний не обладают ресурсами по разработке с нуля вычислительного устройства на современных процессорах. Разработка, отладка и поддержка нового одноплатного компьютера для каждого поколения процессоров и современных быстродействующих шин могут быть чрезвычайно дорогостоящими и трудоемкими. На рис. 3 показано сравнение сроков полного и полузаказного проектирования.
При полностью самостоятельной разработке аппаратной части как правило разработчик затрачивает от 12 до 36 месяцев, не считая времени на разработку системного и прикладного программного обеспечения, тестирование, проведение испытаний, сертификацию и т.п.
При выборе готовых встраиваемых систем отпадает необходимость в разработке вычислительного узла. Этап разработки заменяется конфигурированием и разработкой относительно простой несущей платы с временем в 2-3 месяца. В итоге, при использовании компьютерных модулей возможно достичь 2-3х кратного сокращения временных и финансовых затрат.

Рисунок 3. Сравнение подходов при разработке вычислительного устройства
При этом у разработчика появляется возможность использования недоступных ранее технологий и продуктов. Модульность архитектуры позволяет создавать готовые приложения быстро, используя технически сложные компоненты, производимые сторонними поставщиками, являющимися экспертами в своих областях. В итоге разработчик системы может сконцентрироваться на ключевых собственных задачах и на реализации специализированного функционала разрабатываемого устройства.
При использовании КМ разработку аппаратной и программной частей решения можно вести параллельно. В то время, когда инженеры-схемотехники работают над архитектурой и трассировкой платы-носителя, программисты могут отрабатывать прикладное ПО, используя КМ и отладочную плату, предоставляемую производителем КМ специально для таких целей. Как правило, отладочные платы содержат большой набор интерфейсов, через который можно подключить необходимые модули расширения на основе стандартных форм-факторов и смоделировать аппаратную архитектуру системы.
К другим экономическим преимуществам использования КМ относятся возможность построения линейки продукции на базе КМ различной производительности, выбора производителя КМ с наилучшим соотношением цена/качество и другие возможности, актуальные для мелкосерийных производств и узкоспециализированных рынков.
Быстрота вывода продукции на рынок и гибкость при дальнейшей её модернизации являются серьезными преимуществами решений на базе КМ. Однако при принятии решения о начале использования КМ стоит серьёзно задуматься о наличии достаточного опыта и знаний для безошибочной разработки платы-носителя. Если такого опыта немного, лучше заказать разработку платы-носителя у производителя КМ. Если опыта достаточно и есть желание всё сделать самим, то, как минимум, нужно получить детальную консультацию, а ещё лучше, верифицировать у производителя КМ свой дизайн платы-носителя.
Обзор рынка
Мировой рынок КМ неуклонно растет с момента выпуска первого стандарта COM Express в 2005 году. С тех пор КМ нашли применение в самых разных вычислительных приборах и приложениях, особенно тех, которые требуют компактного размера и гибкого подхода для модернизации и адаптации под различные применения. Телекоммуникационное оборудование и аппаратура связи, сетевые устройства, игровые автоматы, устройства промышленной автоматизации и здравоохранения уже много лет назад начали применять КМ для реализации тех. требований к оборудованию. КМ и их масштабируемая архитектура особенно привлекательны для новых высокопроизводительных приложений, таких как искусственный интеллект (ИИ), интернет вещей, машинное зрение (ML), периферийные вычисления и аналитика и другие высокопроизводительные приложения.
Одноплатные компьютеры и материнские платы поставляются такими как есть и ограничены в возможностях адаптации при изменении функционала устройства или при эволюции отраслевых приложений. При этом КМ продолжают развиваться в части расширения производительности и функционала благодаря активному и растущему сообществу специализированных организаций по стандартизации и ведущих поставщиков встраиваемых систем.
По данным международного рейтингового агентства VDC Research VDC (рис. 4), мировой рынок встраиваемых компьютерных модулей начиная с 2020г показывает рост в 12, 4% и к 2025г. достигнет уровня 5,51 млрд. долларов США.

