Zu Beginn der PC-Ära hatte das Mainboard die Größe einer Pizzaschachtel. Das Board war mit ICs bestückt, die jedes für sich eine genau definierte Funktion ausführte, zum Beispiel Timer, DMA-Controller und Grafik. Durch höhere Integration auf Chipebene konnten sich kompakte Formate für die Mainboards etablieren, die in der Industrie zum Standard wurden wie beispielsweise PC104, ETX oder 3,5-Zoll.

Vollgepackt mit Funktionen und Interfaces sind Boards heute nach dem Mini-ITX-Standard. Dabei sind die so genannten 'Legacy'-Schnittstellen wie RS232 und ISA-Bus oft dem Mangel an Platz auf dem Board gewichen. Bei einem Büro-PC spielt dies keine Rolle und ist sogar erwünscht, da neuere Komponenten wie Grafikkarten oder Festplatten auch neue Schnittstellen haben, die höhere Geschwindigkeit oder geringere Leistungsaufnahme bieten.

Industrielle Anwendungen setzen hingegen oft auf Spezial-Hardware. Fertigungsanlagen oder Prozessautomatisierungen erfordern spezielle Erweiterungen, die in der Lage sind, das Maschinenprotokoll anzusteuern und umzusetzen. Beim Austausch oder Ersatz eines Steuerrechners müssen diese Karten weiter verwendet werden. Langfristige Investitionen in Hard- und Software können damit gesichert werden. Im industriellen Umfeld muss ein Rechner zudem ganz andere Qualitäten aufweisen als ein Desktop-Rechner für das Büro: Die Umgebungstemperatur kann stark schwanken oder an den Extrempunkten des Thermometers liegen, der Rechner muss zuverlässig ohne Unterbrechung oder Reboot arbeiten und eine kompakte Bauform den flexiblen Einsatz an Maschinen aller Art ermöglichen.

Alle Funktionsblöcke integriert

Das Blockschaltbild des Vortex86 DX3, bestehend aus CPU sowie North- beziehungsweise Southbridge.

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An dieser Stelle setzt der 'Vortex86 DX3' von DMP an: Der höhere Integrationsgrad durch fortgeschrittene Verkleinerung der Halbleiter-Strukturen wurde nicht nur verwendet, um mehr CPU-Kerne oder Cache auf dem Silizium-Die unterzubringen, sondern auch, um weitere Peripherie auf dem Chip zu integrieren. Zusätzlich zu den üblichen Standards bringt die CPU Schnittstellen und Funktionen mit, die in der Automatisierung gute Dienste leisten können. Das Besondere daran ist, dass alle Funktionen in einem einzigen Chip integriert sind. So können viele Elemente eingespart werden, die sonst auf den Boards vorhanden sind.

Damit wird der Aufwand für die externe Beschaltung minimiert, die für einen vollwertigen PC benötigt wird. Alle Funktionsblöcke sind integriert, so dass nur noch RAM und ein Massenspeicher extern angebunden werden müssen. Für letzteren stehen PATA, SATA und auch ein SD-Card-Interface zur Verfügung, so dass sowohl Festplatten, Solid-State-Disks als auch SD-Karten als Boot- und Datenmedium angeschlossen werden können. Mit dieser Zielrichtung – der Automatisierung in der Industrie – bringt der DX3 weitere Hardware-Funktionen mit: Eine GPU mit zwei unabhängigen Kanälen, PCI Express und 8/16-Bit-ISA, neun COM-Ports, zwei I²C-Busse, USB 2.0, Ethernet und ein 11-Bit-8-Kanal-ADC. Mit zwei CPU-Kernen und 1 GHz Takt bietet die CPU ausreichend Rechenleistung für typische Anwendungen. Für den industriellen Einsatz sprechen der erweiterte Temperaturbereich zwischen –40 und +85 °C und die langfristige Verfügbarkeit – der Hersteller garantiert mindestens sieben Jahre. Für minimale externe Beschaltung ist sogar das BIOS mit AMI-Lizenz auf einem internen Flash-Speicher integriert.

Hauptmerkmale des Vortex86 DX3

Die Vielzahl der Schnittstellen, die in heutigen Desktop-PCs nicht mehr vorhanden, in der Industrie aber immer noch aktuell sind, ermöglicht eine kompakte Bauweise. Für Betriebssysteme wie Windows CE beziehungsweise Windows Embedded Compact, Linux oder auch Echtzeit-Betriebssysteme bringt die CPU völlig ausreichende Rechenleistung mit. Die zwei Kerne unterstützen sowohl die quasi-parallele Ausführung von Betriebssystem und Anwendungsprogramm als auch die Leistung für rechenintensive Aufgaben.

