Das System-On-Module, manchmal auch als Computer-On-Module (CoM) oder SBC (Small Board Computer) bezeichnet, ist darauf ausgelegt, an eine Träger- oder Basisplatine angeschlossen zu werden. Üblicherweise handelt es sich um ein kleines Prozessormodul mit CPU und Standard-I/O-Fähigkeit. Der komplexe Aufwand, der mit der Entwicklung eines CPU-Subsystems verbunden ist, wird vermieden, indem eine SoM-Funktion und eine handelsübliche Basisplatine eingesetzt wird.
Was verbirgt sich im Inneren des SoM (System-On-Modul)?
Abbildung Nu1 – Beispiel eines System-On-Module
Bei genauerem Hinsehen ähnelt das SoM-Blockdiagramm (vielleicht zu 70 Prozent) dem Blockdiagramm eines Mobiltelefons oder Tablets.
Heutzutage stellt sich diese Art von Frage immer wieder in den meisten Entwicklungsunternehmen, da die Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und IoT-Fähigkeit Teil einer jeden Diskussion sind. Fast jedes Segment möchte seinen Anwendungen ein „Mobiltelefon“ hinzufügen und es gibt nur wenige Unternehmen (Apple, Samsung, LG usw.) auf der Welt, die wissen, wie ein gutes Mobiltelefon entwickelt wird. Aus diesem Grund sollten Unternehmen verstehen, dass sie das Rad nicht neu erfinden müssen.
Vor einigen Jahren war der Einsatz dieser Lösung bei Projekten mit niedriger Stückzahl (100 bis 500 Stück pro Jahr) sehr weit verbreitet, doch heute, wo die Preise von Prozessoren auf ARM-Kern-Basis deutlich gesunken sind (aufgrund des Mobiltelefon- und Tablet-Markts, der den Kern so kostengünstig gemacht hat), verwenden Kunden die SoM bei Projekten mit 5.000 und sogar 10.000 Stück pro Jahr oder mehr.
In diesem Beispiel bezieht sich die Berechnung auf ein mikroprozessorbasiertes Modell mit einmalig anfallenden Entwicklungskosten bezogen auf zwei Personenjahre für Hardware, Software und Produktionstestentwicklung sowie Prototypen, Fehlerbehebung und Softwarewartung für ein weiteres halbes Jahr.
Die Kosten pro Einheit nach dieser Zeit betragen etwa 40 US-Dollar. Verglichen damit entstehen bei Verwendung eines SoM keine Entwicklungskosten, die Prototypenentwicklung, Fehlerbehebung und Softwarewartung kosten nichts und der Preis pro Einheit ist derselbe.
| Komplettes Design inhouse | Einsatz eines SoM | |
|---|---|---|
| Entwicklungskosten (2 Personenjahre) | 240.000 US-Dollar | |
| Prototypen und Fehlerbehebung | 30.000 US-Dollar | |
| Softwarewartung (0,5 Personenjahre) | 60.000 US-Dollar | |
| Stückkosten | $40 | $40 – 60$ |
Jegliche Bedenken der Hardwareentwickler, dass sie nicht mehr benötigt werden könnten, sind unbegründet, weil ihr Hauptaugenmerk auf der Anwendungsplatine liegen sollte, die ihr geistiges Eigentum ist. Sie müssen mit der Prozessorplatine nicht das Rad neu erfinden, wenn sie eine funktionierende Plattform auf Basis der neuesten auf dem Markt erhältlichen Prozessoren von Texas Instruments, Altera, Freescale, Qualcomm und Atmel bekommen können. Alle diese Prozessoren basieren auf den neuesten ARM-Kernen von Cortex A5 bis Cortex A8 und A9 sowie Cortex A7 und Cortex A57.
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Gegenwärtiger Stand der Technik und vorhandener Ansatz
Der SoM-Markt kann wie folgt gegliedert werden
- Architektur: ARM und x86
- Formfaktor: ARM-basierte Lösungen für SMARC, Q7 oder proprietäre (andere wie COM Express werden von x86 unterstützt und basieren nicht auf ARM)
- ARM-Kerntyp (Cortex A5, A7, A8, A9, A57) und SoM-Beispiel
- Betriebssystemunterstützung: Linux, Android, Windows Embedded
1. Architektur: ARM und x86
2. Formfaktor
3. ARM-Kerntyp (Cortex A5, A7, A8, A9, A57) und SoM-Beispiel
Cortex-A5-Prozessor
Der Cortex-A5 ist der kleinste, günstigste und stromsparendste ARMv7-Anwendungsprozessor. Er wird von einer Reihe optimierter, IP-zielorientierter Lösungen im mittleren Bereich unterstützt, die höchste Effizienz und einen einfachen Einbau mit sich bringen. ARM Mali™-400 unterstützt 2D-Vektorgrafiken über OpenVG™ 1.1 und 3D-Grafiken über OpenGL® ES 1.1 und 2.0.
