Seit der embedded world im Frühjahr 2012 vergeht kaum ein Monat, in dem nicht ein weiterer Modulanbieter seine ARM-Cortex-A9-Lösung vorstellt. Dabei gibt es grundsätzlich drei unterschiedliche Ansätze beziehungsweise Spezifikationen:

• Q7 für ARM
• ULP-COM (Ultra low Power COM)
• und diverse proprietäre Lösungen.

Wie üblich bringt jeder Anbieter Argumente für seine Lösung vor, die teilweise auch eine klare Positionierung gegenüber den anderen Lösungen darstellt. Es lohnt sich, die Details genauer unter die Lupe zu nehmen, um zwischen Marketing und Fakten zu unterscheiden. Letztendlich ist die Festlegung auf einen Modul-Anbieter eine Entscheidung für längere Zeit, da jeder Wechsel des Modul-Anbieters stets Aufwand und Kosten verursacht.

Wie bereits im x86-Markt haben einige Modulhersteller auch für ARM-Cortex-A9-Module Spezifikationen vorgestellt. Dazu zählen neben den herstellerspezifischen Standards Q7 und ULP COM. Prinzipiell sind bei einem Standard sowohl die Boardgröße als auch die Pin-Belegung des Stecksystems zwischen CPU-Modul und Trägerboard festgelegt. Schließlich sollen die Systeme kompatibel und damit austauschbar sein und die meisten Funktionen des Prozessors über das Stecksystem bereitstellen. Unter Umständen sind aber einige Funktionen des Prozessors überhaupt nicht im Modul-Standard definiert, sprich: Sie werden nicht auf das Baseboard geführt und stehen somit für die Anwendung nicht zur Verfügung. Andere Funktionen des Standards, zum Beispiel die zweite Gigabit-Schnittstelle bei Q7 oder das zweite CAN-Interface bei ULP COM, lassen sich über entsprechende Zusatzchips realisieren. Umgekehrt definieren die Standards einige Funktionen, die der Prozessortyp nicht unterstützt.

Genau das ist bei einem erfolgreichen Standard im x86-Markt der Fall: COM-Express bildet zwar alle Prozessorfunktionen ab. Abhängig von Prozessor beziehungsweise Chipsatz lassen sich jedoch einige Funktionen nicht realisieren. So definiert der COM-Express-Standard zwar acht USB-2.0-Schnittstellen, die jedoch von den wenigsten Prozessor/Chipsatz-Kombinationen unterstützt werden. Meist stehen zwischen vier und sechs USB-2.0-Schnittstellen zur Verfügung. Auch die in der Pinout-Version 2 von COM-Express festgelegten 24 PCI-Express-Lanes sind in aller Regel nicht komplett verfügbar.

Einen optimalen Standard zeichnet demnach aus, dass sowohl alle Prozessorfunktionen in der Anwendung über das Steckersystem zur Verfügung stehen als auch sämtliche sonstige Funktionen einer Spezifikation über Zusatzchips realisiert sind. Umgekehrt kann man davon ausgehen, dass das Preis-Leistungs-Verhältnis nicht optimal ist, wenn die von Prozessor und externen Chips bereitgestellten Funktionen stark von den spezifizierten Funktionen abweichen.

Austauschbarkeit nur unter Vorbehalt

Ein Vergleich der angebotenen ARM-Systeme unter diesen Aspekten zeigt, dass ein realer Standard mit einer garantierten Kompatibilität und Austauschbarkeit im ARM-Markt nur bedingt möglich ist. Das Q7-System definiert auf einer Boardfläche von 70 mm × 70 mm über den Systemstecker insgesamt 177 Signale; der Rest der insgesamt 230 Pins ist Versorgungs-Pins vorbehalten. Die Vergleichstabelle zeigt, welche Signale des Freescale i.MX6-Prozessors vom Q7-Standard (Rev1.2) unterstützt werden und welche nicht sowie welche Pins der Prozessor liefert, die aber nicht über das Steckersystem nach außen geführt sind. Da die vielen Schnittstellen des i.MX6 aber für Anwender interessant sein könnten, bieten viele Q7-Modulhersteller zusätzliche Stecker an, um diese Schnittstellen auf dem Trägerboard verfügbar zu machen. Die Q7-Spezifikation sieht zwar eine Fläche für Zusatzstecker und -funktionen vor, bei der tatsächlichen Realisierung herrscht aber eine allgemeine Platzierungsfreiheit vor. Damit wird bei Q7 für ARM eine Austauschbarkeit zwischen den einzelnen Herstellern nur sehr bedingt möglich.

