Komputery modułowe - nowe standardy wyprowadzeń

W nowej specyfikacji COM Express COM.0, zdefiniowany został komputer modułowy COM, jako jednostka nadrzędna zapewniająca możliwość bootowania. Niezależna od dostawcy specyfikacja interfejsów i wymiarów fizycznych tego elementu daje projektantom mocne podstawy umożliwiające opracowanie produktów, które będą mogły być używane w przyszłości i dla których dostępność gwarantowana jest przez długi czas.

Mniej widoczną zmianą, która ma jednak wielkie znaczenie, jest dodanie do pięciu zdefiniowanych do tej pory w specyfikacji COM Express rozkładów wyprowadzeń (typ 1-5) dwóch kolejnych (typ 6 i 10). Dla typu 1 wykorzystywane jest jedno 220-stykowe złącze A-B, co zapewnia obsługę do 8 portów USB 2.0, 4 SATA/SAS i 6 PCI Express. Obsługiwane są ponadto interfejsy takie jak podwójny 24-bitowy LVDS, cyfrowe audio HD, Ethernet i 8 linii GPIO, a także SPI. Główne napięcie zasilania wynosi 12V, a w trybie standby 5V.

Rys. 1. W 10 typie rozkładu wyprowadzeń, piny SATA 2 i 3 nie są już wykorzystywane. Są one zarezerwowane dla zastosowań alternatywnych, takich jak USB 3.0

Typ 2 ma wszystkie cechy poprzednika, a dodatkowo wprowadza drugie 220-pinowe złącze CD. Pozwala to na dodanie 32-bitowego interfejsu PCI oraz portów IDE. Całkowita liczba dostępnych połączeń PCI Express wynosi 22. 16 połączeń na drugim złączu jest przeznaczonych do obsługi PCI Express Graphics (PEG). Maksymalny pobór mocy, uprzednio zdefiniowany na poziomie 188W w wersji 2.0 został ograniczony do 137W. Osiągnięto to dzięki zastosowaniu bardziej energooszczędnych mikroprocesorów.

Różnica pomiędzy typem 3 i 2 polega jedynie na wykorzystaniu pinów IDE do obsługi dodatkowego kanału Gigabit Ethernet. W konsekwencji brak jest obsługi interfejsów w trybie zgodności, ale możliwa staje się obsługa maksymalnie trzech kanałów Gigabit Ethernet. Z kolei typ 4 różni się od 2 tym, że piny zarezerwowane dla PCI są ponownie alokowane, umożliwiając wykorzystanie dziesięciu dodatkowych połączeń PCI Express. Mogą one być wykorzystane jako połączenia 0-15 PCIe lub jako połączenia 16-31 drugiego portu PEG.

Typ 6 dla grafiki

Wprowadzenie do standardu COM Express szóstego typu rozkładu wyprowadzeń pozwala na wykorzystanie rozszerzonych możliwości graficznych nowych rodzin mikroprocesorów. Bazuje on na opisanym wyżej typie 2, niemniej piny wykorzystywane do obsługi PCI są teraz wykorzystywane do obsługi interfejsu cyfrowego wyświetlacza i do obsługi dodatkowych połączeń PCI Express. Ponadto, piny uprzednio przypisane do interfejsu IDE są teraz zarezerwowane do obsługi nowych technologii, na przykład SuperSpeed USB.

Rys. 2. W typie 10 piny dla połączeń 4 i 5 PCIe pozostają wolne i mogą zostać użyte do zastosowania przyszłych technologii

Od SDVO do DisplayPort

Typ 6. rozkładu wyprowadzeń umożliwia wykorzystanie trzech nowych portów przeznaczonych do obsługi interfejsów DDI: HDMI, DVI lub DisplayPort i zapewnia dodatkowo obsługę standardu SDVO, którego sygnał SDVO nie jest multipleksowany w porcie PEG. Oznacza to, że równolegle z wbudowaną kartą graficzną możliwe jest użycie zewnętrznej karty graficznej PEG, np. w celu obsługi więcej niż 4 ekranów lub do przetwarzania danych za pomocą GPU ogólnego przeznaczenia (GP GPU).

Dzięki dostępności interfejsu SDVO w chipsetach Intel, standard COM Express zapewnia elastyczność w obsłudze szerokiego zakresu sygnałów graficznych. Projektant ma więc teraz możliwość implementacji np. złącza DVI, dzięki czemu osiągnie relatywnie niski koszt integracji monitorów cyfrowych i rozwiązań obsługujących podwójne wyświetlanie. Uprzednio standard COM Express oficjalnie nie zapewniał obsługi SDVO, ale w nowej wersji specyfikacji stało się to jego częścią.

