COM Express 2.0: новые возможности процессоров для встраиваемых систем

Новые функциональные возможности, которые Intel, AMD и другие производители реализовали в своих последних семействах процессоров, вызвали необходимость создания новых версий спецификаций, которые соответствовали бы требованиям новых архитектур кристаллов. Значение поддержки усовершенствованных графических возможностей и новых дисплейных технологий для встраиваемых компьютерных платформ все более возрастает.
Организация PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) недавно выпустила версию 2.0 стандарта COM Express для встраиваемых систем последнего поколения, т.к. в новейших процессорных архитектурах были реализованы новые графические возможности и усовершенствованная поддержка дисплеев. Однако чтобы использовать преимущества улучшенных функциональных свойств и применить их при разработке устройств в малом форм-факторе, требуется, чтобы разработчики точно знали разводку контактов разъемов всех типов для версии 2.0 и учитывали важные особенности спецификации при реализации в новых устройствах.

Целью консорциума PICMG, разрабатывающего универсальные спецификации интерфейсов и форм-факторов, является предоставление разработчикам единой платформы, на которой можно проектировать перспективные продукты, рассчитанные на длительный период эксплуатации.
Контакты в разводке Type 1 выводятся на один разъем, эта разводка поддерживает традиционные интерфейсы хоста и коммуникационные интерфейсы. В разводке Type 2 добавлен второй разъем и обеспечивается поддержка 32-разрядного интерфейса PCI, а также портов IDE для устройств PATA и карт памяти CompactFlash. Имеются также дополнительные линии PCI Expres, которые поддерживают графику PCI Express Graphics (PEG). Сравнивая разводку Type 3 и Type 2, можно заметить, что в разводке Type 3 заменены только контакты IDE, что обеспечивает поддержку дополнительных каналов Gigabit Ethernet (GbE). Таким образом, в Type 3 нет устаревших интерфейсов, но теперь поддерживается до трех каналов GbE. В разводке Type 4 контакты, зарезервированные для PCI, перераспределены, в результате чего освобождаются выводы для 10 дополнительных каналов PCI Express. Они могут быть использованы как линии 0—15 PCIe или как линии 16—31 второго порта PEG. Наконец, разводка Type 5 объединяет все изменения в разводке Type 3 и 4.

