Małe, ale imponujące

Projektanci systemów wbudowanych od dłuższego czasu spoglądali w kierunku nowego procesora i.MX 8, będącego flagowym produktem firmy NXP. Jest to najmocniejszy z procesorów z rodziny i.MX 8. Równocześnie, nowa rodzina procesorów i.MX 8X staje się dostępna. Procesor ten rozszerza skalowalny zakres serii i.MX 8 o wersję charakteryzującą się niezwykle niskim poborem mocy i bardzo dużą niezawodnością, zawierającą od 2 do 4 rdzeni Cortex®-A35, z opcjonalną certyfikacją SIL 3. Wysoce niezawodny i energooszczędny wariant 8X może znaleźć zastosowanie m.in. w urządzeniach przemysłowych, maszynach i systemach wymagających zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa funkcjonalnego.

Wyposażony w najbardziej efektywne rdzenie ARM

Nowe procesory 8X, wyposażone w najbardziej efektywne rdzenie ARM, jakie są obecnie dostępne, mogą pracować w szerokim zakresie temperatur (od -40 to +85 °C), dzięki czemu są idealnym rozwiązaniem dla urządzeń pracujących na wolnym powietrzu, jak również w mobilnych urządzeniach stosowanych w pojazdach.

 

Rys. 1: Małe, ale imponujące: Nowy procesor i.MX 8X firmy NXP jest teraz dostępny w komputerach modułowych firmy congatec - początkowo dostępne są jedynie próbki, jednak w momencie, gdy NXP rozpocznie masową produkcję, wówczas produkt będzie szeroko dostępny.

Dzięki poborowi energii mniejszemu niż 3 waty w trakcie normalnej pracy i maksymalnej wartości parametru TDP (ang. Thermal Design Power) na poziomie 3-4 watów, są one właściwym rozwiązaniem dla bez-wentylatorowych urządzeń zasilanych energią słoneczną. Dzięki wysoce zintegrowanym układom przetwarzania grafiki, video i głosu, nowe procesory są również dobrym wyborem przy konstruowaniu rozwiązań typu HMI (ang. Human-Machine Interface), wzmocnionych tabletów i urządzeń przenośnych. Zintegrowane funkcje przetwarzania obrazu predysponują nowe procesory do zastosowania w układach analizy video i technologii sieci neuronowych wykorzystywanych do rozpoznawania obiektów i informowania o różnych sytuacjach.

Wszechstronnie utalentowany z naciskiem na segment urządzeń mobilnych

Możliwości zastosowania są niezwykle szerokie i obejmują zakres od mniejszych urządzeń sterujących stosowanych w przemyśle i systemów automatyki, takich jak sterowniki PLC, sterowniki I/O, roboty i systemy przenoszenia, systemy monitorowania pacjentów, rozwiązania do samochodów i intra logistycznych systemów kokpitów i systemów rozrywki pokładowej w samolotach i pociągach, aż po systemy IoT (ang. Internet of Things), systemy M2M (ang. Machine To Machine).

Mogą znaleźć również zastosowanie w urządzeniach telematycznych wykorzystujących urządzenia rozproszone w najbardziej różnorodnych rozwiązaniach, jak również w rozproszonych, inteligentnych systemach dozoru video. Jeżeli te urządzenia zostaną zbudowane w oparciu o nowy procesor i.MX 8X, wówczas zapewnią znacząco większą wydajność pracy niż modele tabletów sprzed kilku lat. Dzięki temu, że ich cena staje się coraz bardziej atrakcyjna, mogą znaleźć zastosowanie w coraz większej ilości nowych rozwiązań, przeznaczonych dla nowych rynków.

Wysoka skalowalność kompatybilności rozkładu wyprowadzeń i oprogramowania

Ponieważ nowy procesor i.MX 8X firmy NXP łączy w sobie wszystkie główne pod-systemy z architekturą rodziny i.MX 8, projektanci mogą korzystać z niezwykle szerokiego zakresu opcji skalowania i użycia dostępnego już oprogramowania. Powstaje pytanie, - jakie są główne różnice pomiędzy i.MX 8 a i.MX 8X?

Przede wszystkim należy pamiętać, że ten wariant nie ma nic wspólnego z i.MX 8M, który jest już produkowany seryjnie. Został on opracowany jako procesor dedykowany dla dekoderów i systemów telewizyjnych i dlatego też jest pozycjonowany w segmencie elektroniki konsumenckiej, gdzie wymagania są zupełnie inne niż w rozwiązaniach przemysłowych, w których obsługa LVDS jest jedną z wielu wymaganych funkcjonalności. Jedynie dwa warianty - i.MX8 oraz i.MX 8X, wykorzystywane przez firmy takie jak congatec do tworzenia płyt wbudowanych, będą porównywane w dalszej części artykułu.

