Микропроцессор для реализации вычислительного ядра

1. Основные технические требования
      Обобщенная структурная схема блока микропроцессорного представлена на Рис. 1. Блок состоит из двух плат: КМКМ и УВИ. 

     2. 
     Рис. 1 Обобщенная структурная схема микропроцессорного блока КМКМ/УВИ
      В данной работе, проанализировав современные тенденции построения средств вычисления, выберем конкретный микроконтроллер для платы в составе платы КМКМ. Сформулируем основные технические требования  к микроконтроллеру:
1. требования к типу процессора
1.1    тип микропроцессора должен быть широко     распространенным 
1.2 операционная система микропроцессора должна быть широко распространена и коммерчески доступна и пакеты прикладных программ (трансляторы с языков высокого уровня (С,С++)
     1.3 тактовая частота не менее 1ГГц

2. Должны быть представлены следующие интерфейсы:
2.1 - интерфейс: 100 Base TX (две витые пары);
2.2 Ethernet со скоростью передачи 10/100 Мбит/с – для реализации сетевых функций;
2.3 USB не ниже 2.0 – накопители флеш дисков, устройств  клавиатуры и мышь, внешний дисплей;
     2.4 интерфейсы вывода графического изображения; 

3. требования по габаритам 
не более 110х95х11,5 мм

4. напряжение питания
напряжение питания КМКМ – 5В±10%,
5. ток потребления
          ток потребления не более __1_ мА.
6. рабочая температура
           диапазон от -40° С до + 85° С
      Принимая во внимание все эти требования, мы выберем конкретный микроконтроллер, рассмотрев ряд стандартов встраиваемых компьютерных систем.











2. Встраиваемые компьютерные системы
	
      Встраиваемые компьютерные системы это специализированные системы управления, интегрируемые в устройство, которым управляют. Такие модули строятся на базе встроенного компьютера, но не имеют привычного монитора и клавиатуры, не отображают ОС и другого ПО.

     Основными ключевыми особенностями встраиваемой системы являются:
* минимальное энергопотребление или автономное питание;
* минимальные вес и габариты;
* собственный защищенный корпус;
* возможность охлаждения;
* повышенные требования к отказоустойчивости, прочности и защищенности.
      Подобные функциональные решения востребованы в промышленности, торговле, на транспорте, в медицине, военной сфере и т. д. Встраиваемое оборудование широко применяется при создании различных автономных контроллеров, мобильных и бортовых компьютеризированных комплексов управления, навигации, связи и диагностики. Оно может быть изготовлено как для работы в комнатных условиях, так и для эксплуатации при различных экстремальных воздействиях.
      Большая доля модульных встраиваемых компьютерных систем в мире разрабатывается на базе открытых стандартов, описывающих механическую конструкцию, теплоотвод, электрические соединения и часто даже логические протоколы связи между модулями системы. Такие стандарты позволяют существенно сократить сроки разработки изделий промышленной электроники за счет использования модулей от разных производителей, не теряя при этом в новизне и технологичности самого решения. По сути, стандарт – это и есть технология обеспечения совместимости модулей различных производителей для создания целостной системы. Вопросы выбора стандарта бывают непросты для разработчиков электронной систем в основном по двум причинам. Первая – сами стандарты со временем развиваются в техническом аспекте. Уследить за ними достаточно сложно: нужно вести мониторинг появляющихся изменений. Вторая причина -  сам по себе стандарт может выглядеть интересно с технической точки зрения, но не быть популярным на рынке. Соответственно будет сложно найти те или иные необходимые модули как на этапе разработке, так и на этапе серийного производства системы.[2]  






















3. Открытые стандарты встраиваемых компьютерных систем

      Существует множество стандартов встраиваемой техники. Если мы разделим встраиваемые системы по типу применяемых в них микропроцессорных решений (архитектуры центрального процессора), то каждому стандарту можно сопоставить некоторый набор доступного для применения встраиваемого программного обеспечения (ПО), базовый набор интерфейсов и поддерживаемых периферийных устройств, а также допустимые условия эксплуатации. Ведь именно архитектура и количество управляющих процессоров определяет уровень производительности и функциональности системы, потребляемую ею мощность, а, следовательно, и область применения. 
      Мы же рассмотрим и проанализируем только часть, являющуюся наиболее популярными на сегодняшний день, и выберем тот, который будет подходить по требованиям. У каждого стандарта своя специфика эксплуатации и область, в которых он чаще всего применяется. Однако выбор стандарта – непростая задача, и в основном по двум причинам. Первая – сами стандарты со временем развиваются в техническом аспекте. Уследить за этим достаточно сложно: нужно вести мониторинг появляющихся изменений, приобретать обновленные версии, читать, а главное – усваивать их содержимое, что, как правило, требует применения «коллективного инженерного разума». Вторая причина – сам по себе стандарт может выглядеть интересно с технической точки зрения, но не пользоваться популярностью на рынке. Соответственно, будет сложно найти те или иные необходимые модули как на этапе разработки системы, так и (что существенно хуже) на этапе ее серийного производства.






