Процессорные модули Connect Card® и СonnectCore™ компании Digi International. Процессорный модуль СМ-Х255 компании CompuLab

Рост темпов производства после экономического кризиса 90-х годов предопределил необходимость принятия срочных мер по реновации оборудования.

Серьёзную проблему для машиностроителей представляет отсутствие в стране средств автоматизации отечественного производства, а так же наличие большого парка станков с устаревшими электронными системами управления: программоконтроллеры "МикроДАТ", УПУ ТП и др. Для модернизации программоконтроллеров этих и других типов фирма НТБ разработала процессорный модуль на базе микроконтроллера SAFB-C165-LF, который обладает следующими характеристиками:

• FLASH ПЗУ и статическое ОЗУ по 128 Кб;
• резидентная программа для загрузки программного обеспечения;
• объём памяти пользовательских (технологических) программ 46 или 62 Кб;
• сохранение содержимого FLASH-памяти в течение не менее 10 лет;
• возможность программирования через последовательный порт RS-232;
• сброс при сбоях питания;
• раннее предупреждение о разрядке литиевой батареи;
• таймер Watchdog;
• ток потребления в рабочем режиме - 100 мА;
• напряжение питания - 5 В;
• минимальное напряжение питания - 4,65 В;
• частота кварцевого резонатора - 40 МГц;
• температура эксплуатации - 0...+70 (-45...+85) °С.

Все характеристики и надёжность модуля проверены трёхлетним опытом применения его на шести заводах в самых суровых условиях эксплуатации. Ни один модуль не дал ни одного серьёзного сбоя. Там, где этой суровости не хватало, модуль тестировался в специальных условиях, например, в печах - 24 часа непрерывной работы при температуре 75°C.

Структурная схема модуля показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема модуля

Модуль полностью выполнен методом SMD-монтажа с двухсторонним расположением элементов (рис. 2). Размер платы 90x96x1,5 мм. Высота в сборе с батарейкой - до 21 мм, без батарейки - 13 мм. Электрический контакт обеспечивается двумя штыревыми разъёмами X1 и X2 по 20 точек на разъём. Механическое крепление осуществляется четырьмя винтовыми соединениями через пластиковые вставки по углам платы.

Рис. 2. Топология печатной платы модуля

В состав модуля входят:

• микроконтроллер SAF-C165-LF с тактовой частотой 20 МГц;
• 128 Кб статического ОЗУ TC551001 с низким уровнем энергопотребления для системных данных и технологической программы;
• 128 Кб FLASH ПЗУ AM29F010 для хранения системной программы и копии технологической программы;
• супервизор контроля питания LTC1235;
• трансивер LT1281A для последовательного порта RS-232;
• литиевая батарея габаритов R6/AA для хранения технологической программы в ОЗУ (опционально).

Системная программа хранится во FLASH ПЗУ и, в зависимости от того, как с помощью программного обеспечения (ПО) установлены биты в файле состояния программы пользователя, может автоматически загружаться в процессор при включении питания. Из 128 Кб программа пользователя может занимать 46 или 62 Кб, в зависимости от выбранного в ПО рабочего типа процессора.

Программирование модуля осуществляется через последовательный порт RS-232, при этом в качестве программатора может выступать любой IBM-совместимый компьютер с процессором i386 и выше. Скорость обмена выбирается в ПО и может составлять от 110 до 57600 бит/с.

Для визуального контроля состояния модуля на внешние индикаторы выводятся пять сигналов, которые показывают следующее:

• Питание (зелёный) - подаётся ли напряжение 5 В на модуль;
• Работа (зелёный) - находится ли модуль в состоянии РАБОТА;
• Форсаж (жёлтый) - есть ли форсажи в программе и запрещены или разрешены они;
• Разряд источника (жёлтый) - установлена ли литиевая батарея и достаточно ли её напряжение;
• Ошибка (красный) - находится ли модуль в состоянии ОШИБКА.

Кроме этого, при использовании процессорного модуля в сети с помощью интерфейсной платы PControl, действуют ещё два маленьких индикатора:

• Запись (зелёный) - идёт процесс передачи данных из модуля;
• Чтение (красный) - идёт процесс приёма данных в модуль.

Для работы с модулем в ПО используется язык релейно-контактных схем со следующими типами инструкций: битовые (6 шт.), таймеры и счётчики (6), сравнения (8), логики и перемещения (6), математические (14), управления выполнением программы (12), файловые (2), сдвига и шаговые (9), управления входами/выходами и сообщений (8), специальные (3). 1 Кбайт битовых инструкций выполняется за 1,6 мс, а, например, выполняемая логическая инструкция "И" - за 14,4 мкс.

Все внутренние и внешние (входные/выходные) характеристики полностью соответствуют заявленным характеристикам комплектующих и используются в полной мере.

Данный модуль применяется в контроллерах АСУ PControl производства фирмы НТБ. Также модуль используется с другими контроллерами АСУ, в целях их усовершенствования и модернизации, например:

• МикроДАТ МБ 57.0. Изготовитель г. Киев, Украина.
• PS2000. Изготовитель - VEB NUMERIK iUKARL MARXl. Karl-Marx-Stadt, DDR.
• УПУ-ТП. Изготовитель - НПО "ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА"

В этом случае к модулю поставляется переходная плата на выбранный контроллер для согласования логики работы внутренней шины контроллера и придания процессорному модулю необходимых размеров, чтобы избежать перемонтажа контроллера и внешних цепей. В собранном виде высота конструкции не превышает 25 мм и может быть установлена практически в любой контроллер.

Преимущество первого применения в том, что владельцы оборудования получают более дешевый, по сравнению с импортными, контроллер, не уступающий им ни в чем. ПО модуля выполнено российскими специалистами на русском, естественно, языке. Не следует забывать и о подробном комплекте русской документации, позволяющей легко самообучиться работе с процессорным модулем.

Преимущество второго применения в том, что замена самого уязвимого узла (МикроДАТ) или сразу нескольких узлов (PS, "Пенза") контроллера приводит к резкому улучшению его эксплуатационных характеристик. При этом снятые "родные" модули могут служить ремонтной базой для оставшихся немодернизированных контроллеров.