Рисунок 4. Объем продаж (в млн. долл. США) компьютерных модулей за 2018-2023 гг.
Популярность модулей COM Express основана на заложенной в стандарт гибкости, наличия нескольких типов размеров и назначений контактов при использовании общих разъемов и монтажных отверстий. КМ COM Express поддерживают высокоскоростные последовательные интерфейсы, включая PCI-Express Gen 3, 10GbE, USB 3.0, SATA, а также графику высокого разрешения. Альтернативные архитектуры, такие как Qseven и SMARC имеют свои уникальные преимущества, например использование процессоров с архитектурами ARM, x86 и RISC-V (рис. 5).

Рисунок 5. Рынок КМ, сегментированный по форм-факторам (% от общего объема продаж).
Номенклатура компьютерных модулей НПК АТРОНИК
Для компьютерных компьютеров существует множество стандартов и форм-факторов, позволяющих быстро и эффективно создавать решения для тех или иных приложений практически во всех отраслях промышленности, телекоммуникаций, систем безопасности, транспорта, энергетики и др. Далее будут представлены стандарты компьютерных модулей ETX, SMARC, СOM Express, выпускаемых компанией НПК АТРОНИК.
Описание наиболее популярные среди разработчиков и пользователей встраиваемых систем стандартов КМ: ETX, QSeven, SMARC СOM Express и COM-HPC представлено в статье «КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДУЛИ: ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ И ПОПУЛЯРНЫЕ СТАНДАРТЫ» опубликованной в номере: Control Engineering Россия июнь 2022. (страница на сайте журнала: https://controleng.ru/promy-shlenny-e-komp-yutery/computer-on-module-2/ ).
ETX
Исторически спецификация ETX (англ. Embedded Technology eXtended) появилась самой первой, и можно сказать, что с данной спецификации, разработанной компанией Kontron, фактически началась эра КМ.
Главная особенность данной спецификации заключается в наличии шины ISA. Соответственно КМ, производимые по данной спецификации, как правило, выбираются заказчиками тогда, когда им нужна данная шина.
Размер платы составляет 95×114 мм (рис. 6). Все сигналы ввода-вывода, а также полноценная реализация шин ISA и PCI выводятся на четыре низкопрофильных разъема типа HIROSE на нижней стороне платы.

Рисунок 6. Габаритные размеры модулей ETX
Список основных интерфейсов и их распределение по разъёмам Х1...Х4 можно найти в табл. 1.
КМ, производимые согласно спецификации ETX, до сих пор широко распространены при решении задач промышленной автоматизации, визуализации технологических процессов и в других приложениях, где не требуются высокая производительность процессора и наличие широкополосных коммуникационных интерфейсов (рис. 7).

Рисунок 7. Внешний вид модуля МЦП901 стандарта ETX
Компьютерный модуль МЦП901 выполнен в формате ETX на основе чипа Vortex86DX3. Предназначен для создания новых и продления жизненного цикла существующих спецвычислителей, использующих полноценную ISA шину.
SMARC
Стандарт SMARC («Smart Mobility ARChitecture») разработан консорциумом SGET в 2013 году. Модуи стандарта быстро стали очень популярными масштабируемыми строительными блоками, позволяющими разработчикам создавать приложения нового поколения.
Модули SMARC предназначены для создания компактных вычислительных устройств с низким энергопотреблением. Область применения модулей SMARC постоянно расширяется по мере развития технологий Интернета вещей и искусственного интеллекта: от решений по автоматизации производства до обработки изображений, мультимедиа и т.п.
Кроме того, модули SMARC зарекомендовали себя при создании компактных портативных устройств, где энергопотребление не должно превышать нескольких ватт, а вычислительная мощность должна быть особенно высокой
Модули могут быть построены на процессорах с архитектурами ARM, X86 или RISC – аналогичных тем, которые используются во многих привычных устройствах, таких как планшетные компьютеры и смартфоны.
Спецификация определяет два размера модуля: 82 мм x 50 мм и 82 мм x 80 мм (рис.8).

