Da es Prozessoren der ‚i.MX8‘-Prozessorfamilie in unterschiedlichsten Konfigurationen und Performanceklassen gibt (i.MX 8, i.MX 8M, i.MX 8X), sind die Anwendungsbereiche auch sehr vielfältig. Sie reichen von kleineren in-dustriellen Steuerungs- und Automatisierungssystemen wie SPSen, I/O-Controllern, Robotik- und Handlingsystemen über die Gebäudeleittechnik sowie IoT- und M2M-Anwendungen mit verteilten Devices unterschiedlichster Auslegung bis hin zu Automotive- und Intralogistik-Cockpits oder verteilten smarten Videoüberwachungssystemen. 

Gleichzeitig sind die neuen ‚i.MX-8X‘-Prozessoren – die die effizientesten Cortex-Cores integrieren, die ARM je entwickelt hat – auch für den erweiterten Temperaturbereich zwischen –40 und + 85 °C einsetzbar, was die neue Prozessorklasse selbst für Outdoor- und Mobile-Vehicle-Applikationen prädestiniert. Bei einer Leistungsaufnahme zwischen 3 und 12 W im Normalbetrieb ist die i.MX-8-Prozessorfamilie auch für komplett lüfterlose und solarbetriebene Applikationen geeignet und mit ihrer hochgradigen Integration von Grafik-, Video-, Audio- und Sprachfunktionen sind ebenso HMIs, Rugged-Tablets und Handhelds mit ihr umsetzbar. Selbst wenn diese Devices mit den sparsamsten 3-Watt-Prozessoren bestückt werden, bieten sie bereits eine Performance, die deutlich über dem liegt, was man noch vor einigen Jahren bei Tablets als performant betrachtete. Die integrierten Bildverarbeitungsfunktionen prädestinieren die neuen Prozessoren daneben für Videoanalytik und den Einsatz neuronaler Netzwerk-Technologie für die Objekt-Erkennung und Situational-Awareness-Applikationen, beispielsweise in der kollaborativen Robotik. Welche Prozessoren empfehlen sich aber für den industriellen Einsatz? 

Zunächst hat sich Congatec auf zwei Prozessorklassen der Familie fokussiert, da sowohl der ‚i.MX 8‘ in den Varianten ­QuadMax, QuadPlus und Dual als auch der ‚i.MX 8X‘ für durchgängig industrielle Applikationen entwickelt wurden und deshalb unter anderem den wichtigen – weil kostengünstigen – LVDS-Anschluss für integrierte Displays unterstützen. Den bereits in Serie verfügbare ‚i.MX 8M‘ unterstützt das Unternehmen genau aus diesem Grund derzeit hingegen nicht, denn ihm fehlt der LVDS-Support. Aber wo liegen die Unterschiede zwischen ‚i.MX 8‘ und ‚i.MX 8X‘?

Wo liegt der Unterschied?

Als Flaggschiff ist der neue ‚i.MX-8‘-Prozessor (Quadmax) schon seit längerem im Blickfeld der Entwickler von Embedded-Systemen. Er ist der Leistungsfähigste der gesamten Familie und reicht bis in das Anwendungsfeld bisheriger Low-Power-x86-Prozessoren hinein, sodass er auch bestehende Designs dieser Kategorie substituieren kann, was TPD- und Preisvorteile beim Prozessoreinkauf bieten kann. Neben ihm ist dieser Tage zudem die neue ‚i.MX 8X‘-Reihe verfügbar. Sie erweitert das skalierbare Spektrum der ‚i.MX-8‘-Serie um eine besonders energiesparende und robuste Prozessorvariante, sodass sich hier zusätzliche Applikationsfelder für sehr kleine smarte Devices mit voller Applikations-Flexibilität dank offenem Betriebssystem-Support ergeben. 

Die wesentlichen Unterschiede zwischen i.MX 8 und i.MX 8X.