3.1. VME
      Шина VMEbus – открытая гибкая компьютерная архитектура, позволяющая устанавливать до 21 модуля на одной пассивной объединительной магистрали. Магистрально-модульные системы, построенные на базе стандартов VME, используются для решения ответственных задач промышленной автоматизации и систем оборонного назначения. Преимуществом стандартов VME является возможность использования режима мультимастеринга параллельной шины VME для организации внутрисистемного резервирования или для наращивания производительности системы. Стандарт параллельной шины VME развивался в сторону увеличения пропускной способности шины с VITA32, через VITA64 и 64х, и в последнем варианте - VITA 2eSST - шина VME имеет пропускную способность до 320 Mбайт/с. Дальнейшее развитие стандарта коснулось добавления новых интерконнектов для обмена данными между модулями. Так, VITA 31 описывает требования к организации обмена данными между модулями с использованием Gigabit Ethernet и топологии двойной звезды. Технология VME позволяет создавать вычислительные системы в очень широком диапазоне производительности, от настольных компьютеров до многопроцессорных суперЭВМ, от простых и дешевых промышленных контроллеров до мощнейших многопроцессорных систем управления десятками тысяч аналоговых и цифровых каналов ввода/вывода. Не претендуя на достижение рекордных показателей, VMEbus обеспечивает приемлемое соотношение цена/производительность для системы в целом и предоставляет хорошие возможности для наращивания ресурсов. Использование нескольких расширений и новой версии стандарта для 64-разрядной передачи данных VME64 показало, что потенциал шины VME далеко не исчерпан. Новейшие реализации VMEbus обеспечивают пропускную способность 320 Мбайт/с. Конструктивно в основу VMEbus положен самый популярный механический стандарт - Евромеханика. Конечная система компонуется из функциональных модулей VME, устанавливаемых в крейты, число которых не ограничено. Крейт представляет собой каркас с объединительной магистралью VME, источником питания и вентиляцией. В каждый крейт можно поместить до 21 модуля VME. Модули соединяются через объединительную плату с нормированным волновым сопротивлением и терминаторами на каждой сигнальной линии. В качестве соединителей используются надежные 96-штырьковые разъемы DIN602-3, причем 8- и 16-разрядные модули имеют один разъем, 32/64-разрядные - два.[3] Расширенные системы VME должны по возможности сохранять совместимость с традиционными шинами, так как ряд причин, оправдывает дальнейшее применение локальных параллельных шин. Ассоциация VITA направлена на создание более производительных систем VME при условии сохранения обратной совместимости. 

3.2. VPX
      Архитектура VPX была предложена для военных и аэрокосмических систем с целью расширения в перспективе применения спецификации VITA 46, обеспечения при этом совместимости с уже имеющимся аппаратным заделом. [4] Базовые характеристики этой платформы – высокая производительность, широкие возможности создания развитой подсистемы ввода/вывода и форм-фактор, обеспечивающий стойкость к жёстким условиям эксплуатации. Шина VPX изначально разрабатывалась с учётом проблем, накопившихся при разработке и эксплуатации военных систем, поскольку адаптация и/или доработка телекоммуникационных или других стандартов, в том числе на базе шины VME, не могла решить эти проблемы. Разработчики VPX  учли этот недостаток VMEbus, и в формате 3U  VPX  было предусмотрено достаточно контактов для тыльного ввода / вывода. В стандарте VPX на объединительной панели была определена коммутируемая структура на базе высокоскоростных последовательных интерфейсов. Четыре дуплексных четырёхполосных порта коммутируемой структуры (32 дифференциальные пары) обеспечивают пропускную способность 10 Гб/с при скорости последовательной передачи 3,125 Гбит/с. В качестве последовательных интерфейсов могут применяться Serial RapidIO, PCI Express,10 GE и др. [5] Разъемы выбраны с учетом применения стандартных модулей типа PMC и XMC, которые сохраняют совместимость с новыми системами VPX. поддерживая формат 6U, новый формат 3U, необходимый для компактных приложений, и полностью заменены все разъемы новым высокоскоростным (6,25 Гбит/с) разъемом MultiGig RT-2 (7 рядов контактов, 192 пары).  VPX допускает потребление мощности до 115 Вт для 5 В, до 384 Вт для 12 В и до 768 Вт для 48 В. Возросший бюджет мощности VPX дает возможность разработчикам создавать новые модульные системы более высокой производительности. Однако возрастающие мощности приводят к проблемам охлаждения систем. 