Grafikcontroller greift auf Hauptspeicher zu

Der Grafikcontroller verwendet im Modell der Unified Memory Architecture einen Teil des Hauptspeichers als Bildspeicher, wobei die Größe je nach Anforderung eingestellt werden kann. Ein 2D-Grafikbeschleuniger entlastet die CPU von typischen Bitmap-Rendering-Aufgaben. Ein interessanter Aspekt ist, dass gleichzeitig zwei Displays unterschiedlicher Auflösung und Inhalts angesteuert werden können. Lediglich die Wandlung auf das passende Interface-Format wie zum Beispiel LVDS oder DVI überlässt die CPU externer Hardware. Damit erschließt sich der DX3 auch Märkte wie POS, wo für Kunden und Angestellten zwei unabhängige Displays eingesetzt werden.

Ein Industrie-PC benötigt mehr Schnittstellen zur Ansteuerung von Hardware wie Sensoren und Aktoren. Der DX3 bringt eine Vielfalt an solchen mit: Viele seiner I/O-Pins sind mehrfach belegt und per Software konfigurierbar. So kann beispielsweise festgelegt werden, ob ein Pin nun ein Timer-Ausgang oder ein Analogeingang sein soll. Bis zu 88 einzelne Eingangs- oder Ausgangssignale stehen zur Verfügung. Für die Anwendung als Datenkonzentrator können bis zu neun serielle asynchrone Schnittstellen mit Handshake-Signalen konfi­guriert werden. Lokale Kommunikation findet über zwei unabhängige High-Speed SPI- oder I²C-Busse statt. An die LPT-Schnittstelle kann außer einem pa-rallelen Drucker auch Hardware angeschlossen werden, die diese Schnittstelle für andere Zwecke verwendet, wie zum Beispiel ein Hardware-Dongle oder ein spezielles hardwarenahes Interface.

Ungewöhnlich für eine X86-CPU, aber Standard in der Embedded-Welt, ist ein Watchdog. Sollte sich die CPU aufhängen und sich nicht mehr periodisch melden, löst der Watchdog einen Reset mit Neustart des Rechners aus. Vom Timer der Echtzeituhr abgeleitet wird auch ein Zähler, der die Betriebsstunden in einem Flash-Speicher mitzählt. Sinnvollerweise kann er nicht zurückgesetzt und damit manipuliert werden.

Durch die kompakte Bauform eig-net sich der DX3 auch für das Design von Single-Board-Rechnern. Dabei kommt es auf die kompakte Bauform und den hohen Integrationsgrad an, der die Zahl der weiteren Chips drastisch reduziert.

Die vorhandenen 'Legacy'-Schnittstellen wie der ISA-Bus und COM-Ports, die bei aktuellen CPUs nicht mehr vorhanden sind, ermöglichen die leistungsmäßige Aufrüstung älterer Formfaktoren. Dazu zählen Formate wie DIMM-PC, PC-104, ETX sowie 2.5-Zoll- und 3.5-Zoll-Rechner. Ein wichtiges Thema ist auch die geringe Verlustleistung, die bei kompakten Bauformen abgeführt werden kann. Mit einer Leistungsaufnahme zwischen 5 W und 8 W kann der DX3 mit minimalem Aufwand, in den meisten Anwendungen sogar ohne Ventilator gekühlt werden. Auch die Stromversorgung kann energiesparend ausgeführt werden. Dieser Aspekt darf bei der steigenden Zahl der ‚Always On‘-Geräte im IoT nicht vernachlässigt werden.

Das passende Entwicklungsboard

Beim Evaluation-Board im Mini-ITX-Format mit dem Vortex86 DX3 im Mittelpunkt sind alle Schnitt­stellen herausgeführt.

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Für die CPU steht ein Entwicklungsboard zur Verfügung. Auf einer Leiterplatte im Mini-ITX-Format befindet sich die Vortex86DX3-CPU. Alle Schnittstellen sind herausgeführt; die Rückseite trägt USB, Ethernet, Tastatur, Maus, Audio und USB sowie einen Slot für eine SD-Karte. Die Video-Schnittstellen wie VGA und HDMI sind an einer Seite zugänglich. Die Stromversorgung kann über ein Standard-PC-Netzteil mit ATX-Stecker oder wahlweise über einen +5V(DC)-Eingang erfolgen.

