Komputery jednoukładowe SOM - robić czy kupić gotowe?

Arrow kieruje ofertę modułów SOM do firm, którym zależy na szybkim wejściu produktu na rynek oraz bez doświadczenia w projektowaniu układów mikroprocesorowych, które są o wiele bardziej złożone niż projekt mikrokontrolerowy. Dzięki użyciu SOM można przyspieszyć wejście produktu na rynek nawet od 12 do 16 miesięcy.

Na rynku polskim pojawia się coraz więcej firm (zwłaszcza startupów) zorientowanych głównie na tworzenie części programistycznej aplikacji, które potrzebują gotowych platform sprzętowych do uruchomienia własnego oprogramowania. Coraz mniej jest również inżynierów elektroników, którzy są w stanie poradzić sobie ze skomplikowanym projektem modułu mikroprocesorowego. Z tych względów często wybór firm pada właśnie na SOM bazujące na rdzeniach ARM i technologiach dostarczanych przez firmy takie, jak Texas Instruments, Freescale, Atmel, Altera i Qualcomm.

SOM

Rys. 1. Przykładowy SOM i jego zasoby

Moduł SOM (System on Module), określany często także jako COM (Computer on Module) to niewielka płytka drukowana zawierająca mikroprocesor, układy IO, a także pamięć Flash i RAM, układy komunikacji bezprzewodowej Bluetooth i Wi-Fi, PHY do Ethernetu, układy audio i do zarządzania zasilaniem, a nawet kontroler ekranu dotykowego. Konstrukcja pozwala na uruchomienie systemu operacyjnego takiego jak Linux, Android czy Windows.

Moduły SOM przeznaczone są dla tych, którzy nie chcą wymyślać koła na nowo i zajmować się tworzeniem klasycznego komputera od zera. Parę lat temu takie gotowe rozwiązania kupowane były w ilościach do 100-500 rocznie, a więc trafiały do aplikacji niskonakładowych. Powyżej tej liczby przeważały projekty własnościowe.

Niemniej szybki spadek cen układów ARM spowodował, że nawet przy seriach 5000-10000 sztuk użycie modułów SOM jest opłacalne w porównaniu do konstrukcji własnej. W polskich warunkach okazuje się, że inwestycje potrzebne do zaprojektowania rozwiązania mikroprocesorowego od podstaw (chip design) są rzędu nawet 150 tys. dol. i zwracają się po wyprodukowaniu 10 000 sztuk.

Konstruktorzy często zaczynają realizację projektu w oparciu o SOM, budując z jego pomocą pierwsze partie produkcyjne, które pozwalają na wypromowanie tego produktu dla swoich klientów końcowych. W trakcie tego procesu pracują równolegle nad własnym projektem modułu (chip design), tak aby przy zwiększeniu wolumenu produkcyjnego obniżyć koszt budowy urządzenia.

Arrow jest dostawcą zarówno SOM, jak i półprzewodników do budowy własnego modułu (mikroprocesor, pamięci, zarządzenie mocą, zegary), więc pomagamy klientom w obu przypadkach. Oparcie pracy na SOM jest też dobrym sposobem, aby używać i wypróbowywać najnowsze rozwiązania pojawiające się na rynku bez zwłoki i przeznaczyć cały czas na doskonalenie warstwy aplikacyjnej unikalnej dla projektu (IP firmowe).

SOM-y mogą bazować na architekturze ×86 lub ARM i występują w wielu formatach różniących się wymiarami i rozkładem wyprowadzeń. Przykładem mogą być SMARC (Smart Mobility ARChitecture) o rozmiarach 82×50 mm oraz 82×80 mm. Drugim przykładem może być Q7 (Qseven) o wymiarach 70×70 mm. W zakresie architektury ARM wykorzystywane są rdzenie Cortex A5, A7, A8, A9, A57, u Intela są to układy Atom oraz Core Ix.