3.3. AdvancedTCA
      Открытый стандарт, который телекоммуникационная промышленность выбрала для своих высокопроизводительных вычислительных платформ, называется AdvancedTCA (ATCA). Данный стандарт (Advanced Telecom Computing Architecture— передовая телекоммуникационная вычислительная архитектура) адресован перспективным системам нового поколения, которые должны обеспечивать долгосрочную поддержку самых современных сервисов, и потому иметь большую производительность, надежность, удобство, функциональность и масштабируемость. В основе ATCA-архитектуры лежит модульный принцип построения системы, в которой каждый модуль нагрузки является «лезвием» с установленными теми или иными процессорами, соединенными друг с другом пассивной кросс-платой с поддержкой скоростей межмодульного обмена данными вплоть до 40 Гбит/с. Как и в телекоммуникационной промышленности, использование коммерчески доступных модулей в оборонных отраслях позволяет производителям снизить себестоимость и разрабатывать системы значительно быстрее, используя самые современные технологии. Спецификация ATCA определяет: механическую конструкцию и размеры как системы, так и модулей; электрические интерфейсы; систему как элементами шасси (вентиляторы, блоки питания), так и модулями полезной нагрузки. Она также поддерживает различные типы интерконнектов, однако на практике распространение получил только один – Ethernet, который реализован в виде 1-,10- и 40-гигабитных каналов обмена информацией между модулями и соответствующими встраиваемыми коммутаторами. Обязательным условием этого стандарта является наличие, как минимум, двух дублированных интерконнектов. На практике это представлено в виде двух каналов 10/40 Gigabit Ethernet и двух каналов 1 Gigabit Ethernet, реализованных на каждом модуле ATCA. [6] Наряду с такими известными технологиями, как CompactPCI и VMEbus, технология AdvancedTCA относится к категории стандартизованных системных архитектур с пассивной объединительной панелью. Соответствующие стандарты предполагают наличие в крейте одной большой платы (объединительной панели), которая, не имея собственных активных компонентов, оснащена несколькими разъемами, куда устанавливаются процессорные, коммуникационные, DSP и иные функциональные платы (модули), взаимодействующие друг с другом по реализованным на объединительной панели сигнальным линиям. Используя функциональные платы разных типов, марок и версий, можно реализовать огромное число комбинаций на базе единственной объединительной панели. При этом объединительные панели также бывают разных типов, а функциональные модули унифицированы, и их можно легко заменять для устранения неисправностей, повышения производительности и/или реализации поддержки новых функций. Базовой топологией для любой объединительной панели AdvancedTCA является «полноячеистая сеть» (full mesh; каждый слот напрямую связан с каждым). Такой способ организации соединений позволяет получать в пределах одного шасси терабитные значения полной пропускной способности. В исходном виде топология типа «полноячеистая сеть» рассчитана на высокопроизводительные решения, где требуются максимально возможные скорости внутрисистемного обмена. Стандарт AdvancedTCA обеспечивает поддержку и таких популярных топологических схем, как «звезда», «двойная звезда» и «сдвоенная двойная звезда», поскольку они могут быть получены из полноячеистой сети путем исключения некоторых каналов. Топологии типа «звезда», «двойная звезда» и «сдвоенная двойная звезда» предполагают взаимодействие функциональных плат друг с другом через специальные модули, называемые системными концентраторами или коммутаторами