Рисунок 8. Габаритные размеры модулей SMARC
Печатные платы модуля имеют 314 контактный краевой разъем, который соединяются с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом на несущей плате (рис.9).

Рисунок 9. Внешний вид модуля МЦП1502 стандарта SMARC
Компьютерный модуль МЦП1502 соответствующий спецификации SMARC 2.1. Построен на базе процессора RockChip RK3568.
Дублированные коммуникационные интерфейсы: CAN, UART, Ethernet, PCIe обеспечивают эффективное использование модуля в системах управления ответственного назначения. Возможность подключения двух видеокамер высокого разрешения, встроенный ISP, оперативная память с коррекцией ошибок позволяют использовать его для самых ответственных задач на воде, земле и воздухе.
СOM Express
Стандарт COM Express описывает четыре типоразмера КМ, называемые Mini, Compact, Basic и Extended. Все четыре типоразмера имеют перекрывающиеся механические узлы, стандартизированные высоту и теплораспределители (рис. 10).
Модули размера Mini предназначены для компактных мобильных приложений, требующих наличие высокоскоростных интерфейсов, поддержку высококачественную графики в сочетании с длительным временем автономной работы.
К основным характеристикам модулей Mini относятся:
- Размер модуля: 84 мм x 55 мм
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм
- Широкий диапазон входного напряжения питания (4,75-20 В)
- Один 220-контактный разъем (2-й разъем обычно не используется)
Хотя это и не является обязательным требованием, модули Mini часто содержат напаянный Flash-накопитель.
Модули Compact предназначены для мобильных систем и стационарных систем с габаритными ограничениями. К основным характеристикам модулей относятся:
- Размер модуля: 95 мм x 95 мм
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм
- Высота модуля с теплоотводом 18 мм
- Возможность установки одного (или двух сложенных) модулей SO-DIMM с горизонтальным креплением.
- Два 220-контактных разъема.
Модули Basic предназначенs для мобильных систем и стационарных систем с габаритными ограничениями. К основным особенностям модулей Basic относятся:
- Размер модуля: 125 мм x 95 мм.
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм
- Высота модуля с теплоотводом 18 мм
- Возможность установки одного (или двух сложенных) модулей SO-DIMM с горизонтальным креплением.
- Два 220-контактных разъема.
Модули Extended, предназначены для заказных приложений, которым требуется больший объем системной памяти, допустим размер модуля для размещения полноразмерных модулей DIMM,
Ключевые особенности модулей Extended:
- Размер модуля: 155 мм x 110 мм
- Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм
- Высота модуля с теплоотводом 18 мм
- Возможность установки двух полноразмерных модуля памяти DIMM или mini DIMM или 2 модуля SO-DIMM горизонтального или вертикального монтажа.
- Два 220-контактных разъема,.
- Позволяет использовать ЦП с более высокой производительностью, которые не поддерживаются в модулях Compact и Basic.
Габарит Extended не популярен среди серийно-выпускаемых модулей COM Express

Рисунок 10. Габаритные размеры модулей COM Express
Присоединение КМ COM Express к платам-носителям осуществляется через один или два высокоплотных низкопрофильных разъёма со стандартизированным назначением контактов (рис. 11). Наиболее популярны типы «распиновок» с номерами 6, 7 и 10. Причём для каждого типа «распиновки» стандарт COM Express описывает набор обязательных интерфейсов (минимальный набор), и набор дополнительных интерфейсов (максимальный набор).