Für Erweiterungskarten befinden sich auf dem Board ein 16-Bit-ISA-Slot, ein PCI-Express-x1-Slot und ein Steckplatz im Mini-PCIe-Format. Massenspeicher-Anschlüsse sind ebenso wie GPIO und andere Schnittstellen auf entsprechenden Steckern auf dem Board erreichbar.

Große Vielfalt an Betriebs­systemen

Warum muss ein solcher Rechner ausgerechnet auf der x86-Achitektur aufsetzen? Auch andere Hardware kann – gegebenenfalls durch Grafikcontroller unterstützt – Displays ansteuern und Schnittstellen bedienen. Die Antwort liegt in der Software. Für x86 gibt es eine Vielfalt von Betriebssystemen, sei es Microsoft Windows, Linux, von dem es mehrere auf verschiedene Einsatz-gebiete optimierte Distributionen gibt, oder eines der verbreiteten Echtzeit-Betriebssysteme, die das für eine Steuerung essenzielle deterministische Verhalten aufweisen. Für die Erstellung der Applikationssoftware stehen Tools und Bibliotheken vieler Hersteller zur Verfügung, und die Software-Entwicklung kann effizient auf einem sehr leistungsfähigen Desktop-PC erfolgen. Die gleichen Tools, mit denen eine PC-Software entwickelt, optimiert und versioniert wird, können zur Entwicklung, Optimierung und Versionierung für das externe System verwendet werden.

Oft ist es in den industriellen Anwendungen so, dass die etablierte Software beibehalten werden muss. Auch das ist bei x86 einfacher als zum ­Beispiel bei ARM, wo bei jeder neuen CPU-Generation das Betriebssystem und sogar die Appli­kation oft komplett neu angepasst und compiliert werden muss.

Autor:
Rudolf Sosnowsky ist Leiter Marketing und Applikation bei Hy-Line Computer.

Interview: "Vortex-Prozessor erfüllt IoT-Erwartungen"

Mit seiner hohen Energieeffizienz eignet sich der Vortex-Prozessor für verschiedene Anwendungen in der Industrie – auch für das IoT, wie Rudolf Sosnowsky erläutert.

"Mit dem Vortex86 DX3 können Anwender mit geringem Design­aufwand und kurzer Time-to-Market ein wettbewerbs­fähiges Produkt anbieten", ist Rudolf Sosnowsky, Leiter Marketing und Applikation bei Hy-Line Computer, überzeugt.

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Herr Sosnowsky, die DMP-Vortex-Prozessoren sind ja der Ultra-Low-Power-Klasse zuzuordnen und liegen damit weit unterhalb des Atom von Intel. Das entscheidende Kriterium beim Kauf?

Sosnowsky: Nein, denn die Leitungsaufnahme ist nur einer der Aspekte, die den DX3 für Kunden interessant macht. Es ist auch der hohe Integrationsgrad, der einige periphere Schaltungen oder Bausteine überflüssig macht und damit eine kompakte Bauweise ermöglicht, die aus nur wenigen Komponenten besteht.

Dank des IoT-Trends werden den Prozessoren nun ganz neue Perspektiven zugesprochen. Wie stehen Sie zu solchen Prognosen?

IoT ist ein Trend, der in ganz unterschiedlichen Facetten ausgeprägt ist. Der DX3-Prozessor erfüllt die gesamte von einem IoT-Prozessor erwartete Bandbreite. Darüber hinaus spielt er seine Stärken aus, wenn es da-rum geht, die Anforderungen von typischen Industrie-Applikationen zu erfüllen.

Inwieweit zeichnet sich bei Ihren Kunden schon ein derartiger Trend ab?

IoT im Sinne von Vernetzung aller Geräte spielt heute schon in der Consumer-Elektronik eine Rolle. Es ist davon auszugehen, dass sich dieser Trend auch in der Industrie verbreiten wird, ähnlich wie sich dies mit den projiziert-kapazitiven Touchscreens entwickelt hat.

Spielen diese SOC in der Industrie-4.0-Strategie von Hy-Line eine wesentliche Rolle? Wenn ja, in welcher Form?

Ja, mit diesem Produkt erfüllen wir die Anforderungen unserer industriellen Kunden, wie zum Beispiel ein hoher Integrationsgrad, lange Verfügbarkeit und ein erweiterter Temperaturbereich.