Компьютерные модули, называемые также компьютерами на модуле (Computer-on-Module) или системами на модуле (System-on-Module), представляют собой компактный вычислитель, содержащий центральный процессор (ЦП), память, контроллеры периферии и вторичные источники питания. Все периферийные интерфейсы выведены на разъемы в соответствии с общепринятой спецификацией.
Компьютерные модули 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.
Описание преимуществ и выпускаемых НПК АТРОНИК компьютерных модулей в форм-факторах ETX, SMARC, СOM Express представлено в статье «Компьютерные модули НПК АТРОНИК»
Далее будет приведено описание стандарта встраиваемых компьютерных модулей: SMARC и краткое описание модулей НПК АТРОНИК в данном стандарте.
Описание стандарта SMARC
Стандарт SMARC («Smart Mobility ARChitecture») разработан консорциумом SGET в 2013 году. Модули 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. Они также могут быть использованы в различных приложениях, от промышленных автоматизации до медицинского оборудования и транспортных средств
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.
SMARC-модули могут быть построены на базе центральных процессоров с архитектурами ARM, X86 или RISC и поддерживают различные операционные системы, такие как Linux, Windows Embedded и даже QNX.
Модули SMARC являются популярными среди разработчиков встраиваемых систем благодаря своей гибкости, модульности и производительности. Они позволяют сократить время разработки и упростить сопровождение системы, что делает их идеальным выбором для широкого спектра приложений
Модули SMARC имеют стандартизированный форм-фактор и интерфейсы (назначение контактов жестко прописано в спецификации), что позволяет легко заменять модули в системе без необходимости перепроектирования всей системы.
Компьютерные модули SMARC имеют несколько преимуществ по сравнению с другими компьютерными модулями:
1) Компактный размер: SMARC-модули имеют габариты с кредитную карту, что делает их идеальными для использования в ограниченном пространстве. Они часто используются во встраиваемых системах, таких как промышленные компьютеры, медицинские приборы и автоматизированные системы.
2) Масштабируемость: SMARC-модули предоставляют гибкую платформу для разработчиков, позволяя им выбирать модули от разных производителей с различными характеристиками и возможностями, такими как процессор, оперативная память, графика и т. д. Это обеспечивает масштабируемость в разработке продуктов и легкое обновление их при необходимости.
3) Низкое энергопотребление: SMARC-модули обычно имеют низкое энергопотребление, что делает их эффективными для использования в портативных и мобильных устройствах. Они являются идеальным выбором для разработчиков, которые стремятся создать энергоэффективные продукты.
4) Стандартизация: SMARC-модули разработаны на основе открытого стандарта, что обеспечивает совместимость и переносимость. Это позволяет разработчикам использовать SMARC-модули от разных производителей и без проблем комбинировать их с другими компонентами системы.
5) Легкость разработки: SMARC-модули предоставляют готовую платформу, которую разработчики могут использовать для ускорения процесса разработки. Они включают в себя основные компоненты и интерфейсы, такие как Ethernet, USB, HDMI, CAN, PCIe и другие, чтобы обеспечить подключение к периферийным устройствам, что позволяет сосредоточиться на разработке приложения, не занимаясь проектированием базовой аппаратной платформы.
6) Надежность: SMARC-модули обычно производятся производителями промышленных модулей в соответствии с высокими стандартами качества и имеют долгий срок службы. Это делает их надежным выбором для использования в критически важных приложениях, где требуется стабильная работа и минимальные сбои.
Спецификация определяет два размера модуля: 82 мм x 50 мм и 82 мм x 80 мм (рис.1). Основное питание модулей – 5В.
Рисунок 1. Габаритные размеры модулей SMARC
Список обязательных и дополнительных интерфейсов модуля приведен, а таблице 1:
«Обязателен» указывает на обязательное требование
«Рекомендован» указывает на рекомендуемое, но не обязательное требование.
«Может быть» указывает на редко используемый дополнительный интерфейс.