3.4. CompactPCI
      Современные спецификации для промышленных компьютеров на базе PCI называются CompactPCI. Электрически шина отличается от PCI стандарта 2.2 тем, что позволяет подключить большее число устройств. Но в целом совместима и обычно использует тот же набор микросхем. Физически разъём выполнен по-другому и позволяет использовать «горячее подключение» плат — то есть устанавливать и извлекать плату, не прерывая работоспособности компьютера. Изделия CompactPCI широко используются в телекоммуникациях. Широкое применение сдерживается высокой ценой изделий по сравнению с VME. Стандарт CompactPCI позволяет добавить дополнительные сигналы, для передачи данных помимо шины PCI. Стандарт CompactPCI приобрел статус основной открытой архитектуры для систем телекоммуникаций и компьютерной телефонии. Стандарт CompactPCI объединяет в себе схемотехнику PCI c механическим стандартом Eurocard. Открытость стандарта CompactPCI позволяет применять аппаратные и программные средства от многих производителей, что резко уменьшает время выхода конечных систем на рынок. Это является одним из главных факторов успеха стандарта CompactPCI на очень быстро развивающемся рынке приложений и систем компьютерной телефонии. Растущая популярность стандарта связана также с разворачиванием крупных операторов связи и производителей телефонного оборудования в сторону промышленных систем компьютерной телефонии. Реализация таких крупных корпоративных и готовых к коммерческому использованию систем предполагает обеспечение высокой степени интеграции (канальности) и надежности систем. Именно такие промышленные решения способны обеспечить платформы компьютерной телефонии на основе стандарта CompactPCI. Это относится как к многоканальным (100-300-700) шлюзам IP-телефонии, крупномасштабным системам обработки звонков (call-centers), системам телеголосования так и ко всем крупным системам компьютерной телефонии, которые применяются корпоративными клиентами и операторами. [7] Возможность использования любого стандартного ПО, простота освоения, высокая надежность, доступность и дешевизна компонентов – отличительная черты оборудования в стандарте Compact PCI. Compact PCI обеспечивает плотную упаковку компонентов, хорошую защиту от электромагнитных помех и оптимизированную систему охлаждения. Оборудование этого стандарта получило применение в наиболее ответственных системах, разрабатываемых, как правило, под расширенный температурный диапазон и применяющихся в военных приложениях — наземные и передвижные радиолокационные и тактические системы, системы для электростанций всех типов, высоконадёжные применения в других отраслях промышленности. Использование модулей Compact PCI ускоряет процесс разработки и серийного производства ответственных встраиваемых систем высокой надежности промышленного, военного и коммуникационного назначения. 

3.5. CompactPCI Serial
      CompactPCI Serial PICMG CPCI-S.0 — новый независимый базовый стандарт, имеющий совершенно новый разъем, позволяющий передавать данные с большей скоростью и большей плотностью сигнала. Устройства CompactPCI Serial предназначены для использования на транспорте и в иных подвижных системах, например, в информационно-развлекательных устройствах для автомобиля или в ответственных промышленных системах, которые должны безотказно функционировать все время выполнения целевой задачи. Имеет 5 ключевых нововведений: новые разъемы, высокоскоростные интерконнекты, новое расположение разъемов на платах 6U, новая схема питания и технология кондуктивного охлаждения. Спецификация существенно увеличивает пропускную способность по всем типам интерконнектов: обмена данными – PCI-E и Ethernet, под системы хранения – SAS/SATA и под системы ввода-вывода для периферии общего профиля – USB 2.0/3.0. Разработчик системы имеет выбор из 4 типов интерконнектов, что позволяет существенно сократить количество мостов для связи периферии с системным контроллером. Прямое подключение SATA-дисков, включая использование встроенного в чипсет RAID, подключение контроллеров с портами USB, USB-считывателей карт CompactFlash, SD и microSD. Спецификация предоставляет интерконнект обмена данными с низкой латентностью и высокими скоростями межмодульного обмена, позволяющими создавать кластеры, объединяющие ресурсы нескольких модулей.  Системы 3U  более подходят по мощности для выполнения клиентских задач, а системы 6U имеют, как правило, серверную функциональность и предназначение. Также   CompactPCI Serial открывает перед разработчиками новые возможности, скорее, не в ядрах публичных телекоммуникационных сетей, а на их периферийных и пограничных участках. Вне зависимости от типа потребителей информации, будь то цифровой дом, цифровой транспорт, цифровой офис или абоненты, оборудование для их доступа в сеть должно уметь воспринимать различные проводные и беспроводные протоколы передачи данных, агрегировать и конвертировать эти потоки в TCP/IP и вести их первичную обработку. Будучи разработанным для использования при решении различных задач, стандарт Compact PCI Serial поддерживает различные технологии резервирования и «горячей» замены.  Предоставляет разработчикам систем очень широкие возможности по интегрированию наследственных модулей в рамках одной системы. Периферийные или прикладные модули используют одинаковые разъемы и полностью совместимы. Системные контроллеры и периферийные модули, системные контроллеры и периферийные модули 3U могут быть использованы в системах 6U. [8]