ПО процессорного режима работает как в режиме На-Связи (on-line) так и в режиме Вне-Связи (off-line) и обеспечивает удобный интерфейс и реализацию всех возможностей модуля. ПО и системная программа модуля поддерживают вышеуказанные контроллеры без каких-либо изменений.

Возможность создания переходных плат для разных контроллеров, а также добавление и в ПО поддержки новых видов контроллеров определяется только экономической целесообразностью.

Услышать слова «встраиваемая система» в разговорах вокруг нас удается весьма редко, а если и удается, то, скорее всего, это разговоры специалистов (или тех, кто считает себя таковыми). Видимо, это как-то связано с особенностями «великого и могучего», потому как на самом-то деле эти «встраиваемые системы» сопровождают нас достаточно давно - первой подобной системой был компьютер, установленный на борту космического корабля «APPOLO 11», всемирно известного по совсем другой причине.

Итак, давайте вспоминать и размышлять. Как утверждают весьма компетентные источники, встраиваемая система (Embedded system) - это специализированная компьютерная система, полностью инкапсулированная в устройство, которым она управляет. Если читатель не против, будем пользоваться далее именно этим определением. Собственно встраиваемые системы можно поделить на два основных типа (сознательно жертвую деталями для подчеркивания сути).

Первый тип - микроконтроллерные системы. Строятся на базе специализированной микросхемы (или нескольких микросхем), выполняют одну-две-три вполне определенные функции. Ярчайший пример - современный телевизор: процессор обработки различных видеоформатов и собственно настройки телевизора, процессор обработки стереозвука, подсистема обработки телетекста. Вроде ничего не забыл?.. Работают они все по заранее заложенной программе (firmware) и перепрограммированию поддаются с большим трудом, а то и не поддаются вовсе. Кроме телевизора можно привести еще массу устройств со встраиваемой системой этого типа - пейджер, сотовый телефон, сканер, стиральная машина. Да в одном инжекторном автомобиле (а в иномарке - тем более) можно насчитать несколько десятков таких устройств - контроллер впрыска, контроллер АBS, контроллер курсовой устойчивости...

Второй тип - микропроцессорные системы. В отличие от систем первого типа, строятся на базе микропроцессоров, применяемых в обычных персональных компьютерах. Даже структура этих систем часто напоминает структуру персоналки. Есть, правда, разница - зачастую встраиваемые системы лишены некоторых деталей, в которых они не нуждаются в силу специфичности решаемой задачи. Согласитесь - цифровому фотоаппарату не зачем иметь мощную видеокарту с 3D-ускорителем. Ну вот, проговорился раньше времени... Ну да ладно, все равно пришлось бы об этом сказать. В чем же основное отличие систем этого типа? Вариантов ответа может быть несколько, но есть пара главных: во-первых, это перепрограммируемые системы. Во-вторых, это более-менее легко перепрограммируемые системы, ибо они программно совместимы с компьютерами, для которых уже написана масса программного обеспечения и на которых это программное обеспечение пишется. Примеры систем этого типа приводить несколько сложнее по причине их меньшей распространенности в обиходе: большинство бытовых DVD-проигрывателей, уже упомянутые цифровые фотоаппараты, автомобильные компьютеры (подчеркиваю - не простейшие маршрутные компьютеры, которые относятся к первому типу, а серьезные компьютеры под управлением Windows Automotive, с GPS, MPEG2 и т. п.), КПК, наладонники и почти все то, что связано с нишей PDA (Personal Digital Assistant), а также разные экзотические устройства типа холодильника с выходом в Internet...

Наибольшее распространение встраиваемые системы второго типа получили в промышленности, ибо их применение снижает время разработки, упрощает обслуживание и прочая, и прочая... Не буду перечислять здесь все преимущества - их можно найти практически в любой литературе на эту тему. Именно по этим причинам современные методы автоматизации немыслимы без использования подобных систем. Естественно, спрос рождает предложение. Что мы и имеем сегодня: немалое количество стандартов на «кирпичики» для создания встраиваемых систем и еще большее количество фирм, выпускающих эти самые «кирпичики». Посудите сами: только в Консорциуме PC/104 (организации, объединяющей фирмы-изготовители плат указанного стандарта) сейчас больше 200 участников. А если взять еще и PC/104Plus, CPCI, VME? Сотни изготовителей, тысячи наименований продукции. И все это для удобства разработчиков рынка встраиваемых систем.

Но закон сохранения энергии еще никто не отменил (хотя были попытки), и за эти преимущества нужно платить. Причем в прямом смысле - зачастую микропроцессорная система дороже микроконтроллерной. И в процессе разработки новой встраиваемой системы приходится решать некое экономическое уравнение. Переменных, входящих в это уравнение, не так много - стоимость разработки устройства на микроконтроллере или покупка готовой микропроцессорной платы, стоимость разработки программного обеспечения или стоимость написания firmware, стоимость обслуживания любой из систем, время ее жизни и возможность ее модернизации в это время. Уравнение получается достаточно сложное, и решается оно далеко неоднозначно. Скажем, кассовые аппараты обычно делают на микроконтроллере, а игровые автоматы - на микропроцессоре. Но бывает и наоборот!

Как вы понимаете, стоимость готовой платы играет далеко не последнюю роль при решении подобного уравнения. А если кроме привлекательной цены в активах этой платы имеется удобная среда разработки программного обеспечения, хорошая техническая поддержка со стороны изготовителя, возможность вносить аппаратные изменения в готовое устройство - выбор будет очевиден. Как вы уже поняли, вот так мягко и незатейливо я пытаюсь перевести разговор именно на микропроцессорные системы. Да что уж там скрывать - на продукцию одного разработчика!

Историческая справка

Компания CompuLab Ltd. (Израиль) была основана в 1992 году и начала свою деятельность с консультаций в области инженерных решений в электронике. В последующие пять лет компания принимает участие в нескольких десятках заказных разработок. Накопленный опыт, деловая активность, изучение рынка и высочайший инженерный потенциал позволили CompuLab Ltd. в достаточно короткие сроки заняться проектированием собственной продукции. В 1997 году компания выпускает собственную разработку - семейство процессорных модулей CORE. К сожалению, несмотря на инновационность технических и инженерных решений, заложенных в первое поколение модулей, архитектура используемого в них процессора (i960) не оправдала надежд разработчиков на широкое внедрение.