DisplayPort jest uniwersalnym i w odróżnieniu od HDMI niewymagającym ponoszenia opłat licencyjnych, standardowym złączem VESA, co powinno zapewnić jego szeroką popularność. Umożliwia osiągnięcie znacznie wyższych szybkości przesyłania danych: 17,28 Gbps w porównaniu z 2,835 Gbps dla LVDS i 4,95 Gbps dla DVI, ale również zapewnia obsługę protokołu mikropakietów, umożliwiającego proste rozszerzenie standardu.

Rys. 3. Specyfikacja COM Express COM.0 w wersji 2.0 definiuje obsługę dwóch niezależnych wyświetlaczy poprzez LVDS i DDI

Zapewnia obsługę dodatkowego kanału pomocniczego umożliwiającego dwukierunkową komunikację z urządzeniami sterującymi za pomocą takich standardowych magistral VESA, jak E-DDC, E-EDID, DDC/CI i MCCS. Kanał pomocniczy może zostać wykorzystany do dołączenia urządzeń peryferyjnych, takich jak ekrany (panele) dotykowe, urządzenia USB, kamery, mikrofony itp.

Typ 10 kontra 1

Główną innowacją w specyfikacji 2.0 jest nowy rozkład wyprowadzeń - typ 10, będący rozwinięciem typu 1 w kierunku funkcjonalności nowych procesorów. Główna zmiana polega na zmianie pinów przypisanych dotychczas do portów 2 i 3 SATA na nowe technologie i zastosowania jak USB 3.0 (rys. 1). Podobne zmiany dotyczą magistrali PCIe, gdzie pod przyszłe technologie uwolniono piny dla połączeń 4 i 5 PCIe (rys. 2). To dlatego że mikroprocesory stosowane w małych komputerach, w których pojawi się typ 10, obsługują dwa interfejsy SATA i cztery połączenia PCIe.

Dlatego też wolne piny złączy modułów standardu ultra mogą zostać efektywnie użyte do nowych celów. Kolejną różnicą jest fakt, że typ 10 wykorzystuje drugi kanał LVDS, a wyjście TV i VGA do obsługi portu SDVO (lub alternatywnie DisplayPort i HDMI/DVI) poprzez DDI (rys. 3). Biorąc pod uwagę fakt, że w przyszłości standard VGA będzie odgrywał coraz mniejszą rolę, nie stanowi to problemu. Ponieważ obsługa kanału LVDS będzie wciąż zapewniona, w chwili obecnej ultrakompaktowe moduły z rozkładem wyprowadzeń typ 10, takie jak na przykład nanoETXexpress-TT, zapewniają już obsługę podwójnych i niezależnych ekranów.

Inne zmiany

Złącze COM Express w obecnej postaci zostało również zatwierdzone do przesyłania sygnałów PCI Express Gen 2. Z technicznego punktu widzenia oznacza to brak zmiany rozkładu sygnałów, ale przy definiowaniu połączeń pomiędzy modułem komputera i płytą nośną, projektant musi stosować się do nowych zasad dla PCIe Gen2. Dodatkowo, piny AC97 są teraz wykorzystywane do obsługi AC97 i audio HD. Nowa specyfikacja COM.0 w wersji 2.0 definiuje obsługę zewnętrznego oprogramowania firmware dla wszystkich typów modułów.

Rys. 4. Zmiany pomiędzy rozkładem wyprowadzeń pomiędzy typem 1 i 10

We wcześniejszej wersji do tego celu wykorzystywany był interfejs LPC. Nowe moduły muszą zapewniać obsługę SPI, ale jeśli chipset udostępnia taką funkcjonalność, wciąż mogą umożliwiać zmianę firmware z zewnętrznego źródła poprzez LPC. Do nowej specyfikacji włączono także jako standard mniejsze kompaktowe wymiary modułu 95×95mm, ale niezależnie od zmniejszonych rozmiarów, wymogi co do wymiarów fizycznych, pozycja złącza i rozkład wyprowadzeń są dokładnie takie same, jak w stosowanych szeroko modułach w formacie podstawowym.

Podsumowanie

W odróżnieniu od standardu wprowadzonego w 1998 roku dla DIMM-PC i w 2000 roku dla ETX, COM Express jest jedynym standardem niezależnym od dostawcy komputerów modułowych. Dlatego też jest niezwykle ważny dla rynku rozwiązań wbudowanych. Poprzez wprowadzenie specyfikacji w wersji 2.0 następuje oficjalne zdefiniowanie nowych wymiarów i nowych rozkładów wyprowadzeń, przeznaczonych do przyszłych zastosowań.

Zalety koncepcji COM Express zostały całkowicie zachowane. Przy zapewnieniu pełnej kompatybilności "wstecz" z istniejącymi zastosowaniami, architekturę tą zaadoptowano do nowych wymagań, równocześnie implementując nowe funkcje rozkładów wyprowadzeń. Stanowi to podstawę do rozwoju technologii na kilka następnych lat.

Gerhard Szczuka
Kontron