© Congatec

Der ‚i.MX 8X‘ unterscheidet sich vom ‚i.MX 8‘ (Quadmax) vor allem durch den Einsatz von ARM-Cortex-A35-Cores anstelle der bis zu vier ARM-Cortex-A53-Cores beim ‚i.MX 8‘ (Quadmax) und dem Verzicht auf die ARM-Cortex-A72-Cores. Zudem verfügt die 8X-Reihe über einen anstatt zwei Cortex M4F mit integrierter Floating Point Unit und DSP zur Verarbeitung kritischer Tasks wie Fallback-Kamera sowie System-Monitoring und System-Wake-up. Damit bietet er ein insgesamt sparsameres und energieeffizienteres Feature-Set. Das drückt die Leistungsaufnahme auf 3 bis 4 Watt. 

Für Video-basierte Applikationen unterstützt der ‚i.MX 8X‘ unter anderem eine 4-Lane-MIPI-CSI-Schnittstelle. Die GPU mit 2 bis 4 ‚Vec4 Shadern‘ (1x GC7000Lite oder 1x GC7000UltraLite) unterstützt zudem OpenGL ES, OpenCL, OpenVG und Vulkan für parallele Datenverarbeitung abseits der Grafikausgabe. Schwerpunkte sind Situational-Awareness-Applikationen durch Bild-Erkennung sowie KI-Applikationen und Deep-Learning-Applikationen für maschinelles Lernen. Wem bei diesem umfangreichen Feature-Set des ‚i.MX 8X‘ noch etwas fehlt, der kann davon ausgehen, dass der ‚i.MX 8‘ als größere Variante sicherlich in nahezu jeder Feature-Kategorie einen drauflegen kann. 

Der i.MX 8 bietet insgesamt bis zu acht Cores (4x A53, 2x A72, 2x M4F) bei einem Leistungsbedarf von bis zu 12 Watt. Auch unterstützt der ‚i.MX 8‘ bis zu drei unabhängige Displays sowie 1x SPDIF und 2x ASRC Sound inklusive umfassender Codecs für Spracherkennung und berührungslose Interaktion. 

Bei allen Varianten können mindestens zwei Displays in Full-HD (1080p) und ein weiteres in WVGA (864x480) angebunden werden. Die integrierte Video Processing Engine unterstützt dabei De- und Encoding von 1080p Videos in h.264 sowie Decoding von noch höher auflösendem 4K-Videos in h.265. 

Ein weiteres wichtiges Feature ist die hardwarebasierte Ressourcen-Partitionierung, mit der sich sowohl die Prozessor- als auch die Grafikcores separieren lassen, was den Betrieb von mehreren unabhängigen Applikationen auf einem einzelnen Chip erlaubt. In Kombination mit Hypervisor-Support lassen sich so höchst flexibel auslegbare ausfallsichere Systeme entwickeln – essenziell beispielsweise für autonome Robotik-Fahrzeuge: Fällt beispielsweise das 3D-Kamerasystem aus, bleibt eine Kamera dennoch ausfallsicher im S/W-Modus verfügbar. Das gleiche Prinzip lässt sich für weitere Vision-basierte Steuerungen in der Automatisierungstechnik anwenden.

Viele Schnittstellen – inklusive Echtzeit-Ethernet

An Schnittstellen führt der Core zudem eine PCIe 3.0 für flexible Erweiterungs-optionen sowie unter anderen 1x USB 3.0, 2x USB 2.0, 3x CAN, 4x UART, 4x SPI und 1x 12-bit-AD-Wandler aus. Die zwei Gigabit-Ethernet-Schnittstellen sind zudem ideal für die horizontale und vertikale Vernetzung in der Automatisierung. Unterstützt wird optional auch der 1588-konforme Support der Echtzeit-Kommunikation über das TSN-Protokoll für Industrie 4.0 und IoT-Tauglichkeit, sodass sich mehrere Schweißroboter/-Arme in einer Fertigungszelle über Ethernet in Echtzeit  synchronisieren lassen. Dieser Support lässt sich beim ‚i.MX 8X‘ durch den Einsatz eines zusätzlichen Qualcomm-Atheros-Bausteins realisieren, wie optional bei den Modulen von Congatec umgesetzt. Unterstützt wird außerdem das AVB (Audio Video Bridging) für das Video-Streaming über Ethernet, was für über GbE angebende Kameras zur Überwachung und Qualitätskontrolle von Interesse sein kann, da keine Punkt-zu-Punkt Verbindung mehr erforderlich ist, sondern zahlreiche Videokanäle im Duplexverfahren übertragen werden können.

