Az egykártyás rendszermodulokra vonatkozó OSM szabvány ismertetése

Az egykártyás rendszermodulokra vonatkozó szabványok

A terméktervezők, megoldástervezők és rendszermérnökök az egykártyás rendszermodulokra (SOM, system-on-modul) különböző szabványokat fogadtak el, ilyen például a SMARC és a Qseven (1. ábra). Az SGeT (Standardization Group for Embedded Technologies – Beágyazott technikák szabványosítócsoportja) egy vállalatok és szervezetek alkotta nemzetközi nonprofit szövetség, amely tagjainak együttműködése révén a beágyazott számítástechnikára vonatkozó független szabványokat dolgoz ki. Az egykártyás rendszermodulokra vonatkozó ágazati szabvány kiválasztása elősegíti a technika méretezhetőségét és a beszállítók közötti átjárhatóságot.

A közelmúltban az SGeT új szabványt határozott meg az egykártyás rendszermodulokra vonatkozóan – ez az OSM (open standard module – nyílt szabványú modul), amelynek hatalmas előnye, hogy a forrasztható egykártyás rendszermodulokra is vonatkozik. A szabvány a felszíni rácselrendezésű (LGA, land grid array) tokozással és a felületszerelt technikával még strapabíróbb kártyák gyártását teszi lehetővé.

1. ábra: Az egykártyás rendszermodulokra vonatkozó szabványok közé tartozik a SMARC, a Qseven és az OSM szabvány is (kép: iWave)

Az OSM szabvány ismertetése

Az OSM vagy nyílt szabványú modul (open standard module) az egykártyás rendszermodulokra vonatkozó legújabb ágazati szabvány, amely 2020 decemberében jelent meg. A kis méretű, alacsony költségű beágyazott számítógépmodulok új, időtálló és sokoldalú szabványának létrehozása érdekében az SGeT kiadta az OSM 1.0 szabványt. Az OSM a közvetlenül forrasztható és méretezhető beágyazott számítógépmodulokra vonatkozó egyik első szabvány.

Az OSM a hitelkártya méretű modulokat bélyegméretű beágyazott számítógépes modulokra cserélve tör utat magának az iparágban. Ez a szabvány az MCU32, az ARM® és az x86 architektúrákhoz való beágyazott modulok fejlesztését, gyártását és terjesztését teszi lehetővé. Az OSM-modulok főbb jellemzői a következők:

1. Teljes mértékben alkalmas gépi feldolgozásra a forrasztás, az összeszerelés és a tesztelés során
2. Gyárilag ónozott LGA-tokozás a közvetlen forrasztáshoz, csatlakozó nélkül
3. Gyárilag kialakított szoftveres illesztőfelületek és hardveres csatlakozók
4. Nyílt forráskódú szoftverek és hardverek

A teljesen új szabvány négy különböző kártyaméretet határoz meg, ezek a következők: nullás (0), kis (S), közepes (M) és nagy (L) méret, és ennek függvényében változnak a modulon kialakított LGA-érintkezők is (2a. és 2b. ábra). A négy különböző méret egymásra épül.

2a. ábra: A szabványos OSM-modulok mérete, formája és érintkezőelrendezése (kép: iWave)

2b. ábra: A szabványos OSM-modulméretek a 2a. ábra szerint színkódokkal (kép: iWave)

Az OSM szabvány szimmetrikus LGA-tokozást használ a modul nyomtatott áramköri lapjának az alaplap nyomtatott áramköri lapjával való összekapcsolására. Érintkezőkialakításként a gyártó döntése szerint használható FTGA, ENIG LGA vagy BGA tokozás. (FTGA: fused tin grid array – olvasztott ónos rácselrendezés, ENIG LGA: electroless nickel immersion gold land grid array – nem elektrolitikus nikkelbevonatú aranyozott felszíni rácselrendezés, BGA: ball grid array – gömblábas rácselrendezés.) A szabvány azt is lehetővé teszi, hogy a modulgyártók a követelmények alapján különböző kártyamagasságokat használjanak, nyomatottáramkörilap-távtartókat használva magasítóként.

A modulokon az S mérettől felfelé elhelyezhető 1 db RGB csatlakozó és 1 db négycsatornás DSI videócsatlakozó is. Az M méretű modulokon ezenfelül 2 db eDP/eDP++ csatlakozó, az L méretűeken pedig 2 db LVDS csatlakozó is helyet kaphat a grafikus megjelenítéshez. Ennélfogva a teljesen felszerelt modulokon akár hat videokimenet is lehet párhuzamosan. Az S mérettől felfelé minden modulon egy négycsatornás soros kameracsatlakozó (CSI) is található. Az L méretű modulokon akár 10 PCIe sáv is kialakítható a perifériák gyors csatlakoztatásához, míg az M méretű modulokon 2 db PCIe×1, az S méretűeken pedig 1 db PCIe×1 sáv kaphat helyet. Tekintettel a rendkívül kis alapterületre a 0 méretű modulokon nem található meg az említett be- és kimeneti csatlakozók egyike sem, de fel lehetnek szerelve az OSM szabványban felsorolt összes csatlakozóval, amelyek akár 5 db Ethernet-kapcsolatot is kínálhatnak a rendszerek közti kommunikációhoz.

