Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Standardizace urychluje vývoj vestavných systémů s procesory ARM

Nejnovější generace procesorů ARM díky velkému výpočetnímu potenciálu a mimořádně nízké spotřebě vzbuzuje pozornost i v oblasti vestavné výpočetní techniky pro automatizaci. Zvláště to platí pro zařízení, kde je jedním z nejdůležitějších parametrů spotřeba: ovládací rozhraní přístrojů, strojů a zařízení, mimořádně kompaktní box-PC, ovládací panely platebních terminálů nebo průmyslové tablety určené pro údržbu a servis nebo pro inventuru zboží ve skladech. Nevýhodou ale mohou být velké náklady na vývoj zařízení. Společnost Kontron dokáže standardizací desek a modulů a poskytováním rozšířených služeb při vývoji softwaru konstruktérům zařízení pomoci tyto náklady výrazně omezit.

Procesory ARM je možné najít především v zařízeních spotřební elektroniky: mobilních telefonech, PDA, tabletech, přenosných přehrávačích apod. Vzhledem k vývoji chytrých telefonů a tabletů je třeba, aby procesy ARM měly stále větší výpočetní výkon. Běžné je, že multijádrové procesory těchto zařízení s taktovací frekvencí od 1 GHz musí zvládnout zpracování obrazu z vestavěných fotoaparátů s rozlišením řádově v milionech obrazových bodů a záznam videosnímků v rozlišení Full HD i s jeho kódováním a dekódováním. Kromě toho musí uživateli poskytovat takový výpočetní výkon, který bylo v minulosti možné očekávat jedině od klasických počítačů. Přitom je však požadována spotřeba jen jeden až tři watty. Tyto vlastnosti procesorů ARM lze s výhodou uplatnit i v jiných úlohách než jen v zařízeních spotřební elektroniky.

Jednodušší konstrukce

Velká energetická účinnost s sebou přináší menší oteplení procesoru. Je proto mnohem jednodušší realizovat zařízení bez větracích otvorů, plně uzavřená a robustní. Protože není třeba chlazení, mohou být zařízení menší a užší. Zjednodušuje se tím konstrukce zařízení, ale také se zmenšuje např. hloubka zástavby – to je důležité např. u obslužných terminálů namontovaných přímo na stroji.

Zlepšení energetické účinnosti

Pro mobilní zařízení, např. tablety, které stále častěji používají např. pracovníci údržby, skladníci, obchodníci nebo pracovníci při inventarizaci zboží, jsou výhodné procesory s nízkou spotřebou Ultra-Low-Power ARM. Díky nim se prodlužuje doba provozu zařízení bez nutnosti dobíjet baterie a zlepšuje se mobilita pracovníků. Jestliže se úsporné procesory ARM používají v celém závodě, není zanedbatelná ani celková úspora elektřiny.

Přidaná hodnota pro OEM

Pro moderní mobilní zařízení s procesory ARM jsou typické atraktivní grafika a velmi malá spotřeba. K tomu jsou navíc k dispozici rozsáhlé možnosti vertikální i horizontální komunikace, a to i přes hranice závodu. Přitom je jasné, že tato mobilní nebo decentralizovaná zařízení jsou jen součástí celého projektu, i když důležitou. Aby byli výrobci strojů, zařízení a výrobních systémů úspěšní, musí svou pozornost věnovat vývoji celého projektu. Na to, aby se starali o vývoj jednotlivých komponent nebo subsystémů, jim zpravidla nezbývá kapacita. Přitom vývoj kompaktních vestavných zařízení s velmi malou spotřebou založených na procesorech ARM je složitá úloha.

Procesory ARM vyžadují individualizovaný návrh

Zaprvé, dosud neexistovaly žádné standardizované formáty komponent s procesory ARM, které by mohly být využity jako základ pro vývoj vlastních zařízení, a zadruhé, opakované použití již existujících komponent je komplikováno velkou diverzifikací čipů ARM SOC. Konstruktéři jsou tedy postaveni před úkol navrhnout celý systém sami. Zvláště pro malé a střední série by bylo ideální, kdyby měli k dispozici aplikačně specifickou, k použití připravenou platformu – tedy to, co firma Kontron nazývá Application Ready Platform. To by umožnilo vytvářet systémy s procesory ARM podobně jednoduše jako s procesory x86.