Организация PICMG разработала разводку Type 6 стандарта COM Express специально для реализации расширенных графических возможностей новых семейств процессоров. В разводке Type 6 прежние контакты PCI используются теперь для поддержки интерфейса цифрового дисплея и для дополнительных линий PCI Express. Кроме того, контакты, которые раньше использовались для интерфейса IDE, теперь зарезервированы для перспективных технологий, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Одной из таких перспективных технологий может стать SuperSpeed USB, т.к. 16 свободных контактов обеспечивают достаточное число линий для реализации портов USB 2.0, как интерфейса SuperSpeed USB (USB 3.0), который требует дополнительную пару линий по сравнению с USB 2.0.
Корпорация Intel выбрала PEG в стандарте COM Express в качестве высокоскоростной шины для подключения внешних графических карт. Такие карты удовлетворяют растущие требования по производительности, а также обеспечивают поддержку различных выходных устройств. Разводка Type 6 и была внедрена, главным образом, для соответствия этим требованиям.
Разводка Type 6 поддерживает продвинутые опции графики с помощью трех новых портов, специально выделенных для новых цифровых дисплейных интерфейсов Digital Display Interfaces (DDI). При проектировании встраиваемых систем можно сконфигурировать эти порты индивидуально для интерфейса HDMI (или электрически совместимого с ним интерфейса DVI) или интерфейса DisplayPort (DP). Порт 1 DDI поддерживает дополнительный последовательный цифровой видеовыход Serial Digital Video Output (SDVO). В разводке Type 6 выход SDVO не мультиплексирован на порте PEG (такое мультиплексирование было возможным в разводке Type 2). Однако с введением Type 6 внешняя графическая карта PEG может быть использована параллельно со встроенной графикой, например, в приложениях, использующих более четырех экранов или для обработки данных с использованием графических процессоров (Graphics Processing Units — GPU).
Поддержка SDVO теперь официально входит в состав спецификации COM Express версии 2.0. Благодаря интерфейсу SDVO, который поддерживается чипсетом Intel, стандарт COM Express получил гибкие возможности обслуживания широкого спектра графических сигналов. Например, разработчики теперь могут легко реализовать интерфейс DVI, который позволяет эффективно интегрировать цифровые мониторы и двухдисплейные решения
Разводка Type 6 позволяет использовать графические интерфейсы DisplayPort, HDMI и DVI через порты DDI. DisplayPort является универсальным интерфейсом и в отличие от HDMI стандартизирован организацией VESA на бесплатной основе, что обеспечивает его растущую популярность. DisplayPort имеет не только намного более высокую скорость передачи данных в 17,28 Гбит/с (по сравнению с 2,835 Гбит/с в LVDS и 4,95 Гбит/с в DVI), но также использует микропакетный протокол, допускающий простое расширение стандарта. DisplayPort также поддерживает вспомогательный канал. Это позволяет организовать двунаправленное соединение для управления устройствами в соответствии со стандартами VESA, такими как E-DDC, E-EDID, DDC/CI и MCCS, что позволяет обеспечить работу устройств в режиме plug-and-play. Кроме того, вспомогательный канал интерфейса DisplayPort может быть использован для подключения периферии, например, сенсорных панелей, USB-устройств, фотокамер и микрофонов.
DisplayPort мог бы, в конечном итоге, заменить HDMI (наиболее популярный сегодня интерфейс на потребительском рынке). Интерфейс HDMI не был специально разработан для рынка встраиваемых систем, и опыт разработок в этой области показал, что необходимость изменения драйвера и механической конструкции HDMI возникает нередко. Интерфейс DisplayPort лучше приспособлен для встраиваемых приложений, в которых требуется обеспечить длительный срок эксплуатации (до 7 лет).

Разводка Type 10 отвечает требованиям новейших и наиболее компактных процессоров. При переходе со спецификации Type 1 на Type 10 следует обращать особое внимание на их отличия, несмотря на то, что оба типа разводки совместимы между собой. В разводке Type 1 для портов SATA 2 и 3 выделены контакты в рядах A и B, но в разводке Type 10 они специально для этого не предназначены. Эти контакты могут быть все же использованы как порты SATA, но теперь они зарезервированы для других возможных применений, таких как USB 3.0. При переходе с Type 1 на Type 10 рекомендуется не соединять устройства SATA 2 и 3 через модульный разъем, чтобы модули оставались совместимыми и в то же время готовыми к введению USB 3.0. На рисунке 1 показаны отличия разводки Type 1 и Type 10.
С разработкой COM Express версии 2.0 разводки Type 10 и Type 6 стали поддерживать последовательные порты. Контакты для этих портов раньше использовались для напряжения питания 12 В. Однако специализированные производители, подобные компании Kontron, гарантируют совместимость с существующими платами с помощью применения защитных цепей на модуле. Разработчики могут воспользоваться новыми возможностями последней спецификации, при этом избегая затрат времени и других ресурсов на полный пересмотр топологии существующих плат-носителей.

Рис. 1. Переход с разводки Type 1 на разводку Type 10 при введении спецификации COM Express Rev 2.0 отвечает требованиям сверхкомпактных процессоров последнего поколения