3.6. PC/104
      PC/104 — стандарт компактных промышленных вычислителей и периферийных модулей, построенных на базе модифицированной шины ISA. Появление на рынке стандарта PC/104 предоставило разработчикам встроенных систем возможности для значительного уменьшения стоимости решений, а также снижения рисков и сокращения времени разработки, поскольку для PC-компьютеров разработано самое разнообразное прикладное ПО, а архитектура таких компьютеров хорошо известна разработчикам. Быстрая разработка ПО и использование унифицированных встраиваемых модулей позволяет быстрее выходить на рынок с новыми решениями и повысить универсальность электронных изделий, а также обеспечить возможность их быстрой модернизации. Решения в формате PC/104 обладают всеми вышеперечисленными преимуществами. Отличительной особенностью механического конструктива PC/104 является расположение контактов не на ребре платы, а перпендикулярно ей, что позволяет устанавливать платы друг на друга как бутерброды. Такая конструкция позволяет собрать до 3-6 плат в один большой «сэндвич» и разместить его в компактном герметичном корпусе, который будет иметь большую ударопрочность. Подобный подход широко применяется в космонавтике, военной технике. Спецификации стандарта PC/104 содержат механические и электрические рекомендации на реализацию шины IEEE P996 для уникальных требований встроенных систем. Минимальные размеры модулей (90x96 мм), мезонинный проходной конструктив, требования к минимизации энергопотребления каждого модуля (не более 2 Вт) - позволяют разработчикам воплощать в жизнь проекты вычислительных систем с миниатюрными размерами и минимальным энергопотреблением. Спецификация PC104 предлагает полную архитектурную, аппаратную и программную совместимость с компьютерными стандартами в компактных размерах плат 3,6"x3.8" (91,44 мм х 96,52 мм). Название стандарта было получено из-за применения 104-контактной шины ISA, расположенного в нижней части пла-ты. PC/104 - PLUS - дополнение к стандарту PC/104, реализующее высокую скорость PCI шины во внедренных прикладных программах. Главная цель дополнения PCI-шины к PC/104 состояла в сохранении атрибутов, сделавших PC/104 успешным стандартом во внедренных прикладных программах. Применение шины PCI позволило расширить функциональные возможности систем с помощью PCI-совместимых функций: видео, Ethernet и другие коммуникационные возможности. При этом, платы выполненные в стандарте PC/104-Plus, полностью совместимы со всеми платами, выполненными в стандарте PC/104. [9]

3.7. COM-модули («Computer-on-Modules»)
      В идеальном случае, обладая небольшими размерами и необходимой надежностью, встраиваемая компьютерная система должна не только выполнять свои функции, но и обладать еще и достаточной гибкостью для возможной модернизации, когда потребуется улучшение характеристик вычислительного ядра. Очевидно, что при этом возникает проблема обеспечения совместимости компонентов системы в будущем. Казалось бы, удовлетворение всей совокупности перечисленных требований – задача не из простых, так много факторов необходимо учитывать. Однако технологии не стоят на месте, и на помощь разработчикам пришла концепция COM-модулей. Компьютерные модули(называемые также «компьютеры на модуле» - Computer-On-Module, COM) представляют собой полнофункциональный компьютер, выполненный в виде мезонинный платы. В состав компьютерного модуля (КМ) входят центральный процессор, чипсет, BIOS, память, некоторый набор контроллеров периферии и разъемы, через которые КМ подключается к другой плате, называемой платой-носителем. [10] Предназначением компьютерных модулей COM является использование их в качестве мезонинов, которые устанавливаются на специализированных платах-носителях. На ней реализуются все пользовательские интерфейсы, набор специализированных функций и первичные источники питания.  Модули предоставляют возможность последующего расширения функциональных возможностей системы, а также разработки решений на их основе под требования заказчика без применения каких-либо кабелей. При использовании COM-модулей разработчикам нет необходимости заниматься проектированием собственного процессорного модуля, что позволяет им больше внимания концентрироваться на выполнении основной задачи, например, разработке конечной системы. Имея компактный размер, низкое тепловыделение и широкий набор интерфейсов, выводимых через стандартные разъемы, КМ позволяют совмещать компьютерную функциональность и клиентское приложение в рамках одной встраиваемой системы. Если приложение требует дополнительных вычислительных ресурсов или улучшения энергоэффективности, этот COM-модуль легко может быть заменён на тот, который обеспечивает требуемый уровень производительности или энергопотребления. 