Beliebte Anwendungsprozessoren auf der Basis von CortexA5 sind die der Produktfamilie Atmel SAMA5, die im System-On-Module AT-501 von Shiratech genutzt werden. Das AT-501 ist eines der stromsparendsten SoM für Linux-Anwendungen. Es ist ein industriell eingebettetes SoM, das das optimale Gleichgewicht des bisher leistungseffizientesten Cortex A mit Hochleistungs-CPU, die bei 536 MHz arbeitet, und Fließkommaeinheit bietet. Sein Speicher bietet eine Kapazität von 32 Bits bei 166 MHz, 256 MB DDR2 und ist auf 512 MB erweiterbar. NAND-Flash-Speicher von 256 MB, erweiterbar auf 1 GB, optional 4 GB eMMC. Die mechanischen Speichermodule sind 200 pin SO-DIMM.
Cortex-A8-Prozessor
Der Cortex-A8 wurde 2005 als erster Prozessor, der die ARMv7-A-Architektur unterstützt, auf den Markt gebracht. Dieser Prozessor wird von einer Reihe optimierter IP-zielorientierter Lösungen im mittleren Bereich unterstützt, die höchste Effizienz und einen einfachen Einbau mit sich bringen. Der Mali™-400 bietet eine Grafikverarbeitungsoption im mittleren Bereich für den Cortex-A8 und sämtliche Mali High-End-Video- und -Displayprozessoren sind damit kompatibel.
Die beliebtesten Anwendungsprozessoren auf Basis von Cortex-A8 sind die der Sitara-Familie AM33xx von TI und ein Beispiel eines System-On-Module auf der Basis dieser Lösung ist das VAR-SOM-AM33 von Variscite (www.variscite.com). Das VAR-SOM-AM33 unterstützt den Prozessor Sitara™ AM335x ARM Cortex-A8 mit 1 GHz von Texas Instruments (TI) mit einem effizienten 2D/3D-Grafikbeschleuniger und bietet eine kostengünstige, leistungsstarke und flexible Auswahl über das volle Anwendungsspektrum. Seine Merkmale umfassen einen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C und einen dualen CAN-Bus, was es ideal für Industrieanwendungen macht wie etwa den Automobilbereich, Kontrollsysteme, Beleuchtung, Motorsteuerung und Landwirtschaft. Mit dualem Ethernet, USB, Touch-Controller, Audio und WLAN/BT ist das VAR-SOM-AM33 ein hochintegriertes SoM in einem sehr attraktiven Preisbereich. Neu: VAR-SOM-AM33_V2 mit optimiertem WLAN-/BT-Modul, inklusive optionales Dual Band 2,4/5 GHz und MIMO mit verbesserter Leistung und effektiven Bitraten von bis zu 100 Mbit/s.
Cortex-A9-Prozessor
Der ARM-Prozessor Cortex-A9 ist eine ausgereifte Option, die 2008 eingeführt wurde, und ist immer noch eine sehr beliebte Wahl bei Smartphones, Digital-TV sowie Kunden- und Unternehmensanwendungen, die das Internet der Dinge ermöglichen. Als Einzelprozessorlösung bietet der Cortex-A9-Prozessor insgesamt eine Leistungsverbesserung von weit über 50 Prozent im Vergleich zu Lösungen mit ARM Cortex-A8.
Der Cortex-A9-Prozessor ist mit einer Reihe unterstützender ARM-Technologien ausgestattet. Er verfügt über ARM Physical IP, um einen synthetisierbaren Fluss, der für niedrigste Energie oder höchste Leistung optimiert ist, sowie eine Auswahl an Hard-Macros zu unterstützen, die das Risiko mindern und die Markteinführungszeit verkürzen.