Таблица 1. Список интерфейсов модулей SMARC.
|
Интерфейс |
Описание |
Требование |
Примечание |
| LVDS LCD | 18-битный одноканальный | Рекомендован | Дисплей по умолчанию (последовательный LVDS) |
| 24-битный одноканальный – 18-битный совместимый | Рекомендован | ||
| 24-битный одноканальный – стандартная карта цветов | Может быть | ||
| 24-битный двухканальный – 18-битный совместимый | Может быть | ||
| 24-битный двухканальный – стандартная карта цветов | Может быть | ||
| HDMI | Интерфейс дисплея HDMI | Рекомендован | |
| DP на HDMI выводах | Может быть | ||
| DP++ | DisplayPort++ | Может быть | |
| Camera | CSI0 – 2 линии | Может быть | |
| CSI1 – 2 линии | Рекомендован | ||
| CSI1 – 4 линии | Рекомендован | ||
| SDIO | SDIO (4 бит, для SD карт) | Рекомендован | Может использоваться на несущей плате в качестве загрузочного устройства |
| SPI | SPI0 | Рекомендован | Может использоваться на несущей плате в качестве загрузочного устройства |
| eSPI | Рекомендован | Может использоваться на несущей плате в качестве загрузочного устройства | |
| Audio | I2S0 | Рекомендован | |
| HDA | Рекомендован | ||
| I2C | Управление энергопотреблением | Обязателен | |
| Общее назначение | Обязателен | ||
| Камера | Рекомендован | ||
| LCD дисплей I/D | Рекомендован | ||
| Serial Ports | SER0 (4-проводный) | Обязателен | |
| SER1 (2-проводный) | Обязателен | ||
| SER2 (4-проводный) | Рекомендован | ||
| SER3 (2-проводный) | Рекомендован | ||
| CAN Bus | CAN0 | Может быть | |
| CAN1 | Может быть | ||
| USB | USB0 - как USB 2.0 клиент | Рекомендован | USB0 должен быть реализован |
| USB0 – как OTG | Может быть | ||
| USB0 - как USB 2.0 хост | Может быть | ||
| USB1 – как USB 2.0 хост | Обязателен | ||
| USB[2:5] - как USB 2.0 хост | Может быть | ||
| USBss[2:3] | Может быть | Порядок реализации: первый #2 следующий #3 | |
| USB3 - как USB 3.2 Клиент/OTG | Может быть | ||
| PCIe | PCIE_A (x1 Gen 1 Root) | Рекомендован | |
| PCIE_B (x1 Gen 1 Root) | Может быть | ||
| PCIE_C (x1 Gen 1 Root) | Может быть | ||
| PCIE_D (x1 Gen 1 Root) | Может быть | ||
| PCIE_ Target operation | Может быть | ||
| PCIE Gen 2 and Gen 3 operation | Может быть | ||
| SERDES | Альтернативное использование PCIE_C и/или PCIE_D | Может быть | |
| SATA | SATA Gen 1 | Рекомендован | Может использоваться на несущей плате в качестве загрузочного устройства |
| SATA Gen 2 | Может быть | ||
| SATA Gen 3 | Может быть | ||
| GBE | GBE0 | Рекомендован | |
| GBE1 | Может быть | ||
| IEEE 1588 Триггерные сигналы (GBE[0:1]_SDP) | Может быть | ||
| Watchdog | WDT выход | Рекомендован | |
| GPIO | GPIO[0:11] | Обязателен | |
| GPIO[12:13] | Рекомендован | ||
| GPIO[0:11] возможность прерывания | Обязателен | ||
| GPIO[12:13] возможность прерывания | Рекомендован | ||
| GPIO камеры (только если камера поддерживается) | Обязателен | В зависимости от реализации модуля камеры. | |
| GPIO5 ШИМ | Рекомендован | ||
| GPIO6 вход тахометра | Рекомендован | ||
| Management | Функции управления системой и питанием CARRIER_PWR_ON VIN_PWR_BAD# | Обязателен | |
| Все остальные сигналы | Рекомендован | ||
| Boot Select | Обязателен | ||
| Force Recov | Рекомендован | ||
| JTAG | JTAG разъем на модуле | Может быть | Некоторые производители предпочитают доступ к контрольной точке. |
| RTC | Рекомендован |
Печатные платы модуля имеют 314 контактный краевой разъем, который соединяются с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом типа MXM3 на несущей плате (рис. 2).