Второе поколение модулей увидело свет в 1999 году. Эти модули базировались на процессоре AMD ELAN SC400 (архитектура х86) и назывались 486CORE. На тот момент это были самые маленькие в мире компьютеры. Фантастический успех 486CORE на рынке подтвердил правильность выбранной стратегии. С тех пор семейство модулей CORE неоднократно пополнялось и, смеем надеяться, будет расти и в дальнейшем.

Сочетание большой вычислительной мощности и малых габаритов модулей способствовало быстрому завоеванию рынка встраиваемых систем. Сегодня продукцией компании CompuLab пользуется более 300 фирм в 50 странах мира, а сама компания производит почти 20% продукции этого рынка. Среди основных покупателей этих модулей можно упомянуть таких известных гигантов, как Cisco Systems, Marconi, General Electric, OKI и многих других производителей, не так широко известных в России.

Спектр применений модулей CORE весьма широк: военная и авиационная промышленность, медицинская техника, транспорт, телекоммуникационное оборудование, интеллектуальные сетевые устройства, мини-компьютеры, компьютерная периферия, оборудование для индустрии развлечений...

Техническая справка № 1

Процессорные модули CompuLab Ltd. - это полнофункциональные вычислительные системы с оперативной памятью, встроенными Flash-дисками, контроллером Ethernet, поддержкой стандартной для настольных компьютеров периферии и другими красивыми и полезными мелочами, которые так упрощают жизнь разработчику. Все необходимые для их работы электрические линии выведены на унифицированные компанией разъемы (CAMI - CompuLab"s Aggregated Module Interface) и предназначены для стыковки с соответствующей платой-носителем (обычно формата PC/104). Платы эти могут содержать (а могут и не содержать - об этом позднее) следующие устройства: преобразователь питания, шинные формирователи последовательных портов, шины PC/104 и PC/104 Plus, дополнительный контроллер Ethernet, контроллер PCMCIA и пр. Будучи соединенными вместе, плата-носитель и процессорный модуль образуют компьютер с возможностями, идентичными обычному ПК, но гораздо меньших габаритов.

Искушенный читатель может поглумиться над этими строчками, потому как ничего нового в этом описании нет. А вот сейчас - самое интересное: на платы-носители есть электрическая схема и даже рекомендации по разводке собственных плат-носителей. Ну как? Впечатляет? Достаточно сделать свою плату и поставить в нее готовое вычислительное ядро - и все! Нужен игровой автомат - пожалуйста, нужен бортовой накопитель (в каком-нибудь форм-факторе типа ARINC-429) - пожалуйста! Нет предела совершенству! Кстати, именно так и поступает большая часть заказчиков компании CompuLab.

Все, не буду больше мучить туманными фразами. Последующая часть статьи содержит более подробное описание продукции. Сразу предупреждаю: если вы, уважаемый читатель, уже знакомы с этими платами - не читайте дальше. Цифры и технические термины на английском языке вгоняют в хандру...

Техническая справка № 2

В 2005 году компания изменила наименование своей продукции, поэтому далее будем пользоваться только новыми определениями. Таблица с сайта изготовителя приводится здесь с небольшими сокращениями и комментариями:

1. Кроме указанных опций, все модули имеют в своем составе шину PCI, часы реального времени, интерфейсы жесткого диска и звуковой кодек.
2. Высота модулей указана без радиатора.
3. Производительность замерялась тестом SiSoft Sandra.
4. В таблице приведены данные только на новые и самые популярные модули. Где можно получить более подробную информацию, сообщу позднее.

Таблица. Характеристики вычислительных модулей CompuLab Ltd.

Как вы могли заметить, наряду с более привычной всем архитектурой х86 в списке продукции присутствуют и изделия на процессорах типа RISC. Первоначально данная статья планировалась как обзор СМ-Х255 (модуль СМ-Х270W был анонсирован во время ее написания), поэтому с этой платы и начнем. Сразу хочу внести ясность - версий модуля СМ-Х255 существует две (2.0 и версия 3.0, называемая также «GX»), речь пойдет только о последней.

Структурная схема модуля представлена на рис. 1. Обратите внимание на позиции, отмеченные строчкой «opt». Это как раз и есть заказные позиции («option») в конфигурации процессорной платы, которые могут устанавливаться (или сниматься) по желанию заказчика.

Рис. 1. Структурная схема модуля СМ-Х225

Теперь - обзор основных составляющих этой платы. Думаю, что логично будет начать с процессора. Итак - Intel XScale PXA255. В принципе, только ему можно было посвятить весь номер этого журнала, но так как речь не только о нем, то постараюсь быть кратким:

• Кристалл процессора изготовлен по 0,18-микронной технологии, что обеспечивает низкое энергопотребление при высокой тактовой частоте (400 МГц).
• Процессор совместим с архитектурой ARM v.5TE.
• Intel Media Processing Technology (включая 40-битный аккумулятор и операцию 16-битного умножения) ускоряет декодирование аудио/видеопотоков.
• Кроме собственно вычислителя в состав процессора входит поддержка PCMCIA/Compact Flash, 17 линий ввода/вывода общего назначения (GPIO), часы реального времени (RTC), сторожевой таймер (watchdog), контроллер управления питанием, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер аппаратного сброса (reset controller), графический контроллер с поддержкой ЖК-панелей, в том числе и TFT, три последовательных порта, Bluetooth, IrDA (SIR и FIR), I2C, I2S, AC97, SPI, USB, JTAG, контроллер MMC, два независимых тактовых генератора (32768 Гц и 3,6864 МГц).
• Процессор выпускается для обычного и расширенного температурных диапазонов.

Совсем уж как-то коротко получилось... Тем, кто ожидал большего, советую посмотреть список литературы в конце статьи.

Теперь чуть подробнее об остальных компонентах и характеристиках модуля (рис. 1).