Еще одним отличием является то, что в Type 10 используется второй канал LVDS, ТВ-выход и VGA для поддержки порта SDVO (в качестве альтернативы — DisplayPort или HDMI/DVI) через DDI. Несмотря на то, что порт VGA был исключен из разводки Type 10, его не потеряли, просто ожидается, что в будущем он будет играть лишь вспомогательную роль. Модули Type 10 (например, модули nanoETXexpress-TT от Kontron) обеспечивают встроенную поддержку не только дисплейных интерфейсов последнего поколения, но также сдвоенных независимых дисплеев, т.к. они продолжат поддерживать LVDS-канал. Потребители, которые используют сверхкомпактные модули (например, nanoETXexpress-SP от Kontron), могут не обнаружить особой разницы в разводке. Модули Type 1 на базе процессора Atom были разработаны так, чтобы в них были зарезервированные контакты порта VGA и контакты второго канала LVDS для поддержки SDVO.
Type 10 и Type 6 теперь поддерживают сигналы Secure Digital I/O (SDIO), которые мультиплексированы с существующими сигналами GPIO. Опционально добавляются два последовательных TTL-порта на 3,3 В, которые могут потребоваться во многих традиционных приложениях. Эти изменения демонстрируют гибкость стандарта PICMG, который старается своевременно отвечать требованиям рынка. Оба порта можно использовать для интерфейсов различного назначения, например, для RS-232, RS-485, CANbus и других 2-проводных интерфейсов.

Еще одним изменением, которое затрагивает все типы модулей COM Express, является то, что разъемы в сегодняшнем виде разрешены для передачи сигналов PCI Express Gen2. Хотя никаких физических изменений в разъем или его контакты введено не было, разработчики должны соблюдать новые правила по разводке модулей и плат для PCI Express Gen2. Кроме того, контакты порта AC’97 используются теперь для поддержки AC’97 и HD-аудио.
Другим нововведением, которое касается всех разводок, является то, что кроме прежнего набора портов для встроенного программного обеспечения, имеется новый интерфейс BIOS для внутренней и внешней загрузки, который реализован в процессорах последнего поколения. Это последовательный интерфейс SPI, который предназначен для подключения встроенного программного обеспечения во флэш-памяти на модуле и плате-носителе. В спецификации зарезервированы контакты для SPI. В спецификации COM Express версии 2.0 определена поддержка внешнего микропрограммного обеспечения для всех типов модулей. Интерфейс Low Pin Count (LPC) обслуживал микропрограммное обеспечение в предыдущей версии специ­фикации, а новые модули должны поддерживать SPI, но они могут поддерживать и встроенное программное обеспечение во внешней флэш-памяти через LPC (если в используемом чипсете предусмотрена его поддержка). Причиной этого изменения является то, что новые компактные процессоры поддерживают только устройства с загрузкой по SPI.
Преимущества более компактного форм-фактора
Спецификация COM Express версии 2.0 определяет размеры нового модуля компактного форм-фактора (95×95 мм), и кроме уменьшенного посадочного места, физических требований, размещения разъема и разводки, они в точности те же, что и в базовом форм-факторе. Преимущество заключается в том, что широко распространенные устройства, использующие разводку Type 2, могут теперь применяться в приложениях, предназначенных для работы в ограниченном пространстве (см. рис. 2).

Рис. 2. Новый компактный форм-фактор COM Express 95×95 мм позволяет создавать мобильные системы с размерами планшетного компьютера в рамках спецификации COM Express

Обновленная спецификация для модулей COM Express разработана для того, чтобы соответствовать расширенным функциональным возможностям новейших процессорных архитектур и отвечать растущим требованиям рынка. Стандарт только тогда может стать длительно жизнеспособным, когда он гибко адаптируется к новым тенденциям развития устройств (в данном случае речь идет о миниатюризации и росте производительности графической подсистемы). Стандарт COM Express версии 2.0, созданный PICMG — это надежный ориентир на будущее для разработчиков встраиваемых систем. Как единственный универсальный стандарт для компьютеров-на-модуле (Computers-On-Modules), COM Express является важным инструментом для перспективных разработок на рынке встраиваемых приложений.
Сильные стороны концепции COM Express полностью подтвердились и были продемонстрированы в версии 2.0 разработкой нового компактного форм-фактора и двух новых типов разводок разъемов. Этот стандарт обеспечил полную совместимость с существующими приложениями и адаптировал признанные рынком спецификации к новым требованиям и функциональным возможностям процессоров последнего поколения.