В статье кратко описан стандарт встраиваемых компьютерных модулей SMARC. Приведен краткий обзор отечественных производителей и модулей выполненных в данном стандарте.
Введение
Компьютерные модули, называемые также компьютерами на модуле COM (Computer-on-Module) или системами на модуле SOM (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 той или иной общепринятой спецификацией.
Компьютерные модули широко применяются как для решения тех задач, которые невозможно эффективно решить с помощью стандартных встраиваемых плат, так и для обновления технического решения наследственных или устаревших систем.
Описание преимуществ и наиболее популярных среди разработчиков и пользователей встраиваемых систем стандартов компьютерных модулей: ETX, QSeven, SMARC, СOM Express и COM-HPC представлено в статье «Компьютерные модули. Описание преимуществ применения и обзор популярных стандартов».
Далее будет приведено описание одного из самых молодых стандартов: SMARC и краткое описание отечественных разработчиков и модулей в данном стандарте.
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 (рис. 1) 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 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:
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.
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.
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.
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.
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
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.2). Основное питание модулей – 5В. Печатные платы модуля имеют 314 контактный краевой разъем, который соединяются с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом типа MXM3 на несущей плате. Разъем типа МXМ применяется также на компьютерных модулях в форм-факторе SO-DIMM
Разъем MXM3 обычно используется для видеокарт. 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.
Список обязательных и дополнительных интерфейсов модуля SMARC 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 |
|
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 |
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 |
Обзор отечественных производителей SMARC модулей
История успеха «АТБ Электроника», это 18 лет развития, от компании поставщика компонентов, до современного производственного комплекса 4 500 м2, собственной испытательной лаборатории и R&D центра.
«АТБ Электроника» находится в Москве, подразделения компании объединены в единый контур, что позволяет разработчикам непрерывно взаимодействовать с производством, а заказчикам оперативно согласовывать проекты, инспектировать производственный процесс при выпуске крупных партий оборудования. На рисунке 3 представлен модуль АТБ-RK3568J-SMC.
Основными направлениями деятельности НПК «АТРОНИК» являются:
Разработка и серийное производство специализированных вычислителей для тяжелых условий эксплуатации;
Контрактное производство электроники для ответственных применений;
Разработка сложной электроники по ТЗ заказчика.
Разработка и производство устройств биометрической идентификации;
Разработка программного обеспечения для биометрических систем;
В состав компании входит Специализированное Конструкторское Бюро (СКБ) и современное автоматизированное производство электронных изделий. Коллектив НПК «АТРОНИК» имеет опыт в разработке спецвычислителей для экстремальных условий эксплуатации от уровня схемотехники и исходных кодов. Используемые нами производственные технологии позволяют выпускать вычислители любого уровня сложности, а гибкость технологических процессов дает возможность производить изделия любой серийности, от опытных образцов до партий в сотни тысяч штук. Вовлеченность технологов на ранних стадиях в процесс разработки позволяет существенно сократить время от технического задания (ТЗ) до получения литеры О1. На рисунке 4 представлен модуль МЦП1502.
Со времени основания компании в 2011 году специалисты компании INMYS разработали более сотни сложнейших программно-аппаратных решений. Одновременно с выпуском основной продукции (SOM-модулей) компания занимается разработкой и производством высокоскоростных сетевых коммутаторов и агрегаторов, материнских плат серверных компьютеров, контроллеров систем хранения данных.
На рисунке 5 представлен модуль NMS-SM-RK3568.
Fastwel основан в 1998 году и на сегодняшний день является одной из самых высокотехнологичных компаний России. Сочетая активные вложения в освоение новейших технологий с использованием опыта и потенциала российских разработчиков и технологов, Fastwel успешно конкурирует с ведущими мировыми производителями электронного оборудования.
Продукция Fastwel находит применение в ответственных приложениях на транспорте, в телекоммуникациях, промышленности и многих других отраслях, где требуется надежное оборудование, способное работать в жестких условиях эксплуатации.
Изделия Fastwel полностью учитывают специфику рынка России и стран СНГ как по набору поддерживаемых типов сигналов, так и по стойкости к неблагоприятным факторам внешней среды. На рисунке 6 представлен модуль CPC1001.
Акционерное общество Научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы» (АО НПЦ «ЭЛВИС») является одним из ведущих центров проектирования микросхем в России.
Компания была создана в 1990 году на базе структурного подразделения научно-производственного объединения «ЭЛАС», выполнявшего в 1960-80 гг. передовые разработки в области космической электронной техники. Основным видом деятельности компании была разработка на базе собственной платформы проектирования «МУЛЬТИКОР» концептуально новых отечественных импортозамещающих микросхем типа «Система-на-Кристалле». На рисунке 7 представлен модуль ELV-MC03-SMARC.
ООО «Стратегические информационные технологии» (ООО «СИТ»)
Компания основана в 2010 году как дочернее предприятие Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН, реорганизованного в 2018 году в Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук. Основные направления деятельности ООО «СИТ» связаны с доведением результатов НИР и ОКР до серийно выпускаемых изделий. На рисунке 8 представлен модуль SMARC-AM335x.
С 2015 года одним из перспективных направлений развития, на которое были направлены усилия сотрудников института, стали системные модули стандарта SMARC и приборы на их основе. Модули позволили сделать качественный скачок в производстве встраиваемого оборудования за счет существенно возросшего количества ресурсов памяти, обусловившего переход на ПО с открытым исходным кодом.
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. Параллельно на отечественном рынке появились вычислители на ЦП RockChip RK3568. В таблице 3 приведен сравнительный анализ модулей на ЦП RK3568 выпускаемых отечественными производителями.
Таблица 3. Сравнение отечественных модулей SMARC на ЦП RockChip RK3568
Модуль | |||
Производитель | ООО «АТБ Электроника» | АО «НПК «АТРОНИК» | ООО «ИНМИС» (INMYS) |
Процессор | RockChip RK3568 | RockChip RK3568 | RockChip RK3568 |
ОЗУ | LPDDR4 до 8 ГБ | DDR4 4 Гб c ECC | LPDDR4 до 8 ГБ |
ПЗУ | eMMC до 64 ГБ | eMMC 32 Гб | eMMC до 64 ГБ |
Рабочий температурный диапазон | -40 ... +70 °С | -40 ... +85 °С | -40 ... +85 °С |
Заключение.
Преимущества использования SMARC-модулей:
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: Стандартизированные формат и распиновка 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. Это 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.