Beispiele wie der SATA-Stecker bei ETX 3.0 zeigen, dass zusätzliche Stecker auf einem Modul nicht wirklich eine optimale technische Lösung darstellen und die Positionierungsfreiheit des Moduls auf dem Applikationsboard unter Umständen stark einschränken. Als Lösung wurde damals ETX stark propagiert, mit allen Funktionen über das Stecksystem. Anfangs gab es ETX-Module auch mit einem Compact-Flash-Stecker. Aber es zeigte sich schnell, dass dadurch die Einbausituation für ein Modul extrem eingeschränkt wurde, wenn die CF-Karte in der Anwendung austauschbar sein sollte. Spätestens mit der Einführung des ETX-Heatspreaders zur besseren thermischen Kopplung waren diese Lösungen verschwunden. Die gleiche Problematik besteht heute mit einem MicroSD-Stecker auf den Modulen.

Der Signalvergleich des ARM-Prozessors i.MX6 von Freescale mit den beiden ARM-Spezifikationen zeigt die Unter-/Überversorgung mit einzelnen Schnittstellen.

© Congatec

Es sind weitere Standardisierungen in der Q7-Gruppe angekündigt, ebenso eine kleinere Boardversion, um spezielle Nischen besser bedienen zu können. Eine volle Kompatibilität, wie von vielen Q7-Boardherstellern angepriesen, existiert in der Realität jedoch nicht. Auch der Übergang von einer Q7-ARM- auf eine x86-Lösung, die unter anderem einen SM- und LPC-Bus sowie ein Express-Card-Interface bietet, wird nur mit einer Veränderung des Applikationsboards möglich sein, da ARM-Lösungen diese Features nicht bereitstellen. Trotzdem kann der Umstieg für Anwender interessant sein, kennen sie doch den Formfaktor und können einige Teile des bisherigen Designs wieder verwenden.

Das ULP-COM-System bietet den kleineren Formfaktor (82 mm × 50 mm Boardfläche) und mit insgesamt 314 Pins (maximal 257 Signalpins) deutlich mehr Pins auf dem Stecker als ein Q7-System. Auch hier stehen einige Signale des Freescale-i.MX6-Prozessors nicht auf dem Stecker zur Verfügung. Umgekehrt unterstützt der Prozessor einige im ULP-Standard definierte Signale nicht, beispielsweise zwei zusätzliche PCIe-X1-Schnittstellen.

Kompatibilität zu Lasten der Funktionalität

Noch prekärer fällt ein Vergleich der beiden Spezifikationen mit ARM-Prozessoren anderer Hersteller aus, zum Beispiel TI OMAP44xx. Bei dieser Konstellation sind die Abweichungen noch umfangreicher und die Austauschmöglichkeiten zwischen Modulen mit Prozessoren unterschiedlicher Hersteller entsprechend geringer. Zwar wurde schon ein großer Schritt in Richtung Standardisierung für ARM-Module unternommen, allerdings machen die weiterhin sehr unterschiedlichen Ausprägungen der Prozessoren einzelner Chip-Anbieter einen echten Standard, wie er im x86-Modulbereich mit COM-Express tatsächlich vorliegt, nur sehr eingeschränkt nutzbar: Eines der Hauptargumente für Standards – die Austauschbarkeit – gilt für ARM-Module nur dann, wenn die Anzahl der genutzten Signale stark reduziert wird. Benötigt ein Anwender die volle Leistungsfähigkeit des ARM-Cortex-A9-Prozessors auf dem Modul, muss er auf die „Sonderlösungen“ der einzelnen Anbieter zurückgreifen. Dann liegt jedoch wieder ein proprietäres System vor, das unter anderem hinsichtlich Boardformat, Speichersystem und Stecker im Standard verhaftet ist.

Proprietär ohne Kompromisse

Wenn schon proprietär, dann wie beim ARM-Modul TQMa53 möglichst ohne Kompromisse hinsichtlich Stecker-Belegung, Modulgröße und anderer Eigenschaften.

© TQ-Group

Proprietäre Systeme haben dagegen alle Freiheitsgrade, optimal auf einen Prozessor oder eine Prozessorfamilie zugeschnitten und entwickelt zu werden. Dabei fällt die Boardgröße meist deutlich kleiner aus als bei den Standard-Lösungen. Auf der Schnittstellenseite können alle oder der überwiegende Anteil an Schnittstellen individuell über den Systemstecker zur Verfügung stehen. Unter dem Aspekt der möglichst langfristigen Nutzung einer Prozessorplattform bietet ein solches Modul die größtmöglichen Freiheiten für den Anwender. Genau unter diesem Gesichtspunkt entwickelt die TQ-Group ihre ARM-Module. Wie im x86-Markt
werden aber sicher auch im ARM-Modulmarkt unterschiedliche Lösungen nebeneinander existieren und ihre Anwender finden.

Autor: Wolfgang Heinz-Fischer ist Marketingleiter bei der TQ-Group in Seefeld.