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Die beliebtesten auf Cortex A9 basierenden Produktfamilien sind I.MX6 von NXP (Freescale), der neueste Sitara AM4xxx von TI und das SoC (System-On-Chip) von Altera. SECO bietet ein Q7-Modul namens QuadMo747-X/i.MX6, eine skalierbare Mehrkern-Modularlösung mit ARM-Cortex™-A9-Architektur im Qseven-Standard, die eine hohe Grafikleistung mit leistungseffizienten Verarbeitungsfähigkeiten kombiniert. OpenGL (FULL) und OpenES 2.0-3D-Grafik und Unterstützung für bis zu 3 eigenständige Anzeigen (nur bis zu 2 Anzeigen bei i.MX6DL und i.MX6S) ergibt eine flexible Lösung, die Plattformen mit mehreren Anzeigen und mobile lüfterlose Anwendungen ermöglicht
Cortex-A7-Prozessor
Der ARM-Cortex-A7-Prozessor ist der leistungseffizienteste Mehrkernprozessor.
Der Cortex-A7-Prozessor wird von einer Reihe optimierter, IP-zielorientierter Lösungen im mittleren Bereich unterstützt, die höchste Effizienz und einen einfachen Einbau mit sich bringen. Alle unsere Mali™ Grafikprozessoren im mittleren Bereich und High-End-Grafikprozessoren sowie der Mali-V500-Videoprozessor und der Mali-DP500-Displayprozessor können in den Cortex-A7 integriert werden. Unsere führende Reihe physischer und System-IP ist ebenso als Standard erhältlich.
Der neue Kern von ARM, die eingebettete Lösung Cortex A7, wird in der Produktfamilie Freescale Layerscape LS1 verwendet. Das weltweit erste SoM auf der Basis dieser Lösung kam von der Firma SYSTEC Electronic in Deutschland, die ECUcore-1021 herstellt.
ECUcore-1021 ist ein kompaktes und kostengünstiges SoM auf der Basis des Mikrocontrollers Freescale QorIQ LS1021A. Es wurde speziell für industrielle Netzwerkanwendungen entwickelt. Mit seiner hohen Dichte verfügbarer Kommunikationsschnittstellen und den beiden ARM-Cortex-A7-Kernen mit 1 GHz bietet das Modul eine hervorragende Leistung bei niedriger Verlustleistung.
Cortex-A57-Prozessor
Der ARM Cortex-A57-Prozessor ist ein bewährter, extrem leistungsstarker 32 Bit- und 64 Bit-Kern. Er wurde zur Erweiterung der Funktionen von mobilen Computeranwendungen und Computeranwendungen von Unternehmen, einschließlich computingintensiver 64 Bit-Anwendungen wie High-End-Computer, Tablets und Serverprodukte entwickelt.
Die hohen Leistungsmerkmale des Prozessors ermöglichen seinen Einsatz für eine sehr umfangreiche Reihe von Anwendungen, liefern hocheffiziente Lösungen für Server und bestimmen das Benutzererlebnis bei der Verwendung von Tablets und High-End-Smartphones.
Der neueste 64 Bit-Kern befindet sich im Herzen der neuen Netzwerkprozessorfamilie LS2 (LayerScape 2) von Freescale. Mehrere Unternehmen beginnen derzeit mit der Entwicklung von SoMs auf der Basis dieser Lösung, die für Ende 2015 angekündigt sind.
4. Das System-On-Module benötigt BSPs (Board Support Packages), die eine Verbindung zwischen der Hardware und der Unterstützung sowie dieser Lösung auf Basis des Betriebssystems herstellen können, mit dem der Endkunde entwickeln möchte. Die Betriebssysteme sind Linux, Android und Windows Embedded
Beschreibung des neuen Lösungsansatzes
Arrow Electronics startete 2013 ein Projekt in den USA und aktivierte es 2014 in EMEA, um den Blick auf den System-On-Module-Markt mit den richtigen und besten Lieferanten zu richten und verschiedene Regionen und Anwendungen mit einer klaren Differenzierung zu unterstützen.
Das Projekt wird durch Konzentration auf Lieferanten und den Markt angetrieben
Welche Zielgruppe soll mit diesem Artikel angesprochen werden?
Der System-On-Module-Markt ist Schwerpunkt des Embedded-Markts, der auf den neuesten Mikroprozessortechnologien und -lösungen mit dem neuesten ARM-Kern und starken Halbleiterherstellern wie Texas Instruments, NXP (Freescale), Atmel, Altera und Qualcomm basiert.