Рисунок 11. Внешний вид модуля МЦП1301 стандарта COM Express type 10
МЦП1301— компьютерный модуль формата COM Express type 10 на базе процессора Intel Atom E3845.
Предназначен для построения высоконадежных встраиваемых энергоэффективных систем с малыми габаритными размерами.
Основные характеристики модулей стандарта COM Express и описание интерфейсов для популярных типов распиновок контактов приведены в табл. 1.
Табл.1 Основные параметры КМ выпускаемых НПК АТРОНИК
Стандарт | Габаритные размеры, мм | Основное питание, В | Максимальное энергопотребление, Вт | Разъемы соединения с платой носителем | Базовые интерфейсы |
---|---|---|---|---|---|
ETX | 95×114 | 5 | в спецификации не определено |
4 разъёма по 100 контактов типа HIROSE FX8-100S-SV или FX8С-100S-SV5 |
X1: PCI, USB, Audio X2: ISA X3: VGA, LCD, COM1, COM2, IrDA, LPT/Floppy, Mouse/Keyboard X4: IDE 1, IDE 2, Ethernet, I2C и др |
SMARC | 82 x 50 или 82 x 80 | 5 | 15 | 314 контактный краевой разъем типа MXM3 |
4 x Ethernet + 2x PCIe или 2x Ethernet 4x PCIe eSPI/QSPI HDA/2x IІS LVDS 2x24/eDP/MIPI DSI 4x MIPI CSI HDMI & DP++ 1x SATA 6x USB 2.0/2x USB 3.0 14 x GPIO/SDIO 4x SER/CAN 1 x SPI/IІC |
COM Express mini, type 10 | 55 x 84 | 12 | 68 |
1 разъём с 220 контактами типа TE 3-6318490-6 |
4 x PCI Express 8 x USB 2.0 2 x USB 3.0 2 x SATA 1 x LVDS / eDP 1 x DDI/DP 1 x HD Audio 1 x GbEthernet SPI LPC/eSPI IEEE 1588 2 x COM/ 1 x CAN 8 x GPIO |
Примеры использования КМ.
Системы, базирующиеся на КМ, встречаются во многих областях промышленности. Удобство использования платы-носителя и КМ, позволяет применять данное решение практически во всех ответственных приложениях. Например, разработчику нужно совместить собственную шину, давно и широко им используемую, с современным набором интерфейсов ввода-вывода, добавить подсистему хранения данных и подсистему вывода графической информации на консоль оператора. Использование КМ и носителя позволяет создать такое оборудование в рамках существующих конструктивов и систем питания.
Следующий пример иллюстрирует преимущества времени выхода на рынок и масштабируемости, полученные от использования КМ. Как правило, дисплей машиниста (рис. 12) представляет собой 10-дюймовый панельный ПК со степенью защиты IP65 с клавиатурой по периметру для ввода данных и выбора экрана отображения состояния узлов локомотива.

Рисунок 12. Дисплей машиниста БИ05.
Модуль COM Express МЦП1301 был выбран для этого приложения из-за возможности реализации на нем вычислительного ядра, в то время как на основной плате размещались система питания, гальваническая развязка интерфейсов, источник бесперебойного питания и карты памяти. В этом случае дисплей получил модульную конструкцию, которая позволяет использовать его для различных систем локомотивов: отображения информации микропроцессорной системы управления (МСУ) локомотива, системы видеонаблюдения или безопасности. К тому же в дисплее отсутствуют вентиляторы и другие движущиеся механизмы, что повышает надежность и снижает уровень шума.
Модульный подход позволил инженерам НПК АТРОНИК, завершить концептуальный проект и прототипирование в течение 12 недель, что является значительным улучшением по сравнению с обычным графиком в 6-9 месяцев.
За пару лет НПК АТРОНИК разработала пять модификаций дисплеев под разные локомотивы. При этом удалось избежать разработки новой системной платы. Вместо перепроектирования всей материнской платы разработчикам просто нужно было установить новый модуль или изменить внешнюю клавиатуру, чтобы подготовить дисплей к требованиям новых локомотивов.
Следующие фото (рис. 13) наглядно показывает, как использование КМ позволяет повысить надежность изделия путем избавления от необходимости использования проводных соединений.
Базовый набор интерфейсов, расположенный на КМ, подходит для создания практически любого вычислительного устройства.

Рисунок 13. Контроллер на базе КМ МЦП901