ARM versus x86 in der Embedded-Welt

Erste ARM-i.MX8-CPUs auf SMARC 2.0 und Qseven

| Autor / Redakteur: Margit Kuther / Rainer Graefen

MSC SM2S-IMX8M: SMARC-2.0-Modul für NXP-Dual- bzw. Quadcore i.MX8M ARM Cortex-A53
MSC SM2S-IMX8M: SMARC-2.0-Modul für NXP-Dual- bzw. Quadcore i.MX8M ARM Cortex-A53 (Bild: MSC Technologies)

Die neue ARM-Technologie ist einsatzbereit. Zeitgleich zur Markteinführung der i.MX8-CPU-Familie von NXP präsentiert MSC sein erstes SMARC-2.0-Modul mit echtzeitfähigem i.MX8M-Prozessor auf der embedded world.

Wie schon in der Vergangenheit, zeigt sich auch bei der Markteinführung der i.MX8-Prozessortechnologie der Vorteil vordefinierter Embedded-Module, die aktuelle PC-Funktionalität bereits integrieren. Damit können Entwickler im Vergleich zu einem Full Custom Design deutlich Entwicklungskosten und Zeit einsparen. Für die Kosteneffizienz spielt zudem die Skalierbarkeit der Leistung eine Schlüsselrolle.

Die modularen Computer-on-Module (CoMs) müssen in Industrieanwendungen zuverlässig im 24/7-Betrieb laufen und standardmäßig über ausgefeilte Sicherheitsfunktionen verfügen. Auch Projekte mit mittleren Stückzahlen können die neue ARM-Prozessortechnologie sofort einsetzen. Das Modul wird einfach auf ein Baseboard gesteckt, auf dem alle anwendungsspezifischen Funktionen realisiert sind. Für ein gewünschtes Update bzw. Upgrade des Systems, z. B. bei einer neuen Prozessorgeneration, lässt sich das Modul einfach austauschen.

Die neue i.MX8-Technologie von NXP baut auf dem sehr populären Vorgängertyp i.MX6 auf, der zum Beispiel in Entertainment- und Navigationssystemen weit verbreitet ist und sicherlich auch in den nächsten Jahren weiter zum Einsatz kommt.

i.MX8-Technologie erobert traditionelle x86-Märkte

Die leistungsfähigen 64-Bit-Prozessoren eröffnen neue Marktsegmente, die bislang traditionell mit x86-Technologie bedient wurden. ARM-basierende Lösungen zeichnen sich vor allem durch ihre geringe Verlustleistung aus. Bei vergleichbarer Performance verbrauchen die ARM-Prozessoren nur etwa 70 bis 80 Prozent der Verlustleistung von x86-Bauteilen. Darüber hinaus konnte die ARM-Technologie in der Vergangenheit mit einer langen Verfügbarkeit der Produkte punkten.

Dieser langjährige Vorteil wurde durch Intel mit der Einführung der Embedded Roadmap relativiert. Prozessoren der Embedded Roadmap sind nicht mehr nur sieben Jahre, sondern jetzt fünfzehn Jahre lang ab Produkteinführung lieferbar. Damit sind jetzt x86 und ARM bestens geeignet für Embedded-Anwendungen, die eine sehr lange Verfügbarkeit der Hardware benötigen, beispielsweise in der Medizin- und Eisenbahntechnik oder im Anlagenbau.

Ein Manko für den Einsatz der ARM-Technologie war bislang die fehlende Unterstützung des Betriebssystems Windows 10. Doch mit der Einführung von Windows 10 IoT Core ist hier bereits eine Lösung in Sicht.

Steigende Nachfrage nach ARM-Computer-on-Modules

Die Experten sind sich einig: In Zukunft wird die Nachfrage nach Computer-on-Modulen mit ARM-Prozessoren weiter wachsen, da sie sich besonders für Embedded-Anwendungen mit hoher Energieeffizienz eignen und damit neue Märkte für CoM-basierende Systeme erschließen. Angeboten wird die ARM-Prozessortechnologie vor allem auf den kompakten Modulstandards Qseven und SMARC 2.0.

Beide Spezifikationen werden von der SGeT (Standardization Group for embedded Technologies) definiert und verwaltet. Alle führenden Embedded-Unternehmen sind Mitglied bei der SGeT und beteiligen sich in den Standardization Development Teams (SDTs) aktiv an der Standardisierung von Embedded-Modulen. Qseven kommt ursprünglich aus der x86-Welt und bietet 230 Anschlüsse.

SMARC 2.0, für mobile Anwendungen mit ARM/RISC- und x86-CPUs

Bild 1: Blockschaltbild der i.MX8M-Prozessorfamilie
Bild 1: Blockschaltbild der i.MX8M-Prozessorfamilie (Bild: NXP)

Vor zwei Jahren haben einige Hardware-Hersteller die ersten Module im neu definierten SMARC-2.0-Standard (Smart Mobility ARChitecture) vorgestellt. SMARC 2.0 ist besonders gut für Anwendungen geeignet, bei denen es auf geringe Abmessungen und niedrigen Stromverbrauch ankommt. Der Standard ist gleichermaßen für ARM/RISC- und x86-Prozessoren ausgelegt. Das Pinout von SMARC 2.0 wurde gegenüber der Vorgängerversion dahingehend optimiert.

Der SMARC-Standard sieht die zwei verschiedene Modulgrößen 82 mm x 50 mm und 82 mm x 80 mm vor. Der kleine Formfaktor bietet genug Platz für einen Intel-Atom- oder NXP-i.MX6-Prozessor, der lediglich noch einige DRAMs und einen Flash-Baustein benötigt. Sollen jedoch neben Ethernet noch weitere periphere Funktionen wie WLAN, Bluetooth oder SATA-SSD-Speicher realisiert werden, wird der Platz auf dem größeren Format benötigt.