4. Форм-факторы COM-модулей

      Из рассмотренных нами стандартов нам больше всего подходят COM-модули, т.к. они имеют небольшие размеры, низкое тепловыделение и широкий набор интерфейсов, выводимых через стандартные разъемы. Далее рассмотрим форм-факторы COM-модулей, выбирая из них тот, который будет соответствовать нашим требованиям.

4.1. ETX
      Стандарт ETX (Embedded Technology eXtended) определяет полнофункциональные мультимедийные компьютеры на платах размерами 95 x 114 мм. В стандарте ETX описаны не только шины ISA и PCI, но и все прочие PC-интерфейсы, а также разводка питания. Все интерфейсы и линии питания ETX выведены в четыре низкопрофильных 100-контактных разъема промышленного класса, служащих для подключения к базовой плате. Имеют периферийные функции, такие как графика, USB, последовательные и параллельные порты, клавиатура/мышь, Ethernet, IDE, PCI, и шины ISA. У всех модулей ETX есть стандартизированный форм-фактор и стандартизированное расположение соединителя. Базовая плата позволяет реализовать дополнительные функции, если таковые необходимы в конкретном приложении. В решениях на базе модулей ETX число внутрисистемных кабелей минимально, что дает ощутимую экономию при серийном производстве. «Механический» раздел спецификации ETX содержит описание концепции отвода тепла. Каждый модуль оснащен специальной охлаждающей пластиной, целиком покрывающей его поверхность. Обычно эта пластина соединяется с корпусом системы. Это позволяет создавать системы, не имеющие активных охлаждающих элементов и обладающие при этом отличными термальными характеристиками даже при использовании современных высокопроизводительных процессоров. [11] Рассмотрим ETX-модуль: ETX®-LX: AMD LX800 с 500 MГц, графика, звук, Ethernet и LVDS (JILI)

Рис.2 ETX®-LX (ETX)

* Процессор: AMD Geode™ LX800 500 МГц 
* Память: до 1ГБайт DDR-RAM (266/333/400) 
* Жесткий диск: 2x SerialATA (RAID 0, 1), 1x PATA 100, 1x CompactFlash™ разъем на плате 
* 4х USB 2.0 
* Ethernet: 10/100 Mбит Ethernet, Intel® 82551ER 
* Графика: 
o интегрированная в Geode LX800, до 254 Мбайт UMA 
o LVDS до UXGA (1600x1200), CRT до WUXGA (1920x1440) 
* Энергопотребление: 6,5 Вт при 500МГц, 5В 
* Температура: рабочая: 0° C ... + 60° C, хранение: - 30° C дo 85° C 
* Размеры: 95 х 114 х 10 мм 

4.2. COM Express basic (ETXexpress)
      Изделия COM Express basic – это элита в мире встраиваемых модулей, поскольку они создаются на базе самых передовых технологий и ориентированы на приложения завтрашнего дня. Этот стандарт обеспечивает повышение производительности и гибкости благодаря использованию шины PCI Express. Он программно совместим с шиной PCI, которая может поддерживаться 32-разрядным интерфейсом PCI 2.х. Модуль имеет размеры 95х125 мм. Он подключен к плате-носителю 160-контактным разъемом, поддерживающим передачу данных с частотой до 5 ГГц. Тепло отводится через контактные площадки на модуле и пластину-теплораспределитель. Модули COM Express basic оснащаются быстрыми последовательными интерфейсами PCI Express, Serial ATA, USB 2.0, LVDS и Serial DVO, что позволяет в полной мере раскрыть потенциал современных многоядерных процессоров. Рассмотрим один из таких модулей: COMe-bAI#: COM Express модуль с процессором Intel® Core™ i7/i5

Рис.3 COMe-bAI# (COM Express basic)
* Процессор: Intel Core i7 и i5 до 2.53 ГГц 
* Память: до 8Гб DDR3, двухканальная с ECC, 2 разъема DDR3 SO-DIMM 
* Жесткий диск: 4 x SATA (3Гб/с), PATA 
* USB: USB 2.0, 8 портов 
* Шина PCI: PCI 2.3, 33 МГц 
* PCIExpress: 6 PCIe x1 Type 2, 1 PEG x16 
* Ethernet: 10/100/1000 Мбит, контроллер Intel 82557 
* Плоскопанельный интерфейс: Аналоговый VGA, LVDS 
* Размеры: 95 x 125 мм 
* Питание: от 8 до 18 В 
* Рабочий диапазон температур: от + 0° С до + 70° С 
* Потребляемая мощность: 20-40 Вт 