Рисунок 2. Компьютерный модуль SMARC c несущей платой.
Разъем MXM3 обычно используется для видеокарт или модулей в форм-факторе SODIMM. Но назначение контактов на Модулях SMARC и графических картах – различные. Контакты модуля SMARC намеренно пронумерованы как P1 – P156 и S1 – S158 с целью отличия модуля SMARC от графического модуля MXM3.
В таблице 2 приведен перечень рекомендованных к использованию разъемов.
Таблица 2. Перечень рекомендованных разъемов для подключения модулей SMARC.
|
Производитель |
Заказной номер |
Расстояние до несущей платы |
Высота разъема |
Цвет |
Примечание |
| Foxconn | AS0B821-S43B - *H | 1.5 мм | 4.3 мм | черный | |
| Foxconn | AS0B821-S43N - *H | 1.5 мм | 4.3 мм | слоновая кость | |
| Foxconn | AS0B826-S43B - *H | 1.5 мм | 4.3 мм | черный | |
| Foxconn | AS0B826-S43N - *H | 1.5 мм | 4.3 мм | слоновая кость | |
| JAE | MM70-314B2-1-R500 | 1.5 мм | 4.3 мм | черный | |
| Aces | 91781-314 2 8-001 | 2.7 мм | 5.2 мм | черный | |
| Foxconn | AS0B821-S55B - *H | 2.7 мм | 5.5 мм | черный | |
| Foxconn | AS0B821-S55N - *H | 2.7 мм | 5.5 мм | слоновая кость | |
| Foxconn | AS0B826-S55B - *H | 2.7 мм | 5.5 мм | черный | |
| Foxconn | AS0B826-S55N - *H | 2.7 мм | 5.5 мм | слоновая кость | |
| Foxconn | AS0B821-S78B - *H | 5.0 мм | 7.8 мм | черный | |
| Foxconn | AS0B821-S78N - *H | 5.0 мм | 7.8 мм | слоновая кость | |
| Foxconn | AS0B826-S78B - *H | 5.0 мм | 7.8 мм | черный | |
| Foxconn | AS0B826-S78N - *H | 5.0 мм | 7.8 мм | слоновая кость | |
| Yamaichi | CN113-314-2001 | 5.0 мм | 7.8 мм | черный | Автомобильное применение |
Обзор модулей SMARC производства НПК АТРОНИК.
Компания НПК "АТРОНИК" разрабатывает и серийно производит спецвычислители (рис.3) для бортовых и наземных систем автоматизации, в том числе в соответствии с требованиями по устойчивости к внешним воздействующим факторам.
Рисунок 3. Примеры продукции НПК АТРОНИК
Разрабатываемые НПК АТРОНИК вычислительные блоки построены по модульному принципу и весьма универсальны. Построение спецвычислителей на базе мезонинных компьютерных модулей в форм-факторах: ETX, COM Express, SMARC и наличие стандартных шин и слотов расширения: miniPCIe, M.2 и т.п. позволяют изменять функционал и производительность в зависимости от сценария применения.
При проектировании модулей и блоков изначально заложены принципы импортонезависимости и долгосрочной доступности продукции на рынке. Основные компоненты, используемые в изделиях разработаны и производятся на заводах в КНР и не имеют никакого отношения к европейским и американским производствам. Диверсифицированы каналы поставок критичных компонентов, с поставщиками заключены долгосрочные договора, подтверждающие беспроблемную поставку как в настоящее время, так и на период до семи лет вперед.
В выпускаемых модулях и блоках применены радиоэлектронные компоненты не специального, а общепромышленного назначения, что обеспечивает огромное количество каналов их поставок. Кроме того:
- трассировка печатных плат и технологические процессы ее изготовления выполнены с учетом возможности их изготовления на территории РФ;
- заложены дублирующие интерфейсы (при работе модулей может использоваться как напаянная Flash память и, при проблемах поставки микросхем памяти может использоваться стандартно выпускаемая множеством компаний внешний модуль памяти);
- собственным программным обеспечением решается задача поддержки открытых и отечественных операционных систем, что обеспечивает нашим изделиям независимость от импортного программного обеспечения. Наличие в АО «НПК «АТРОНИК» команды высококвалифицированных программистов позволяет в сжатые сроки разработать необходимые драйверы для отечественных операционных систем;
- ключевые компетенции по производству модулей и специализированного ПО принадлежат сотрудникам АО «НПК «АТРОНИК».