Оперативная память типа SDRAM с 32-разрядной шиной и частотой 100 МГц.

Flash-диски двух типов - NOR и NAND. Первый мегабайт NOR используется для хранения программы-монитора (ARMMON), остальное - для хранения ядра Linux или загрузчика Windows CE. В состав ARMMON входит драйвер поддержки памяти NAND, что позволяет записывать туда файловую систему Linux или образ Windows CE. Оба диска имеют аппаратную защиту от записи (одна из линий разъема CAMI).

Interface Bridge представляет собой микросхему так называемого чипа-компаньона (companion chip), расширяющего возможности процессора. В состав этой микросхемы входят контроллер SDRAM, контроллер шины PCI (версия 2.1, частота 33 МГц), расширение контроллера прерываний, расширение контроллера прямого доступа к памяти, четырехканальный счетчик-таймер, контроллер шины LPC, два дополнительных канала USB (типа Host, 1,5–12 Мбит/с) и еще один последовательный порт.

Про контроллер Ethernet долго распространяться не буду: 10–100 Мбит/с.

Звуковой кодек и контроллер сенсорного экрана (touchscreen) расширяют возможности интерфейса AC97, заложенного в процессор. При установленном кодеке (Crystal CS4299 или UCB1400) у модуля появляется монофонический микрофонный вход, стереофонические линейный вход и выход. Часть микросхемы UCB1400 является контроллером четырехпроводного резистивного сенсорного экрана.

Микросхема Super-I/O. Возможно, специалисты могли бы сейчас снисходительно похлопать меня по плечу, заявив, что бывает и не такое. Возможно. Но, если честно, умел бы писать стихи - написал бы оду CompuLab за красоту инженерных решений. Одно из них - использование контроллеров типа Super-I/O. Это решение применяется во всех модулях, выпускаемых компанией, и сильно облегчает жизнь разработчикам. В данном случае на CM-X255 установлена микросхема IT8711F, поддерживающая следующие устройства: клавиатуру и мышь типа PS/2, параллельный порт (с возможностью подключения накопителя на гибких магнитных дисках) и еще один последовательный порт.

Еще один контроллер RTC (MAX6902) установлен на модуле для учета времени при выключенном процессоре .

Единственный формирователь линии RS-232 для последовательного порта (COM-A) установлен прямо на модуле. Этот порт выполняет роль консольного при работе с ARMMON, его же можно использовать для диагностики и отладки при работе в Linux иWindows CE.

Весьма сухую информацию о габаритах модуля (табл.) можно слегка оживить его фотографией (рис. 2). Два больших 180-контактных разъема на нем и есть упоминавшиеся ранее CAMI.

Рис. 2. Модуль СМ-Х225 - вид снизу

Теперь несколько слов о плате-носителе. Точнее - о платах-носителях, ибо для данного модуля их существует две разновидности. Начнем с меньшей по размерам.

Техническая справка № 3

Плата SB-X255 (старое название ARMBASE). Представляет собой носитель для CM-X255, выполненный в форм-факторе PC/104 (на рис. 3 SB-X255 показана с установленным на нее процессорным модулем). Жаль, что современные средства массовой информации пока не позволяют задействовать все органы чувств...

Cтраница 1

Процессорные модули управляют дисплеями, клавиатурами, устройствами внешней памяти, выполняют расчеты, производят архивацию технологических и системных данных. Управляющие процессорные модули представляют собой контроллеры, реализующие совместно с модулями УСО функции регулирования, последовательного и логического управления.  

Процессорные модули объединяются с несколькими модулями памяти и ввода-вывода. Это позволяет обеспечить необходимую живучесть за счет введения избыточных блоков и гибкость, т.е. возможность компоновки системы с учетом специфики применения. В СП применяется единая система адресации: для всей памяти и устройств ввода-вывода используется единое адресное поле.  

Процессорные модули могут строиться на базе 8 - и 16-разрядных микропроцессоров.  

Если процессорный модуль реализован в виде одной БИС, а схемы памяти и другие блоки реализованы на других БИС комплекта, то такую микропроцессорную систему называют функционально законченным микропроцессором с фиксированной разрядностью. Такой микропроцессор изображен на рис. 13.23. Возможна также ре1лизация процессорного модуля в виде нескольких БИС, при этом сам ЦП выполняемся в виде набора модулей определенной разрядности, а БИС, реализующая устройство управления - отдельно. МПБИС, в котором разрядность самого ЦП зависит от числа используемых арифметическо-логических БИС.  

Поскольку процессорный модуль должен обмениваться данными с определенными ячейками памяти запоминающих устройств или с определенными портами, то для возможности обращаться (адресоваться) к ним, каждая ячейка памяти и каждый порт ввода и вывода имеют свои индивидуальные номера - адреса. При обмене данными процессорный модуль устанавливает двоичный код, соответствующий адресу порта или ячейки памяти на шине адреса ЭВМ.  

При работе процессорный модуль должен обмениваться данными с периферийными модулями и ячейками памяти. Для того чтобы иметь такую возможность, каждые периферийный модуль и ячейка памяти имеют свои индивидуальные номера - адреса. По линии 3 рис. 13.23 производится подача управляющего сигнала на чтение из памяти; по линии 4-запись в память; по линиям / и 2 соответственно чтение и запись из устройства ввода-вывода. Одновременно через внутреннюю управляющую линию в микропроцессоре производится подача управляющих сигналов на РА памяти. В результате или на 16 линиях шины адресов появляется двоичный код, соответствующий адресу ячейки памяти, или на 8 линиях шины младших разрядов РА, соответствующий одному из портов ввода-вывода. Этот код по линиям шины адресов поступает на дешифраторы адреса памяти и адреса устройства ввода - вывода.  

Система содержит процессорный модуль на МП КР580ИК80А со схемами формирования системной тины, к которой подключаются все внешние модули (блок приоритетных прерываний на БИС КР580ВН59, модуль ОЗУ-ПЗУ, модуль параллельного вывода и ввода на БИС К.  