Außerdem bieten beide Prozessorvarianten eine sehr hohe Zuverlässigkeit durch die verwendete sogenannte FD-SOI-Fertigungstechnologie (FD-SOI: Fully Depleted Silicon on Insulator), mit der die im 28-nm-Prozess gefertigten Applikationsprozessoren die MTBF gegenüber Vorgängertechnologien drastisch verbessern und Latch-ups – aufgrund der hohen Immunität von FD-SOI gegen weiche Fehler – reduzieren. All diese Funktionen zusammen mit den ausgereiften Sicherheits-Features, wie beispielsweise High Assurance Boot, TPM Timer, umfassende Verschlüsselungsfunktionen und bis zu zehn aktive und passive Tamper-Pins, machen die neuen Prozessoren zu einer idealen Basis für die Entwicklung von energiesparenden und zuverlässigen Embedded-Computing-Plattformen für die Automatisierung.

Hoher Investitionsschutz dank Computer-on-Modules

Welche Lösung passt zu meiner Anwendung? Diese Fragen müssen sich Anwender dabei stellen.

© Congatec

In applikationsfertiger und sofort serienreifer Ausführung bietet Congatec all diese Prozessoren auf SMARC-2.0- und Qseven-Modulen an. Vorteilhaft ist dabei nicht nur die Tatsache, dass die Module applikationsfertig sind – was NRE-Kosten (Non-Recurring Engineering) spart –, sondern auch, dass Unternehmen wie Congatec weitere passende hardwarenahe Software-Services anbieten, was die Integration zusätzlich erleichtert. Sie sichern gleichzeitig eine Langzeitverfügbarkeits-Roadmap, die noch nicht einmal durch die Prozessorarchitektur begrenzt ist, denn es gibt alle Low-Power-x86-Prozessoren auf diesen Modul-Standards. Und das ist auch gut so, denn dank zunehmender Processing-Performance ist es im Grunde keine Frage mehr, ob der ARM- oder x86-Befehlssatz effi-zienter ist oder nicht. Es steckt nämlich in modern programmierten und damit hardwareunabhängigen Applikationscodes so viel Glue Logic, dass die eigentlichen Applikationsfunktionen zunehmend unabhängiger von der reinen Hardware werden – selbst bei Soft-SPSen oder beispielsweise in Java-basierter GUI-Software. Zunehmend mehr Entwicklungs-Frameworks und Runtime-Tools unterstützen heute außerdem beide Architekturen. Selbstverständlich auch Linux. Sogar ein Android-x86 ist verfügbar.

Dennoch kann man nicht mal so eben Software auf der einen oder anderen Plattform aufspielen und alles klappt in jedem Fall ‚wie am Schnürchen‘. Die Krux liegt vielfach im Detail. Nicht zuletzt deshalb, weil es bei der Hardware entweder Experten für ARM oder für x86 gibt. Je nach Lieferant ist dann das API für spezifische Board-Konfigurationen unterschiedlich ausgelegt. Ganz anders ist dies dagegen bei standardisierten SMARC-2.0- und Qseven-Modulen. Sie haben – zumindest bei Congatec – funktionsidentische APIs und bringen einen homogen Satz an Treibern und Libraries gemäß der Formfaktor- und Embedded-API-Spezifikationen gemäß PICMG mit. Zudem ermöglichen sie schon allein physikalisch einen extrem einfachen Plattformwechsel. Auf bestehenden Carrierboards muss nur das passende Modul gewechselt werden. 

Wer folglich industrielle Computer-Designs im Low-Power-Segment aufsetzt, sollte sich überlegen, sie auf Basis der führenden Computer-on-Module-Standards umzusetzen. Damit sind Entwickler prozessorseitig auf einer sicheren Seite und das, was auf dem Carrierboard dieser Module gehostet wird, kann stets exakt auf den Bedarf der Applikation zugeschrieben werden.

Autoren:
Martin Danzer ist Direktor Produkt-Management bei Congatec;
Daniel Gunter ist Leiter des Technical Solution Center (TSC) bei Congatec.