Standardní formáty základních desek s ARM

S tím, jak procesory ARM pronikají do oblastí, které byly dříve typické pro procesory x86, vznikají také pro vestavné systémy s ARM standardizované základní desky (motherboards), prodávané jako komponenty COTS. Pro mnohé úlohy na platformě ARM jsou vhodné např. dnes již běžné základní desky SFF, jako Mini-ITX nebo Pico-ITX (obr. 1). Jestliže si zařízení vystačí s běžnými rozhraními, jako jsou DVI nebo HDMI pro grafiku, USB a Ethernet, je to cenově výhodná alternativa vlastního vývoje. Mimo jiné je pro tyto desky k dispozici bohatý sortiment příslušenství: zdrojů, krytů apod., a vzhledem ke shodným rozměrům s deskami s procesory x86 je lze snadno vestavět do již existujících zařízení. Takto do svého sortimentu integrovala procesory ARM také společnost Kontron, a poskytuje tak svým zákazníkům vysoce škálovatelnou nabídku standardních základních desek SFF se všemi dostupnými procesory. Zákazníci tedy mohou své aplikační programy snadno portovat mezi architekturami RISC a CISC a vybrat si pro své zařízení tu nejvhodnější platformu.

Standard COM – návrh zařízení na zakázku

Ovšem co u zařízení, kde se nepoužívá základní deska? Pro tyto případy připravil Kontron nový standard COM, Computer-On-Module, určený speciálně pro procesory ARM a zařízení využívající SOC – System-On-Chip: Low Power Embedded Architecture Platform, tedy platformu pro vestavné systémy s malou spotřebou (obr. 2). Nový standard COM se vyznačuje komponentami velmi plochého tvaru a je vhodný i pro současné platformy COTS s velmi malou spotřebou od firmy Kontron, které se používají např. v mobilních zařízeních typu handheld nebo tablet, stejně jako v box-PC a ovládacích panelech. Kontron tím rozšířil princip COM i pro zařízení s architekturou RISC. Škálovatelné, modulární a přímo použitelné systémy založené na novém standardu COM vyplňují mezeru mezi zařízeními spotřební elektroniky s velmi omezenou dobou dostupnosti a proprietárními systémy pro průmyslové účely, jež často musí pracovat za nepříznivých podmínek a musí být dlouhodobě dostupné.

Dodávky z jedné ruky – výhoda  pro výrobce strojů a zařízení

Kontron nabízí komponenty COM s validovanou funkcí a s obsáhlými inženýrskými a technickými službami. V nabídce je obsažen vývoj komponety na zakázku, sériová výroba hardwaru, vývoj, testování a validace ovladačů a middlewaru, podpora zařízení po celou dobu jeho životního cyklu, popř. také systémová integrace. Na tento základ převádí Kontron také vývoj ucelených systémů na zakázku. Přínosem uvedeného postupu pro zákazníky z řad OEM je omezení doby a nákladů potřebných na vývoj řídicích systémů.

Avšak vývoj hardwaru není všechno. Aby se konstruktérům OEM opravdu ulehčilo, je třeba jim pomoci i se softwarem. I tehdy, když je operační systém nezávislý na hardwarové platformě, není portování aplikačního programu z x86 na ARM zcela bez problémů. Výrobci vestavných systémů, jako je např. Kontron, proto nabízejí rozsáhlé služby, od vývoje ovladačů nebo přizpůsobení kódu operačního systému až po portování aplikačních programů a validaci celého sestavy, tj. hardwaru i softwaru, včetně zajištění licencí. Protože Kontron nyní bude dodávat kromě platforem s procesory x86 i platformy s procesory ARM, může si zákazník být jistý, že pro každou úlohu a pro každý projekt dostane vždy to nejvhodnější. Pro velké výrobce, např. jednotek HMI, je výhodné, že od jednoho výrobce dostanou pro každé zařízení podle potřeby platformu s architekturou RISC nebo CISC. Tím se omezují pořizovací náklady a zjednodušuje proces zajištění potřebných komponent.

Norbert Hauser, Executive Vice President Marketing, Kontron AG

Obr. 1. Nejjednodušší migrace od x86 k ARM: základní deska ve formátu Pico-ITX s procesorem Nvidia Tegra 2

Obr. 2. Ideální platforma pro vývoj aplikačně specifických zařízení s ARM: nový standard COM firmy Kontron