Minden modulban van egy elkülönített kommunikációs terület, amely 18 érintkezőt tart fenn a különböző vezeték nélküli technikákhoz szükséges antennajelek számára, és 19 érintkező áll rendelkezésre a gyártóspecifikus jelek számára.

Miért érdemes OSM-modulokat választani?

Az OSM-modulok fő előnyei közé tartozik a nyomtatott áramköri lapra forrasztható rezgésálló kártyamodul, a kis méret a legkisebb érintkező–terület aránnyal és a műszaki méretezhetőség lehetősége.

Mivel a modul közvetlenül a hordozókártyára forrasztható, remekül használható a rezgéseknek kitett, kis kártyaméretet igénylő termékekbe. Ilyen például a kétkerekű villanyjárművek kombinált kommunikációs és visszajelző műszere. Az OSM-modulok a tervezők számára a méretezhetőség, a megfelelő méret és az alacsony költségek ideális kombinációját kínálják.

A dolgok internetére (IoT) kapcsolódó, egyre növekvő számú készülék esetében ez a szabvány segít ötvözni a modulrendszerű beágyazott számítástechnika előnyeit a költségekre, a helyigényre és a csatlakozókra vonatkozó egyre magasabb követelményekkel. Az OSM-modulok lehetséges felhasználási területei közé tartoznak például a zord ipari környezetben használt, nyílt forráskódú operációs rendszereket futtató, IoT-kapcsolattal rendelkező beágyazott IoT- és peremrendszerek.

Egykártyás OSM-rendszermodulok az iWave Systems kínálatából

Az egykártyás rendszermodulok tervezésében és gyártásában vezető szerepet betöltő iWave Systems vállalat a közelmúltban dobta piacra iW-RainboW-G40M jelű, az i.MX 8M Plus processzorra épülő forrasztható OSM-modulját (3. ábra). Az iW-Rainbow-G40M a nagy teljesítményű i.MX 8M Plus processzort ötvözi a hathatós OSM 1.0 szabvánnyal, aminek eredményeként kis méretű modulban kínál nagy teljesítményű mesterséges intelligenciás (MI vagy AI) és gépi tanulási képességeket.

3. ábra: Az iW-G40M egykártyás rendszermodul felső és alsó oldala (kép: iWave)

Az i.MX 8M Plus processzort két képjelfeldolgozó processzor (ISP) és egy célirányos, akár 2,3 TOPS (billió művelet/s) sebességű neurális hálózatú processzor teszi ideális eszközzé az intelligens otthonok, az intelligens városok és az ipari dolgok internete (IIoT) számára, valamint azon túl a gépi tanulás, a gépi látás és a fejlett multimédiás képességek területén történő felhasználáshoz.

A modul főbb jellemzői

• i.MX 8M Plus kétmagos/négymagos, illetve egyszerűsített/négymagos processzor
• 2 GB LPDDR4 memória (maximum 8 GB-ig bővíthető )
• 16 GB eMMC beágyazott memóriakártya (maximum 256 GB)
• Wifi (802.11b/g/n/ac/ax) (az ax külön kérhető)
• Bluetooth 5.0
• 2 db CAN-FD port
• 2 db RGMII csatlakozó
• 2 db PCIe 3.0
• 2 db LVDS
• L méretű, LGA elrendezésű modul

A modul rugalmas és méretezhető lehetőséget biztosít a tervezőknek a termékük létrehozásához, miközben lerövidíti a piacra jutási időt. Az olyan ipari protokollokkal együtt használva, mint a CAN-FD, valamint az időérzékeny hálózat és a nagy sebességű illesztőfelületek, a modul ideális választás az Ipar 4.0 számára, valamint a multimédiás adatok intelligens és gyors feldolgozását támogató automatizálási rendszerekhez.

Egy fejlesztőkészlet és egy gyártásra kész egykártyás rendszermodul segítségével a tervező kisebb kockázat mellett lerövidítheti a piacra jutási időt. A modul használatra kész, és tartalmazza az összes szükséges szoftveres illesztőprogramot és kártyatámogató csomagot (BSP), valamint szoftveres támogatás van hozzá Ubuntu, Android és Linux rendszeren.