Procesory Cortex-Ax

Rys. 2. SOM-y w Arrow według producenta i rdzenia mikroprocesora

Cortex-A5 to najmniejszy, najtańszy i pobierający najmniej mocy członek rodziny układów aplikacyjnych ARMv7. Jego atutem jest mały pobór mocy i łatwość integracji w ramach układu SoC razem z układem graficznym ARM Mali-400 zapewniającym obsługę grafiki wektorowej 2D (OpenVG) i 3D (OpenGL). Przykładem może być rodzina SAMA5 Atmela dostępna w postaci SOM AT-501 firmy Shiratech. Komputer ten jest taktowany zegarem 536 MHz, ma wbudowaną jednostkę FPU i jest wyposażony w 32-bitową pamięć 256 MB DDR2, 256 MB NAND Flash i opcjonalnie można dołączyć 4 GB jako eMMC.

Cortex-A8 to procesor obecny na rynku od 2005 roku, zapewniający wyższą wydajność i obsługę architektury ARMv7-A. Podobnie jak poprzednik zawiera jednostkę graficzną Mali-400 wspomagającą tworzenie grafiki i prezentację treści wideo. Na tym rdzeniu bazuje rodzina Sitara AM33xx Texasa, a przykładowym modułem SOM jest VAR-SOM-AM33 firmy Variscite z AM335x ARM Cortex-A8 taktowanym 1 GHz.

Moduł pracuje w zakresie temperatur od -40 do +85oC i ma podwójną szynę CAN ułatwiającą stosowanie w motoryzacji, systemach oświetlenia i złożonych układach sterowania. Na pokładzie jest też podwójny port Ethernet, USB, kontroler dotykowy, audio oraz Wi-Fi/BT. Jako opcja dostępne jest dwuzakresowe Wi-Fi 2,4/5 GHz z obsługą systemu wieloantenowego MIMO i szybkości transmisji 100 Mbps.

Z kolei Cortex-A9 to układ bardzo popularny i spotykany w smartfonach, cyfrowych odbiornikach TV i innych aplikacjach elektroniki konsumenckiej. Ma on wydajność o ok. 50% wyższą niż Cortex-A8. Przykładem implementacji tego rdzenia są rodziny Freescale I.MX6, nowsze układy Sitara AM4xxx TI oraz SoC (Systec On Chip) Altery.

Wśród gotowych produktów bazujących na tym rdzeniu warto dostrzec i.MX6 SOM firmy SolidRun. SolidRun ma bardzo ciekawą ofertę produktów opartych na rdzeniu Cortex A9 na mikroprocesorze i.MX6. Firma ma w swojej ofercie SOM-y i oparty na tym SOM-ie jednopłytkowy komputer Hummingboard. W swojej ofercie SolidRun ma również oparty o ten sam SOM w plastikowej obudowie Cubox dzięki czemu całość może służyć np. jako domowy komputer do wyświetlania filmów (obsługa systemów Kodi i Android).

Cortex-A7 to z kolei układ wielordzeniowy o jeszcze większej wydajności, który jest zintegrowany z procesorem wideo Mali-V500 oraz układem grafiki Mali- DP500. Na rdzeniu A7 oparto nowy mikroprocesor i.MX6 Ultralite, którego parametry i mnogość interfejsów pozwala na zbudowanie taniego i oszczędnego energetycznie modułu z wbudowanym Linuksem. W ofercie Arrow na procesorze i.MX6 Ultralite są dwa moduły DART- 6UL z Variscite i CC6UL firmy Digi.

Cortex-A57 to z kolei procesor 64-bitowy nadający się do zaawansowanych aplikacji konsumenckich, wydajnych komputerów desktopowych i serwerów. Ten rdzeń zawiera rodzina Network Processor LS2 Freescale, a obecnie jest kilka firm, które na bazie niego przygotowują moduły SOM.

Systemy operacyjne

Moduły SOM pozwalają na uruchomienie Linuksa, Androida oraz Windows Embedded. W tym pierwszym przypadku najczęściej chodzi o kompilację Yocto - projekt open source stworzony pod kątem systemów embedded i niezależny od architektury sprzętowej. Popularny jest też Ubuntu, bazujący na Debianie i tworzony przez społeczność użytkowników.

Bardzo często to wspierana dystrybucja systemu operacyjnego, jakość napisanego BSP przez producenta, wsparcie producenta w przypadku wykrycia błędów w BSP (Board Support Packages) oraz ich pomoc techniczna przy implementacji własnego oprogramowania okazuje się kluczowa przy wyborze SOM-u.

Mateusz Choromański
Arrow Electronics
www.arrow.com