При работе процессорный модуль должен обмениваться данными с периферийными модулями и ячейками памяти. Для того чтобы иметь такую возможность, каждые периферийный модуль и ячейка памяти имеют свои индивидуальные номера - адреса. По линии 3 (см. рис. 16.2) производится подача управляющего сигнала на чтение из памяти; по линии 4 - запись в память; по линиям In 2 - соответственно чтение и запись из устройства ввода-вывода. Одновременно через внутреннюю управляющую линию в микропроцессоре производится подача управляющих сигналов на РА памяти. В результате двоичный код, соответствующий адресу ячейки памяти, появляется или на 16 линиях шины адресов, или на восьми линиях шины младших разрядов РА - соответствующий одному из портов ввода-вывода. Этот код по линиям шины адресов поступает на дешифраторы адреса памяти и адреса устройства ввода-вывода. Одновременно одной из четырех линий шины управления на устройство ввода-вывода или памяти поступает сигнал, разрешающий чтение или запись информации по заданному адресу.  

Какую роль выполняет процессорный модуль.  

АЛУ определяются архитектурой процессорного модуля и микропроцессорной системы в целом. Типичными операциями, выполняемыми АЛУ большинства микропроцессорных систем, являются: СЛОЖЕНИЕ, ВЫЧИТАНИЕ, И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИНВЕРСИЯ, СДВИГ ВПРАВО, СДВИГ ВЛЕВО, ПРИРАЩЕНИЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ, ПРИРАЩЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ.  

В КОМГЛект МПБИГ кроме собственно процессорного модуля и памяти входят вспомогательные периферийные БИС. Схемные решения периферийных БИС таковы, чтз позволяют уменьшить общее число микросхем во всей микропроцессорной системе и тем способствуют снижению ее стоимости. В частности, периферийные устройства берут на себя выполнение части алгоритма функционирования аппаратуры параллельно с процессорным модулем и в результате увеличивают его производительность. Периферийные БИС обычно реализуют те функции, выполнение которых модулем невозможно или неэффективно.  

Часто при построении ЭВМ для связи процессорного модуля с периферийными используется одна группа шин. В этом случае МП обращается к внешним устройствам ввода-вывода как к элементу памяти.  

Процессорный модуль (Processor module) – это разновидность одноплатных компьютеров, относится к встраиваемым компьютерным системам. Представляет собой небольшой модуль, на котором расположены процессор, графический, сетевые и другие необходимые котроллеры, и который может устанавливается на базовую плату различных форм-факторов, как например, ATX или EPIC.

Наша компания поставляет следующие типы процессорных модулей:

Применение процессорных модулей в приборостроении привело к тому, что схемотехника плат упростилась, унифицировалась. Разработчикам стало легче подбирать основу для новых устройств и, следовательно, ускорился выпуск продукции на рынок.

Процессорные модули, благодаря своему многообразию и универсальности, нашли свое применение во многих отраслях:

• производство
• системы автоматизации
• медицина
• военно-промышленный комплекс
• авионика
• энергетика
• тестирование и измерение

Функциональные особенности процессорных модулей

Процессорные модули разделяются по типам ETX, COM-Express, QSeven, SOM, uProcessor и отличаются производительностью, низким энергопотреблением и тепловыделением, так как разработаны для встраиваемых применений, где задачи отвода тепла внутри компактного корпуса являются критичными при выборе типа модуля.

Основным преимуществом систем на процессорных модулях является как раз их модульная конструкция. В целом ряде применений не получается использовать платы стандартных форм-факторов, как например, 3.5” или EPIC, так как размеры платы ограничивают количество поддерживаемых интерфейсов ввода-вывода и не всегда можно вывести все необходимые разъемы на плате. Также со временем платы устаревают и найти подходящее решение к уже существующему корпусу становится очень не просто. Если же использовать процессорный модуль совместно с базовой платой, то здесь вы можете сами выбирать какие разъемы вам необходимо вывести на базовую плату, какого размера должна быть базовая плата и какой процессорный модуль (с каким процессором и чипсетом соответственно) использовать в вашей системе. Если же вы хотите улучшить производительность вашей системы и использовать более новые процессоры, например, то вы просто можете выбрать новый процессорный модуль соответствующего типа и установить его на используемую базовую плату.

Процессорный модуль надежно закрепляется на базовой плате, поэтому системы на основе модульной структуры отлично выдерживают вибрационные нагрузки. Именно этим и обусловлено применение их в военно-промышленном комплексе и авионике, где надежность и работоспособность имеют главенствующее значение.

Встраиваемые решения сегодня требуют не только высокой производительности, но также наличия большого числа портов ввода/вывода в компактном форм-факторе. Малые размеры, надежность, масштабируемость – все это преимущества процессорных модулей. Именно поэтому модульные компьютеры спецификаций COM Express, ETX и Qseven активно применяются на данный момент в различных промышленных и военных системах. Ассортимент компании IPC2U представлен процессорными модулями компаний IEI, ICOP, AXIOMTEK, NEXCOM, ADVANTECH и другими мировыми производителями.

№2 / 2014 / статья 6

Процессорные модули Connect Card® и СonnectCore™ компании Digi International

Александр Самарин (г. Москва)

На основе новой концепции платформ «система-на-модуле» SoM (System-on-Module) можно создавать высокоэффективные, компактные и мобильные решения, предназначенные для широкого спектра приложений. Процессорные платы серий Connect Card® и СonnectCore™ компании Digi International представляют на рынок M2M свою реализацию платформ «система-на-модуле», обеспечивающих новый уровень интеграции и производительности.

Модули SoM, представляют собой готовые и стандартизированные изделия в компактном форм-факторе, уже содержащие процессор, шину данных, память и порты ввода/вывода, широкий набор периферийных интерфейсов, а также дисплейные и мультимедийные интерфейсы. Применение SoM-модулей позволит облегчить и значительно ускорить разработку систем для встроенных приложений. В результате, на создание и оптимизацию собственного встраиваемого приложения специалистами будет уделяться больше внимания, что позволит построить максимально эффективное решение, отвечающее всем системным требованиям. Такой подход позволяет вывести готовую систему на рынок гораздо быстрее, чем при разработке ее с нуля.