В настоящее время усилия многих разработчиков встраиваемых процессорных модулей сосредоточены на использовании компонентной базы производства КНР. Многие ведут обновление ЭКБ серийных изделий на компоненты с континентального Китая. НПК «АТРОНИК» не исколючение, в настоящее время инженерные усилия компании сосредоточены на использовании компонентной базы производства КНР.
НПК «АТРОНИК» параллельно с вычислительными модулями на базе ЦП Intel Atom выпускает вычислители на ЦП DM&P Vortex 86DX3, активно ведется внедрение ЦП RockChip RK3568/3588, на которых уже изготовлены компьютерные модули МЦП1502 и МЦП1503. Данные модули уже в текущем году станут вычислительными ядрами в серийных блоках АТРОНИК. Также данные вычислители предлагаются заказчикам, ведущим самостоятельную разработку вычислительных блоков, контроллеров и т.п.
Модули АТРОНИК на ЦП RockChip RK3568J (МЦП1502) и RK3588J (МЦП1503).полностью соответствуют спецификации SMARC 2.1.1 Дублированные коммуникационные интерфейсы (Ethernet, CAN, RS-232/422/485), система коррекции ошибок памяти (ECC), промышленный температурный диапазон эксплуатации обеспечивают эффективное использование модулей в высоконадежных системах управления транспортными средствами.
Встроенный нейросетевой ускоритель и возможность подключения видеокамер высокого разрешения, позволяют использовать его в системах интеллектуальной видеоаналитики и управления беспилотными транспортными средствами.
На рисунках 4 и 5 представлен компьютерные модули МЦП1502 и МЦП1503.
|
|
| Рисунок 4. Модуль МЦП1502 производства АО «НПК «АТРОНИК» | Рисунок 5. Модуль МЦП1503 производства АО «НПК «АТРОНИК» |
Основные отличия модулей МЦП1502 и МЦП1503 приведены в таблице 3.
Таблица 3. Сравнение модулей SMARC МЦП1502 и МЦП1503
|
|
МЦП1502 | МЦП1503 |
| Центральный процессор | RK3568J | RK3588J |
| Объем ОЗУ | DDR4 4 Гб с ECC* | LPDDR4 8/16 Гб |
| Объем ПЗУ (eMMC) | 32 Гб | 64/128 Гб |
| NPU Tops (INT8) | 0,8 | 6 |
| HDMI | v.2.0 | v.2.1 |
| Потребляемая мощность, Вт | 12 | 25 |
| Рабочий температурный диапазон | -40…+85°С | -40…+85°С |
*ECC – ECC-память (англ. error-correcting code memory, память с коррекцией ошибок (автоматически распознаёт и исправляет спонтанно возникшие изменения (ошибки) битов памяти).
Наглядная оценка производительности процессоров RockChip RK3568/3588 по сравнению с другими процессорами для встраиваемых систем (RockChip RK3399pro, NXP IMX8M, NXP iMX6Quad, Intel Atom E3845, Элвис 1892ВА018 (СКИФ), Байкал Электроникс Baikal-M (BE-М1000) показана на рисунке 6.
Рисунок 6. Сравнение производительности процессоров, DMIPS
** DMIPS – анг. Dhrystone MIPS. Стандарт для сравнения производительности разных микроконтроллеров / микропроцессоров в разных наборах команд.
Для задач тестирования, отладки прикладного программного тестирования для модулей МЦП1502 и МЦП1503 НПК Атроник предлагает использовать модуль центрального процессора МЦП905.
Рисунок. 7. Модуль центрального процессора МЦП905
МЦП905 конструктивно состоит из трех элементов (рисунок 7): Компьютерного модуля стандарта SMARC (в центре), несущей платы (вверху) и теплоотводящей пластины (внизу). Отладочный комплект может быть построен на базе МЦП1502 или МЦП1503 и обеспечивает доступ к интерфейсам расположенных на SMARC модулях.