Oszczędne, ale bezpieczne rdzenie przetwarzające

 

Tabela: Główne różnice pomiędzy i.MX 8 a i.MX 8X

Kolejną różnicą obok wspomnianej już opcjonalnej obsługi SIL dostępnej w i.MX 8X, jest użycie rdzeni ARM Cortex-A35 zamiast ARM Cortex-A53. Procesory ARM Cortex-A72 nie są wykorzystywane i pełen zestaw funkcjonalności jest bardziej ekonomiczny i energooszczędny, co umożliwia zredukowanie poboru mocy procesora i.MX 8X do wartości 3-4 watów, w porównaniu do 12 watów w przypadku w pełni wyposażonego i.MX8.

Procesor i.MX 8X jest dostępny w konfiguracjach z 2 lub 4 procesorami Cortex-A35 wraz z 1 Cortex-M4F z zintegrowaną jednostką zmiennoprzecinkową i modułem DSP do obsługi zadań krytycznych, takich jak kamera rezerwowa, jak również monitorowanie i uruchamianie systemu. Z drugiej strony, procesor i.MX8 może być wyposażony nawet w 8 rdzeni (4x A53, 2x A72, 2x M4F) i jest dostarczany z rozbudowanym zestawem funkcjonalności, który obejmuje obsługę szybkich i energooszczędnych pamięci LPDDR4, jak również opcjonalnie DD3 z EEC.

Mocna i niezawodna grafika

Procesor i.MX8 obsługuje nawet 3 niezależne urządzenia wyświetlające, jak również 1xSPDIF oraz 2x ASRC, łącznie z wieloma rozbudowanymi kodekami do rozpoznawania głosu i komunikacji bezdotykowej. Dla dwóch z obsługiwanych urządzeń wyświetlających można wykorzystać rozdzielczość Full-HD (1080p), trzecie urządzenie wyświetlające jest obsługiwane z rozdzielczością WVGA (864x480).

Zintegrowany silnik przetwarzania video obsługuje dekodowanie i enkodowanie materiałów video w rozdzielczości 1080p w standardzie h.264, jak również dekoduje nawet wyższą rozdzielczość - 4K - w standardzie h.265. Kolejną ważną funkcjonalnością jest wspomagane sprzętowo partycjonowanie, umożliwiające rozdzielenie rdzeni procesora i grafiki, dzięki czemu możliwe jest uruchomienie wielu niezależnych aplikacji na jednym układzie.

W połączeniu z obsługą hypervisora, projektanci zyskują znakomitą elastyczność przy tworzeniu niezawodnych systemów - ważna cecha, np. w rozwiązaniach motoryzacyjnych: Jeżeli pokładowy system rozrywki zawiedzie, tylna kamera będzie wciąż bezpiecznie działała. Ta sama zasada może być również stosowana w systemach sterujących automatyki.

Bogaty wybór interfejsów - łącznie z real-time Ethernet

Obsługiwane jest jedno złącze PCIe 3.0 umożliwiające elastyczną rozbudowę. Inne obsługiwane złącza to 1x USB 3.0, 2x USB 2.0, 3x CAN, 4x UART, 4x SPI oraz 12-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy. Dwa interfejsy Gibabit Ethernet są idealnym rozwiązaniem przy tworzeniu poziomych i pionowych sieci w systemach automatyki.

Opcjonalna obsługa komunikacji w czasie rzeczywistym za pomocą protokołu TSN, zgodnej ze standardem 1588 zapewnia gotowość do zastosowania w rozwiązaniach z zakresu Przemysł 4.0 i IoT, gdzie praca szeregu robotów spawających / ramion na stanowisku produkcyjnym może być synchronizowana w czasie rzeczywistym.

W przypadku i.MX 8X, obsługa może być realizowana za pomocą dodatkowego układu Qualcomm Atheros, dostępnego jako opcja w komputerach modułowych firmy congatec. Obsługiwane jest również łączenie audio i video w celu przesyłania poprzez Ethernet, co jest interesującym rozwiązaniem w przypadku stosowania odtwarzaczy materiałów dla cyfrowych ekranów reklamowych i kamer systemów dozorowych dołączonych poprzez GbE.