Последние годы характеризуются ростом приложений, в которых активно используются мультимедийные функции: графика высокого разрешения и качества, ввод изображения со встроенных видеокамер, обработка видеопотока в реальном времени, интерфейсы сенсорной панели, конвертация и сжатие видео и т.п. Ярким примером такого приложения могут служить, например, автомобильные мультимедийные и навигационные системы, системы обеспечения пассивной безопасности и помощи при парковке автомобиля. В таких системах активно используется ввод информации от нескольких видеокамер, установленных в автомобиле. А для вывода видеоинформации используется несколько дисплеев. Для поддержки таких функций требуется высокопроизводительная и многофункциональная процессорная платформа со встроенными аппаратными ресурсами поддержки графических вычислений и преобразований. Большая часть производительности процессорной платы будет направлена на обеспечение ввода видеоданных, обработки в реальном времени изображений, вывода обработанного изображения и графических параметров на экран дисплеев.

Архитектура процессорных модулей «система-на-модуле»

Одним из ключевых направлений разработок инженеров компании Digi в последнее время стали процессорные модули c архитектурой «система-на-модуле», ориентированные на сегмент рынка M2M (Machine-to-Machine). В ранних разработках компании в процессорных модулях серии SmartCat устанавливались процессоры средней производительности Rabbit 2000, работающие на частоте 22,1 МГц (модуль BL21xx) или же процессоры Rabbit 3000, работающие на частоте до 7,4 МГц (модуль LP35xx). Сектор применения таких модулей – бюджетные терминалы, недорогие промышленные контролеры, HMI-контроллеры, контроллеры в Ethernet-коммутаторах, контроллеры управления узлами беспроводного доступа и т.п.

Компания Digi Int. также предлагает разработчикам готовые варианты решений на базе таких модулей, например, за счет установки на процессорную плату мезонинного дисплейного модуля с кнопочным функциональным полем. Для такой сборки компания предлагает и готовые корпуса.

Процессорные модули на базе SoC-мультимедийных процессоров Freescale

Рассмотрим перспективные разработки процессорных плат производства компании Digi на базе высокопроизводительных мультимедийных процессоров компании Freescale, имеющих архитектуру «система-на-кристалле» (SoC). Основными достоинствами используемых процессоров являются их высокий уровень интеграции, производительность, встроенные коммуникационные порты, наличие интегрированных функций поддержки графики, мультимедиа, низкое энергопотребление, а также поддержка множества программных платформ. Компания Digi разработала несколько серий компактных процессорных плат Connect Card® и ConnectCore™, обеспечивающих различную производительность и набор встроенных портов.

Рассмотрим три базовых варианта процессорных плат, которые отличаютсяв первую очередь структурой мультимедийного и дисплейного блока. Так модули Connect Card® i.MX28 имеют всего один параллельный порт для подключения модуля TFT ЖК-дисплея, модуль ConnectCore™ 53 – два отдельных дисплейных порта с различными типами дисплейных интерфейсов, а плата ConnectCore™ 6 обеспечивает подключение до четырех независимых дисплеев.

В таблице 1 представлены базовые характеристики процессорных плат Digi, выпускаемых в настоящее время.

Таблица 1. Основные характеристики процессорных плат Connect Card® и ConnectCore™

Особенность модуля i.MX6 – на плате нет коннекторов. За счет этого удалось значительно сократить габаритные размеры модуля. Более подробно особенности реализации мультимедийных и дисплейных модулей в структуре процессорных плат серий Connect Card® и ConnectCore™ будет рассмотрены ниже.

Структура процессорного модуля i.MX28

Это бюджетный вариант процессорной платы со средней производительностью для приложений, где требуется в первую очередь малое потребление при большой функциональности. На рисунке 1 приведена структура процессорной платы Connect Card® i.MX28.

На рисунке 2 приведена схема расположения базовых элементов на плате процессорного модуля Connect Card® i.MX28.

Интерфейс с ЖК-дисплеем

На плате Connect Card® i.MX28, помимо краевого PCI-печатного коннектора установлен отдельный интерфейсный разъем для подключения ЖК-дисплея. Интерфейс обеспечивает подключение ЖК-дисплеев с различными типами дисплейных интерфейсов и имеющих различные размеры и разрешения экрана, от простых мультиплексных и монохромных алфавитно-цифровых модулей до TFT ЖК-панелей формата WVGA, с шинами данных шириной 16/18/24 разряда. Интерфейс обеспечивает передачу данных для отображения на экране дисплея реального видео в RGB-режиме. Максимальное разрешение TFT-ЖК-дисплея 800х480 (WVGA). Частота обновления – до 60 Гц. Режимы – RGB/DOTCK/SYSTEM. Также аппаратно обеспечивается конверсия цветов, масштабирование и поворот изображения.

Реализация интерфейса с ЖК-дисплеем

ЖК-дисплей подключается к 31-контактному ZIF-коннектору, установленному на верхней стороне модуля. В отладочном наборе используется кабель компании NICOMATIC (обозначение 050P331K0076-406406). По умолчанию в отладочной плате используется интерфейс ЖК-дисплея с 18-разрядной шиной (6 разрядов на один цвет). Можно использовать и 24-разрядный режим кодирования цветов, однако в этом случае будет отключена функция JTAG-интерфейса, сигналы которого также выведены на этот же разъем. Интерфейс сенсорной панели поддерживается посредством использования LRADC2-5. Для интерфейса с контроллером сенсорной панели можно задействовать один из SPI-портов. В отладочной плате используется порт SSP1. ШИМ-сигналы PWM0, 1, 3, 4, 5 и 6 могут использоваться для управления яркостью подсветки (в отладочной плате используется сигнал PWM0).На модуле в качестве дисплейного разъема используется FCI 10106814-051002LF.

Модули i.MX28 находят применение в медицине и здравоохранении, транспорте, применяются для управления энергораспределем, используются в промышленной автоматизации.

Отладочный набор для процессорного модуля i.MX28

Для ускорения отладки пользовательского ПО можно использовать отладочные наборы, разработанные компанией Digi. На рисунке 3 показан внешний вид такой отладочной платы с указанием размещения интерфейсных разъемов, в частности, разъемов дисплея и сенсорной панели.