Der MXM-3-Stecker kann mit seinen 314 Anschlüssen die Anforderungen vielfältiger Anwendungen in der Industrie erfüllen. Eine größere Zahl reservierter Pins kann zukünftig bei Bedarf für die Ergänzung durch weitere Schnittstellen verwendet werden. Neu ist ein zweites LVDS Interface, das zusammen mit dem ersten LVDS die TFT-Ansteuerung mit bis zu Full-HD-Auflösung ermöglicht oder aber den Betrieb von zwei verschiedenen Displays erlaubt.

Eine alternative Belegung der LVDS Ports mit DSI oder Embedded-DisplayPort (eDP) ist im Standard bereits vorgesehen. Der HDMI Port wird um die Signale für DisplayPort erweitert und bietet dadurch einen kombinierten HDMI/DP-Anschluss an. Zur Ansteuerung von zwei unabhängigen Netzwerken, z. B. in IoT-Gateways, stehen zwei Gigabit Ethernet Ports zur Verfügung. Auch sind Trigger-Signale für beide Ethernet Ports hinzugekommen, die die LAN-Schnittstellen Echtzeit-fähig nach IEEE1588 machen können. SMARC 2.0 weist bis zu vier PCIe-Schnittstellen und bis zu 6 USB 2.0 Ports auf, zuzüglich zweier USB 3.0 Ports. Daneben gibt es zwei USB Ports, die optional auch Client-Funktionalität unterstützen.

SMARC-2.0-Modul mit NXP-CPU i.MX8M ARM Cortex-A53

MSC Technologies, der Technologie-Brand von Avnet Integrated Solutions, führt mit der Unterstützung der i.MX8-Prozessoren auf SMARC 2.0- und Qseven-Modulen den enormen Erfolg seiner NXP-i.MX6-basierenden Low-Power-Produkte weiter fort. Als erstes Produkt wird das SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX8M vorgestellt, das den aktuellen 64-Bit-Dual- beziehungsweise Quadcore-Prozessor i.MX8M ARM Cortex-A53 von NXP integriert.

Die leistungsfähige Baugruppe zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch von 3 – 6 W bei gleichzeitig hoher Rechen- und Grafikleistung aus. Der Hersteller wird die komplette i.MX8-Prozessorfamilie bestehend aus den Varianten i.MX8QuadMax mit höchster Leistung, i.MX8M und i.MX8X auf dem Formfaktor SMARC 2.0 und den i.MX8-QuadMax auf Qseven unterstützen. Die performanten Module sind für den vollen industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C ausgelegt.

Das neue Modul MSC SM2S-IMX8M kombiniert den i.MX8M-Prozessor mit bis zu 1,5 GHz, einen SoC-Chipsatz, den Real Time-Prozessor ARM Cortex-M4 und die Vivante GC7000Lite 3D Graphics GPU. Dank ausgezeichneter Audio-, Voice- und Video-Technologie eignet sich das Board u.a. für industrielle Automatisierungs- und Visualisierungssysteme, Infotainment-Anwendungen in Fahrzeugen, Zugangskontrollen und die Gebäudeautomatisierung.

Mit seinen Abmessungen 82 mm x 50 mm bietet das kompakte Modul bis zu 4 GByte LPDDR4 SDRAM und bis zu 64 GByte eMMC Flash Memory zur Programm- und Datenspeicherung. Die breite Auswahl an gängigen Schnittstellen umfasst Gigabit Ethernet, USB 3.0 und USB 2.0, PCI Express Gen.2, UART, SPI und I²C Audio. Optional sind CAN sowie ein on-board Wireless-Modul verfügbar.

Zwei MIPI-CSI-2-Schnittstellen können als Kameraeingang verwendet werden. An den Grafikschnittstellen HDMI 2.0 und Dual-Channel LVDS lassen sich bis zu zwei unabhängige Displays mit hoher Auflösung anschließen. Der LVDS-Anschluss mit bis zu 1920 x 1080 Pixeln kann in zwei separate Kanäle aufgeteilt werden. Damit wäre sogar die Ansteuerung von bis zu drei Anzeigen verschiedenen Inhalts möglich. Alternativ zu HDMI 2.0 kann eine DisplayPort-1.3a-Schnittstelle von 4096 x 2160 Pixeln unterstützt werden.

SMARC-2.0-Familie MSC SM2S-IMX6 mit NXP-i.MX6-CPUs auch in Zukunft erhältlich

Parallel zum i.MX8-Modul wird MSC Technologies seine erfolgreiche SMARC-2.0-Modulfamilie MSC SM2S-IMX6 mit NXP-i.MX6-CPUs auch in Zukunft unterstützen und weiter ausbauen. Das Modul integriert Quad-, Dual- und Singlecore ARM Cortex-A9-Prozessoren i.MX6 und die Plus-Prozessoren von NXP.

Auf der Baugruppe mit den Maßen 82 mm x 50 mm sind bis zu 4 GB DRAM und bis zu 64 GB eMMC Flash vorhanden. Zur Evaluierung und schnellen Inbetriebnahme des Moduls MSC SM2S-IMX8M ist von MSC Technologies die Entwicklungsplattform MSC SM2-MB-EP1 im Mini-ITX-Format und ein komplettes Starter Kit lieferbar. Zudem stehen ein Linux- und auf Anfrage ein Android-Board-Support-Package zur Verfügung.

Hinweis: Dieser Beitrag ist im Original zunächst auf dem Partnerportal „Elektronik Praxis“ erschienen.

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