Rozpoznawanie obrazu i technologia "deep learning"

Dla zastosowań wykorzystujących sygnały video, procesor i.MX 8X obsługuje między innymi 4 liniowy interfejs MIPI-CSI. Moduł GPU z 2-4 instancjami oprogramowania Vec4 typu "shader" (1x GC7000Lite lub 1 x GC7000UltraLite) obsługuje również OpenGL ES, OpenCL, OpenVG i Vulkan, co umożliwia równoległe przetwarzanie danych wraz z jednoczesnym generowaniem grafiki wyjściowej.

 

Rys. 3: firma congatec oferuje na modułach w standardzie SMARC 2.0 i Qseven zarówno procesory i.MX 8, jak i i.MX 8X. Dostępne są również płyty nośne i rozwiązania przygotowane w pełni według wymagań klienta.

Główna uwaga skupiona jest na obsłudze aplikacji analizy różnych zdarzeń w oparciu o rozpoznawanie obrazu, jak również na aplikacjach wykorzystujących sztuczną inteligencję i "deep learning" do uczenia maszynowego. Jeżeli nie zauważyłeś czegoś w tym rozbudowanym zestawie funkcjonalności i.MX 8X, możesz bezpiecznie założyć, że i.MX8, jako wyższa wersja, zaoferuje nawet więcej w każdej kategorii funkcjonalności.

Wiele funkcjonalności związanych z niezawodnością i bezpieczeństwem

Definitywnie, oba warianty procesora zapewniają zwiększoną niezawodność, osiągniętą dzięki zastosowanej technologii produkcji o nazwie Fully Depleted Silicon on Insulator (FD-SOI). Zapewnia to, że w przypadku tych procesorów wyprodukowanych w technologii 28 nm, wartość współczynnika MTBF gwałtownie rośnie w porównaniu do poprzednich technologii. Dodatkowo, dzięki wysokiej odporności technologii FD-SOI na uszkodzenia, technologia ta znacząco redukuje zawieszenia.

Wszystkie te funkcje, łącznie z wyszukanymi funkcjonalnościami z zakresu bezpieczeństwa, takimi jak wysoce bezpieczny mechanizm uruchamiania (booter), timer TPM, rozbudowane mechanizmy szyfrowania oraz nawet 10 aktywnych i pasywnych pinów umożliwiających wykrycie próby włamania do układu sprawiają, że procesory i.MX 8 są idealnym wyborem do opracowywania niezwykle energooszczędnych, wysoce niezawodnych wbudowanych platform obliczeniowych.

Łatwa implementacja złożonych technologii

 

Rys. 4: moduły SMARC 2.0 i QSeven z procesorem i.MX 8X są dostępne w trzech różnych wariantach (Źródło: NXP Factsheet)

Projektanci urządzeń bazujący na rozwiązaniach z segmentu małych komputerów modułowych często stają przed wyzwaniem znalezienia specyficznego produktu, ale żaden z istniejących standardów płyt nie spełnia ich wymagań. Zasadniczo, standardowe płyty nie zapewniają wymaganej wydajności, lub też nie oferują interfejsów wymaganych do łatwego startu prac rozwojowych. Dlatego też, projektanci poszukują najbardziej efektywnej drogi do rozwoju swoich rozwiązań. Czy muszą opracowywać wszystko sami, czy też mogą zastosować gotowe rozwiązania "z półki"? Jeśli tak, które powinni zastosować?

Ponieważ rdzeń obliczeniowy jest pierwszym i najważniejszym czynnikiem i nie wymaga on żadnych dodatkowych zmian, rekomendowanym rozwiązaniem jest zastosowanie standardów przemysłowych komputerów modułowych, takich jak SMARC 2.0 lub Qseven. Dzięki tym gotowym do użycia modułom, mocny rdzeń obliczeniowy może zostać łatwo zainstalowany na zasadzie "plug&play", przez co projektanci mogą natychmiast korzystać z drastycznie uproszczonego rozwiązania, w którym wszystko, co trzeba zrobić to jedynie optymalnie skonfigurować interfejsy na płycie. Ponieważ rdzenie obliczeniowe mogą być łatwo łączone z płytami nośnymi, standardy komputerów modułowych są również idealnym rozwiązaniem dla rozwiązań projektowanych od podstaw.

Znaczącą zaletą stosowania modułów jest fakt, że przy stosowaniu płyt w standardzie SMARC 2.0 lub Qseven, rozwiązania mogą być skalowane w zakresie stosowanych procesorów - od i.MX8-X do najwyższego modelu i.MX8 Quad. Co prawda procesory nie są zgodne pod kątem rozkładu wyprowadzeń, ale można to rozwiązać stosując własne rozwiązania konstrukcyjne.