Архитектура процессорного модуля ConnectCore™ i.MX53

Процессорный модуль ConnectCore™ i.MX53 является дальнейшей модификацией модуля предыдущего поколения ConnectCore™ i.MX51 и обладает по сравнению с ним существенно лучшей производительностью и функциональностью. В первую очередь это обеспечивается применяемым в модуле новым процессором i.MX53, разработанным компанией Freescale.

Основные различия процессоров i.MX51 и i.MX53

Процессор i.MX53 является более производительным клоном i.MX51. При миграции от i.MX51 к i.MX53 обеспечивается полная совместимость. Увеличена производительность процессора, уменьшено энергопотребление, расширены мультимедийные функции, увеличена частота процессора, скорость обмена по шине памяти, расширен объем адресуемой памяти. Вместо видеокодека HD720p30, используемого в i.MX51 51, в процессоре i.MX53 применяется видеокодек HD1080p, обеспечивающий более высокое разрешение. Также значительно увеличена производительность модуля ускорения 2D/3D-графики. В модуле интерфейса дисплея максимальное разрешение в i.MX53 увеличено до формата UXGA (1600×1200) 60 Гц. Вместо компонентного аналогового видеоинтерфейса HD720/60 Гц в i.MX53 используется интерфейс VGA HD1080p60. В процессоре i.MX53 в модуле дисплейного контроллера дополнительно введен внутренний бридж LVDS-интерфейса. Для реализации LVDS-интерфейса в устройствах на процессоре i.MX51 требуется установка внешнего LVDS-бриджа. Все это в целом должно способствовать увеличению эффективности применения процессорных модулей ConnectCore i.MX53 вместо i.MX51. На рисунке 4 показан внешний вид процессорного модуля ConnectCore™ i.MX53 со стороны установки процессора и других базовых компонентов. Коннекторы для подключения периферийных узлов расположены с другой стороны платы.

В структуре ConnectCore™ i.MX53 используется мультимедийный процессор Freescale i.MX535 нового поколения с высокопроизводительным ядром 1,2 ГГц Cortex-A8. Процессор имеет встроенный кодек видео 1080p/720p и полный набор периферийных интерфейсов. На плате реализованы проводные и беспроводные интерфейсы, две шины CAN. ConnectCore™ i.MX53 просты в интеграции благодаря наличию ключевых функций, таких как встроенное управление энергопотреблением, поддержка мультимедиа, включая аппаратное декодирование видео 1080p, 2D/3D-ускоритель, возможность управления двумя дисплеями высокого разрешения, захват видео с камеры, аппаратное шифрование, беспроводной 802.11a/b/g/n Wi-Fi-интерфейс со скоростью передачи данных до 150 Мбит/с, Bluetooth 4.0, два порта Ethernet (каждый со своим MAC), две шины CAN, возможность подключения устройств по SATA II и полный набор периферии. На рисунке 5 показана структура процессорной платы ConnectCore™ i.MX53.

Модули ConnectCore™ i.MX53 выпускаются в двух вариантах: с коммерческим температурным диапазоном -20…70°C и с промышленным температурным диапазоном -40…85°С.

Мультимедийные интерфейсы ConnectCore™ iMX53

На рисунке 6 показана схема подключения мультимедийных устройств к процессорной плате дисплеев, видеокамер, сенсорной панели экрана, аудиосистем.

Дисплейные интерфейсы

На процессорной плате физически реализовано пять дисплейных интерфейсов различных типов, посредством которых возможно подключение до пяти дисплеев. Однако активными могут быть одновременно только два из них. Суммарная пропускная способность всех интерфейсов – до 180 Mbps при 24 бит на пиксель.

Состав дисплейных интерфейсов:

• два параллельных 24-разрядных дисплейных порта с пропускной способностью до 165 Mbps (UXGA@60 Гц);
• два LVDS-последовательных порта. 1 порт до 165 Mbps (HDMI) или 2 порта (WXGA@60 Гц) каждый;
• один TV-out/VGA-порт с пропускной способностью до 150 Mbps (1080p при 60 Гц).

Один из дисплеев может использовать сенсорную панель.

В мультимедийном модуле процессора i.MX53 реализован интерфейс четырехпроводной резистивной сенсорной панели с тактильным пером. Управление контроллером сенсорной панели может осуществляться через один из портов SPI. Мультимедийный модуль имеет также два параллельных интерфейса для подключения видеокамер.

Дисплейные интерфейсы распределены по контактам двух 180-контактных коннекторов следующим образом:

• Коннектор J1
  1. сигналы интерфейсов подключения двух видеокамер;
  2. LVDS дисплейного интерфейса;
  3. VGA-интерфейс.
• Коннектор J2
  1. параллельный RGB-интерфейс/сигналы HDMI;
  2. сигналы VGA-аналогового интерфейса.

Процессорный модуль Connect Core™ i.MX53 DIGI International может быть использован в медицинских приборах, системах безопасности и видеонаблюдения, кассовых терминалах, HMI-контроллерах промышленной автоматики, а также в мультимедийных устройствах.

Отладочная плата ConnectCore™ i.MX53

Компания Digi International выпускает для своего процессорного модуля ConnectCore™ i.MX53 комплект разработчика на базе операционной системы Android. Полный и недорогой отладочный набор JumpStart Kits содержит необходмый инструментарий для поддержки платформ Digi Embedded Linux, Timesys LinuxLink, Android Microsoft, Windows Embedded Compact 7. На рисунке 7 показан внешний вид отладочной платы.

Недорогие, включающие в себя все необходимое, отладочные комплекты Digi JumpStart Kits с Linux, Android и Windows Embedded Compact 7 и полным набором BSP позволяют быстро и профессионально разработать и вывести на рынок свой продукт.

Для освоения встраиваемого модуля CC-Wi-MX51 доступны отладочные комплекты:

• CC-WMX53-CE – JumpStart Kit для Microsoft Windows Compact 7;
• CC-WMX53-LX – JumpStart Kit для Digi Embedded Linux;
• CC-WMX53-ANDRD – JumpStart Kit для ANDROID.