4.3. Compact COM Express (microETXexpress)
      Стандарт compact COM Express является производным по отношению к стандарту COM Express консорциума PICMG. Спецификация предусматривает поддержку как шины PCI Express так и шины PCI по принципу «или-или». PCI-вариант адресован тем разработчикам, которые хотят модернизировать свое оборудование, но пока не готовы к отказу от PCI и переходу на новый системный интерфейс. Размеры составляют 95 x 95 мм, площадь – 90,25 см? (76 процентов от площади COM Express basic, которая равна 118,75 см?). Механически модули меньших габаритов полностью совместимы с полноразмерными изделиями COM Express (их можно устанавливать на те же базовые платы). Выводы PCI и PCI Express у модулей microETXexpress располагаются  в разных разъемах. Это сделано для  того, чтобы при переходе с PCI на PCI Express, а также при совмещении PCI с PCI Express базовая плата  претерпевала минимальные изменения. Пользователи, планирующие  расширять свои системы в будущем, могут сразу реализовывать на базовых платах интерфейсы PCI Express  и Serial ATA. Когда придет время задействовать эти технологии, им останется лишь заменить один процессорный модуль на другой. Рассмотрим  COMe-cOH#: COM Express® модуль в формфакторе Compact для графических приложений


Рис.4 COMe-cOH# (Compact COM Express)
* Процессор: AMD G-Series Fusion Advanced Processing Unit (APU) 
* Частота: до 2x 1,6 ГГц 
* Память: до 8 Гбайт одноканальной DDR3 
* Жесткий диск:4x Serial ATA 2.0 
* USB: до 8x USB 2.0, до 2x USB 3.0 
* PCI Express: 6x PCIe – до 4 каналов, конфигурируемых как x4, x2 или x1, до 2 каналов, конфигурируемых как x2 или x1 
* Ethernet: 10/100/1000 Мбит 
* Графика: встроенный AMD Graphics Processor Unit (GPU) на G-series APU w/Direct X® 11, OpenCL™ 1.0 и OpenGL® 3.2 и 2.1 
* Графическая память: интегрированный контроллер графической памяти 
* Интерфейс плоских дисплеев: DisplayPort: 2560 x 1200 x 60 Гц, HDMI/DVI: 1920 x 1200 x 60 Гц, одноканальный (18 бит);LVDS, аналог. VGA: 2560 x 1600 x 60 Гц 
* Диапазон питания: 4,75–18 В 
* Размеры (мм): COM Express compact 95 x 95 Type 6 
* Рабочая температура: от 0° С дo + 70° С


4.4. Mini COM Express (nanoETXexpress)
      Спецификация mini COM Express «продолжает дело» compact COM Express по дальнейшей миниатюризации модулей COM с поддержкой PCI Express ценой окончательного отказа от параллельной шины PCI. Площадь этого модуля, имеющего размеры 55 x 84 мм (размеры кредитной карточки), составляет 39 процентов от площади модуля COM Express базового формата (125 x 95 мм) и 51 процент от площади модуля Compact COM Express (95 x 95 мм). Новый COM-конструктив опирается на стандарт PICMG COM Express и сохраняет полную механическую совместимость с разъемом COM.0 Type 1. Расположение и разводка всех выводов также остались прежними. В индустрии  изделия mini COM Express занимают свою собственную, уникальную нишу. Снизу к ним примыкают ультракомпактные, но малопроизводительные модули X-board и DIMM-PC, сверху — высокопроизводительные, но уже достаточно крупные одноплатные компьютеры compact COM Express. Изделия mini COM Express позаимствовали лучшие черты и от тех, и от других своих соседей: поддерживая самые современные процессоры и интерфейсы, они остаются вместе с тем одними из самых миниатюрных модулей COM. Данная совокупность свойств не имеет аналогов в индустрии COM в целом. [12] Пример этого форм-фактора:

COMe-mSP1 построен на Intel® Atom™ processor серии Z5ХХ

Рис.5 mini COM Express (COMe-mSP1)


* Процессор: Intel Atom processor серии Z5XX 
* Частота: от 1.1 ГГц до 1.6 ГГц 
* Флеш на плате SSD Flash до 4 Гбайт 
* SATA:  1x Serial ATA поддержка 1.5 GBit/s 
* USB: 8 x USB 2.0 портов 
* PCI Express: 1 x PCI Express x1 Lane (опц. 2 PCIe x1, если на плате нет LAN)
* Ethernet: 10/100/1000 Mbit 
* Графическая память: до256 MByte, UMA  
* Графический контроллер встроенный Intel Graphics HDTV/HD, декодер для MPEG2(HD)/H.264 
* Интерфейс плоских дисплеев: один канал LVDS 18/24 Бит; WXGA 1366 x 768 
* Размеры: 55 мм x 84 мм 
* Энергопотребление (тип.) Idle 4,5Вт  при 12В 
* Температура: Рабочая: 0° С - 60° С. Хранения: - 10° С - 85° С
* Диапазон питания: 4,75 В - 14,7 В 