Natychmiastowo gotowe do pracy

Projektanci mogą natychmiast rozpocząć prace projektowe, wykorzystując zestawy deweloperskie dostarczane wraz z rozbudowanym środowiskiem programowym w formie personalizowanych boot loaderów i modułów BSP. Pierwsze prototypy i małe serie produktów mogą zostać opracowane w oparciu o płyty nośne, zaś rdzeń obliczeniowy może zostać łatwo połączony z płytą główna - niezależnie od tego czy jest to rozwiązanie standardowe, czy też konstrukcja tworzona od podstaw według wymagań klienta.

Ponieważ rdzeń obliczeniowy jest od razu gotowy do użycia, ryzyka projektowe są zredukowane od początku projektu. Kolejną zaletą komputerów modułowych jest fakt, że mogą one zostać udostępnione na potrzeby weryfikacji przez firmy takie jak congatec przed rozpoczęciem ich produkcji seryjnej w firmie NXP.

W przypadku firm stosujących strategie "pierwszy na rynku", dla ich produktów opartych o i.MX8, dostępne będą komputery modułowe w standardach SMARC 2.0 i Qseven firmy congatec. Jako znakomite elementy, łączą w jeden, kompletny zestaw wszystko, czego potrzebują projektanci rozwiązań opartych o i.MX8, dzięki czemu nawet rozwiązania w pełni dostosowane do wymagań klienta są bardzo łatwe w implementacji.

Wsparcie dla standardowych produktów jest niezwykle istotne

 

Martin Danzer

Jednakże, jeśli zachodzi potrzeba przejścia ze standardowego produktu do platformy, która jest optymalizowana pod kątem określonego zastosowania, użycie właściwej platformy sprzętowej to dopiero połowa bitwy, zwłaszcza, jeśli jest to rozwiązanie oparte o procesor ARM. Dlatego też, congatec oferuje rozbudowane środowisko programowe dla swoich standardowych komponentów. Jest ono dostępne jako produkt "z półki" wraz z częścią sprzętową.

Dodatkowo, oferuje spersonalizowane wsparcie dla projektantów OEM, dzięki czemu mogą oni realizować swoje zadania jeszcze łatwiej i efektywniej. Jednocześnie, congatec pozycjonuje się jako kompleksowy dostawca rozwiązań z zakresu realizacji wbudowanych rozwiązań obliczeniowych dla producentów OEM. Centrum Rozwiązań Technicznych (TSC - Technical Solution Center) firmy congatec, odpowiedzialne za dodatkowe usługi związane z częścią sprzętową, oferuje znacząco szeroki zakres rozwiązań.

Zakres usług TSC obejmuje wszystko, począwszy od dostosowania bootloadera i UEFI, aż do rozwoju oprogramowania sprzętowego, zgodnie z wymaganiami klienta. Pomaga również w zagadnieniach związanych z Linuxem i projektami klienckimi realizowanymi z QNX lub Green Hills.

Dodatkowo, oferuje wsparcie w zakresie wyboru właściwych komponentów dla płyt nośnych - na przykład pod kątem certyfikacji SIL projektu systemu, jak również testy zgodności szybkich sygnałów, symulacji termicznych, wyliczenia wartości współczynnika MTBF oraz usług debugowania specyficznych rozwiązań klienckich. Celem jest zawsze zapewnienie klientowi najbardziej efektywnego i wygodnego wsparcia technicznego - począwszy od analizy wymagań technicznych, aż po masową produkcję. O co więcej można zapytać?

Przy okazji, - jeżeli istnieje konieczność dokonania wyboru pomiędzy Qseven a SMARC 2.0, firma congatec zaleca swoim klientom rozpoczęcie prac z wykorzystaniem SMARC 2.0. Wynika to z faktu, że ten format płyty zapewnia większą gęstość upakowania komponentów i większą wydajność przetwarzania grafiki w porównaniu do Qseven. Istniejące projekty lub rozwiązania z mniejszymi wymaganiami dotyczącymi przetwarzania grafiki są wciąż obsługiwane za pomocą standardu Qseven. Odnosi się to również do aspektu związanego z długą dostępnością elementów. Wynika to z faktu, że ten format wciąż króluje w zakresie wymaganych ilości.

Martin Danzer
Dyrektor Zarządzania Produktem w firmie congatec

Dodatkowe informacje:
Dokument "Device development with SMARC 2.0" przygotowany przez firmę congatec zawiera krótki opis projektowania płyt nośnych w standardzie SMARC 2.0. https://www.congatec.com/technologies/device-development-with-smarc-20.html