Процессорные модули серии ConnectCore™ 6

Особенностью новых процессорных мультимедийных модулей серии ConnectCore™ 6 является применение многоядерного мощного мультимедийного процессора Freescale, обеспечивающего сверхвысокую производительность, необходимую при работе с несколькими видеопотоками. На модулях может устанавливаться процессор ARM Cortex A9 с количеством ядер 1…4 с рабочей частотой до 1,2 ГГц каждое. Модуль снабжен мультиканальным HD-видеокодеком с возможностью 1080p60-декодирования, 1080p30-кодирования и проигрывания 3D-HD-видео. В модуле реализован режим с поддержкой стереоскопических камер.

Модуль опционально будет содержать сертифицированные WLAN 802.11a/b/g/n и Bluetooth-4.0-радио, интегрированный микроконтроллер Freescale Cortex M0+ и высокоэффективную PMIC для управления энергопотреблением. На рисунке 8 показана структура процессорной платы Connect Core™ 6.

Процессор изготовлен по технологическим нормам 40 нм. Питание ядра процессора – 1,1 В.

Модули серии доступны в трех исполнениях рабочего температурного диапазона:

• индустриальный диапазон – -40…85°C;
• расширенный коммерческий – -20…105°C;
• коммерческий – 0…95°C.

В таблице 2 приведены параметры мультимедийного блока для различных исполнений процессора (числа ядер).

Таблица 2. Параметры мультимедийного блока для различных вариантов процессора i.MX6

Программная часть будет включать Linux (Yocto Linux), Android и Microsoft Windows Embedded.

Дисплейные интерфейсы

Так же, как и в структуре i.MX53, реализованы пять дисплейных интерфейсов. Общая полоса пропускания всех интерфейсов повышена до 450 Mbps при 24 bpp. Подключить можно сразу пять дисплеев. В структуре ConnectCore™ 6 могут быть активными одновременно до четырех подключенных дисплеев.

Дисплейный интерфейс состоит из:

• одного параллельного 24-разрядного порта с полосой до 225 Mbps (например, WUXGA при 60 Гц) или двух параллельных портов (HD1080 и WXGA/60 Гц);
• последовательных LVDS-портов - одного с полосой 165 Mbps или двух с полосами по 85 Mbps (например, WUXGA/60 Гц);
• HDMI-1.4-порта
• MIPI/DSI с двумя линиями по 1 Гбит/с.

Порты видеокамер

Для подключения видеокамер используются следующие порты:

• параллельный порт (разрядность шины до 20 бит с полосой до 240 МГц);
• MIPI CSI-2-последовательный порт камеры с полосой до 1000 Mbps/канал в 1/2/3-канальных режимах, или же с полосой 800 Mbps/канал в 4-канальном режиме.

На рисунке 9 показана схема подключения видеокамер к процессорной плате i.MXSolo.

Основной особенностью конструкции модуля ConnectCore™ 6 является отсутствие разъемов. Модуль имеет конструкцию выводов для поверхностного монтажа по технологии LGA. При поверхностном монтаже по технологии LGA вместо шариков используются плоские контактные площадки из позолоченного никеля (NiAu). Такие площадки имеются как на модуле, так и на печатной плате. Контактные площадки модуля и платы располагаются точно друг напротив друга, и между этими двумя поверхностями наносится ровным слоем паяльная паста. Нагрев производится в печи для оплавления припоя. Результатом является плоское, но широкое паяное соединение. На рисунке 10 показана конструкция модуля i.MX6.

На пользовательской плате размещается соответствующий данному применению набор коннекторов и дополнительных компонентов. Пользователь сам выбирает тип используемых разъемов. В качестве примера на рисунке 11 показан вариант реализации такой платы (отладочная плата). В данном примере для подключения дисплея используется LVDS-порт и 30-контактная розетка под плоский кабель. Дополнительный дисплей может быть подключен через порт LVDS2. На отладочной плате для этого подключения используется однорядный 14-контактный разъем типа DF14-20. Дисплей высокого разрешения может подключаться через стандартный HDMI-коннектор, также установленный на плате. На рисунках 11…12 показаны схемы размещения коннекторов на передней и задней сторонах печатной платы модуля.

На обратной стороне отладочной платы смонтированы разъемы дисплейного параллельного порта, подключения камер MIPI и параллельный CAM1.

Области применения процессорного модуля ConnectCore™ i.MX6:

• транспорт;
• устройства промышленной автоматики;
• медицинские электронные приборы.

ConnectCore™ 6 i.MX6 будет доступен для заказа со второго квартала 2014 года.

Заключение

В портфолио компании Digi International имеется широкий набор компактных модульных решений, подходящих для эффективных применений в различных секторах приложений. Среди них можно выбрать подходящую платформу, соответствующую бюджету и функциональности. Использование модулей серий Connect Card® или ConnectCore™ позволит разработчикам уменьшить затраты на разработку и сократить сроки вывода изделий на рынок. Среди возможных приложений для процессорных модулей Connect Card® или ConnectCore™ следует отметить мобильные устройства со сверхнизким потреблением, человеко-машинные интерфейсы (HMI), портативные медицинские приборы. Кроме того, эти решения найдут применение в портативных измерительных приборах, торговых кассовых аппаратах, промышленной автоматизации и медицинской технике.

Литература

1. ConnectCore™ for i.MX53™ Hardware Reference.Digi International 2013
2. Your M2M Expert Andreas Maeser DiGi. Seminar Saint Petersburg
3. i.MX 6Dual/6Quad Automotive and Infotainment Applications Processors. Freescale Semiconductor
4. Rabbit SBC LP3500 Series Single-Board Computer. Digi International 2013
5. СonnectCore 6 Overview.Preliminary. Digi International 2014
6. ConnectCore 6 Preliminary Product Brief. Digi International 2013
7. Architectural Differences Between i.MX51 and i.MX53. Freescale Semiconductor. Application Note AN4271. 2011
8. Технология поверхностного монтажа для M2M-решений. Рональдо Робл. Компоненты и Технологии №3/2009 г.