МЦП905 – это высоконадежный промышленный компьютер, выполненный в форм-факторе 3,5”. Дублированные коммуникационные интерфейсы CAN, RS485/422, Ethernet и гибкие возможности расширения с помощью стандартизованных модулей miniPCIe, M.2, ClickBoard позволяют использовать его для решения большинства пользовательских задач. Конструктив МЦП905(не требующий систем активного охлаждения) позволяет применять его без каких-либо доработок в вычислительных устройствах АСУ ТП, системах видеоаналитики, мониторинга и управления транспортными средствами, объектами транспортной и критической информационной инфраструктуры (КИИ).
Примеры блоков на базе модулей SMARC
Как говорилось выше, НПК Атроник поставляет компьютерные модули в разницу, так и использует их в составе серийных и заказных вычислительных блоках.
В настоящее время НПК Атроник применяет модули формата SMARC в следующих вычислителях:
- Блок компьютера ВК02. Применяется в составе микропроцессорных системах управления (МСУ) маневровых тепловозов. Блок предназначен для реализации алгоритмов управления, диагностики силового и вспомогательного оборудования в составе систем управления железнодорожного подвижного состава, а также функции «Автомашинист».
Рисунок. 8. Блок компьютера ВК02
- Блок центрального процессора БЦП01 предназначен для применения в качестве быстродействующего и малопотребляющего бортового компьютера. К его особенностям можно отнести большое количество интерфейсов CAN, возможность обмена по двум каналам Ethernet, вывод графической информации на внешний экран (DVI), непрерывный режим работы в течение не менее 24 часов.
Рисунок. 9. Блок центрального процессора БЦП01
- Биометрический терминал БМТ02. Предназначен для биометрической идентификации по геометрии лица в составе системы контроля и управления доступом СКУД. Терминал имеет влагозащищенное вандалоустойчивое исполнение и расширенный диапазон рабочих температур.
Рисунок. 10. Биометрический терминал БМТ02
- Блок индикации машиниста БИ М12. 12 дюймовый панельный компьютер, предназначенный для вывода графической и звуковой информации, приема и передачи данных в систему управления поездом, отображения видео, поступающего с камер системы видеонаблюдения.
Рисунок. 11. Блок индикации машиниста БИ М12
- Блок индикации машиниста БИ М19. Это 19 дюймовый панельный компьютер, осуществляющий вывода графической и звуковой информации, приема и передачи данных в систему управления поездом.
Рисунок. 12. Блок индикации машиниста БИ М19.
Особенностям блоков БИ М12 и БИ М19 являются:
-развитые коммуникационные возможности (1 x RS-232 с гальванической изоляцией; - 2 x Ethernet 10/100 Мбит/с с гальванической изоляцией; - 4 x CAN2.0B с гальванической изоляцией; - 1 x USB 2.0;)
- очищаемая плоская передняя панель;
- отсутствие вентиляторов и отверстий в корпусе;
- PCAP сенсорный экран на ударопрочном стекле.
Заключение
Преимущества использования SMARC-модулей включают:
1) Гибкость: SMARC-модули обеспечивают возможность выбора подходящего процессора и характеристик для конкретного приложения. Это позволяет оптимизировать систему под требуемые задачи.
2) Компактность: Модули SMARC объединяют множество интерфейсов в одном компактном модуле, что упрощает проектирование и снижает размер системы.
3) Легкость модернизации: Стандартизированный формат и назначение контактов SMARC-модулей облегчают их замену или модификацию, что позволяет быстро адаптировать конечное изделие к новым требованиям или технологиям
4) Возможность масштабирования: SMARC-модули поддерживают различные процессоры и периферийные устройства, что позволяет расширять возможности конечной системы и улучшать ее производительность
В целом, SMARC-модули представляют собой современное и гибкое решение для создания вычислительных систем и устройств, обладающее преимуществами компактности, масштабируемости, энергоэффективности, стандартизации, легкости разработки и надежности. Использование SMARC-модулей может быть полезно во множестве областей, таких как автоматизация, медицина, телекоммуникации, промышленность и другие, где требуется компактный масштабируемый встраиваемый вычислительный модуль.