5. Результат выбора микропроцессора

      Для удобства сравнения занесем все рассмотренные модули и их характеристики в таблицу:


ETX
Com Express
basic
Com Express
compact
Com Express
mini
Процессор
AMD Geode™ LX800 
Intel Core i7
AMD G-Series Fusion Advanced Processing Unit
Intel Atom processor серии Z5XX
Тактовая частота
500 МГц
до 2.53 ГГц
до 2x 1,6 ГГц 
от 1.1 ГГц до 1.6 ГГц
PCIexpress
отсутствует
6 PCIe x1 Type 2, 1 PEG x16 
6x PCIe 
1 x PCI Express x1 Lane
Ethernet

10/100 Mбит
10/100/1000 Мбит
10/100/1000 Мбит
10/100/1000 Mbit 

USB 
4х USB 2.0 

USB 2.0, 8 портов
до 8x USB 2.0, до 2x USB 3.0
USB: 8 x USB 2.0 портов 
интерфейсы вывода графического изображе-ния;
Geode LX800, до 254 Мбайт UMA;LVDS до UXGA(1600x1200),  CRT до WUXGA (1920x1440) 

Аналоговый VGA, LVDS
DisplayPort: 2560 x 1200 x 60 Гц, HDMI/DVI: 1920 x 1200 x 60 Гц, одноканальный (18 бит) LVDS, 
аналог. VGA: 2560 x 1600 x 60 Гц
один канал LVDS 18/24 Бит; WXGA 1366 x 768

Жесткий диск
2x SerialATA (RAID 0, 1), 1x PATA 100, 1x CompactFlash™ разъем на плате
4 x SATA (3Гб/с), PATA
4x Serial ATA 2.0
SSD Flash до 4 Гбайт, 1x Serial ATA поддержка 1.5 GBit/s
Габариты 

95 мм х 114 мм
95 мм x 125 мм
95 мм x 95 мм
55 мм x 84 мм
Мощность потребления   
6,5 Вт
20-40 Вт
30-60 Вт
4,5 Вт
диапазон входного питания 
5 В

от 8 до 18 В
4,75–18 В
4.75 В - 14,7 В
Рабочая температура
0° C до + 60° C
0° С до + 70° С 
 0° С дo + 70°
0° С до + 60° С
Таблица 1. Сравнение форм-факторов.

      По таблице видно, что по всем  требованиям нам подходит модуль mini COM Express (COMe-mSP1). Ценность COMe-mSP1 для профессиональных разработчиков обусловлена тем, что это не «голый» процессор и не  набор из процессора и чипсета, а готовая интегрированная недорогая платформа,   которую можно и нужно использовать как ядро разрабатываемой мобильной системы. Покупая этот модуль, разработчик получает перспективный процессор Intel Atom на стандартизированной плате сверхмалых размеров, для которой уже написана масса системного и прикладного ПО. Механически «компьютер-на-модуле» COMe-mSP1 (mini COM Express) полностью совместим со стандартным разъемом COM Express COM.0 Type 1, который обеспечивает доступ к целому ряду современных интерфейсов: Gigabit Ethernet, Serial ATA, 8 х USB 2.0 и PCI-Express x1. Возможна реализация дополнительных каналов PCI Express и подключение внешнего моста для сопряжения шин PCI Express и PCI. Реализована поддержка таких интерфейсных технологий, как SD/SDIO (SD, miniSD, MMC и DE-ATA). Этот модуль также имеет 18/24-разрядный канал LVDS, графическую память объемом 256 Мбайт, декодеры MPEG2 и H.264 и способен осуществлять визуализацию в формате HDTV. Разъем COM Express эффективнее противостоит воздействию ударов и вибрации и обладает улучшенными электромагнитными характеристиками. Этот продукт работает под управлением операционных систем Linux, Windows XP/XP Embedded/CE, VxWorks и опционально: QNX, LynxOS и иные ОСРВ. Широкий спектр доступного системного ПО обуславливает универсальность применения этого модуля в различных областях. Используя его для создания мобильных устройств  следующего поколения, ОЕМ-производители смогут значительно снизить свои финансовые и временные затраты при ра.......................