Skalierbare Standards COM Express versus ETX

Der COM-Markt (Computer on Module) versorgt Embedded-Entwickler mit gebrauchsfertiger Computerhardware der PC-Klasse, eine wirtschaftliche und schnelle Alternative zur eigenen Entwicklung eines kundenspezifischen Prozessorboards. Nach ETX besteht im PC-Bereich bereits neuer Bedarf.

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Zu Beginn der COM-Ära erkannten die Anbieter rasch die Vorteile einer verbreiteten Architektur, die die Entwickler dazu ermutigte, Module „von der Stange“ zu benutzen. Seitdem die ETX-Spezifikation als erste breite Akzeptanz erlangte, ist der gesamte COM-Markt laut Venture Development Corporation auf über 163 Mio. US-$ gewachsen. Heute hat die PC-Technologie den Einsatzbereich von ETX, ursprünglich ein proprietäres Projekt, bereits hinter sich gelassen. Es besteht Bedarf an einer höher entwickelten und skalierbaren Architektur.

Viele der Technologien, die ursprünglich Bestandteile von ETX waren, erreichen nun das Ende des Produktlebenszyklus. Einige, wie PS/2 und die parallelen (LPT) und seriellen (COM) Legacy-Schnittstellen werden wohl ganz verschwinden, da Peripheriegeräte wie Tastaturen, Drucker und Mäuse mit USB ausgerüstet sind. Bedeutsamer ist, dass die von ETX unterstützten Legacy-I/O-Standards wie PCI, IDE und ATA nicht mehr in der Lage sind, das volle Potenzial moderner CPUs, Grafikprozessoren (GPUs) und schneller Speicher auszureizen.

Leistungsengpässe beseitigen

Bei einer modernen Multicore- oder Multiprozessor-Architektur führen Zugriffe auf Legacy-Schnittstellen häufig zu Leerlaufzyklen und Speicher-Waitstates, außerdem limitieren sie die Grafikleistung. Embedded-Entwickler, die an rechen- und grafikintensiven Anwendungen in den Bereichen Medizintechnik, industrielle Automatisierung, Test- und Messtechnik, Netzwerksicherheit, Netzwerk-Kommunikation, Rüstungstechnik oder Luft-/Raumfahrt arbeiten, benötigen dringend Lösungen, um diesen Leistungsengpässen beizukommen.

In Desktop-PCs und Notebooks werden Legacy-I/Os rasch von seriellen Hochgeschwindigeitstechnologien abgelöst: PCI von PCI-Express, AGP von PCI-Express Graphics, IDE von Serial-ATA (SATA) und SCSI von Serial Attached SCSI (SAS). Diese neuen seriellen differenziellen Verbindungen mit geringer Pinzahl und niedriger Signalspannung erlauben Datenübertragungsgeschwindigkeiten, die mehrere Größenordnungen über denen der Legacy-Standards liegen. Eine sinnvolle COM-Definition sollte also die neuesten PC-Prozessorarchitekturen und I/O-Standards unterstützen, außerdem skalierbar sein, damit serielle Standards der zweiten Generation nachgerüstet werden können. Viele solche werden bereits entwickelt (Tabelle 1).

XTX zwischen Vergangenheit und Zukunft

Die XTX-Spezifikation versucht das Thema der Leistungsbeschränkungen von ETX anzugehen und gleichzeitig die Investitionen der Entwickler in den ETX-Formfaktor zu bewahren, etwa kundenspezifische ETX-Basisboards. XTX verwendet dieselben physischen Verbindungen zum Basisboard wie ETX, außerdem dieselben Modulbohrungen und Abmessungen. Vier PCI-Express-Lanes ersetzen die ISA-Bus-Signale, weiterhin gibt es zwei Serial-ATA-Ports und vier USB-Anschlüsse. Durch Verwenden eines LPC-Busses (Low Pin Count) kann XTX weiter Legacy-Peripheriegeräte wie COM und LPT, den Floppy-Anschluss, paralleles ATA (IDE) und PS/2 unterstützen.

Die inhärent größere I/O-Bandbreite von XTX bietet ETX-Entwicklern einen kostengünstigen Upgrade-Pfad hin zu leistungsstärkeren Prozessoren, ohne dass ein komplett neues Board nötig wäre. Im Verhältnis zu den Anforderungen moderner Anwendungen sind die tatsächlichen Leistungszuwächse eher beschränkt. Beispielsweise können XTX-Module mit ihren vier PCI-Express-Lanes die x16-PCI-Express-Graphics-Verbindungen für externe Hochleistungs-GPUs nicht bedienen. Auch On-Board-Gigabit-Ethernet wird nicht unterstützt, außerdem sind die spezifizierten Anschlüsse nicht für die Signalisierungsgeschwindigkeiten der zweiten Generationen von PCI-Express und SATA geeignet. Abgesehen davon bringt es kaum etwas, Legacy-Peripherieschnittstellen zu unterstützen, da neue Peripheriegeräte diese Standards kaum mehr unterstützen. Obwohl XTX also versucht, die Investitionen der OEMs in ETX zu schützen, scheinen kaum Aussichten zu bestehen, dass sich die zusätzlichen Investitionen in XTX rentieren werden.

Vorteile offener Standards

Sowohl ETX- als auch XTX-Spezifikationen sind im Kern proprietäre Definitionen, die inzwischen von zusammengewürfelten Firmengruppen gepflegt werden. Als ETX auf den Markt kam, gab es keine Standards für COMs, so dass es ETX leicht fiel, die bevorzugte Wahl der Entwickler zu werden. Nun ist breiteres Engagement der Industrie in einer Open-Standard-Organisation nötig, welche ein COM-Format definiert, das tatsächlich mit den technologischen Fortschritten und den Anforderungen des Marktes Schritt halten kann.

Die COM-Express-Spezifikation entstand unter breiter Teilnahme der Industrie innerhalb der PICMG (PCI Industry Computer Manufacturing Group), einer unabhängigen Organisation, die offene Industriestandards propagiert. COM Express ist ein offener Standard, der jedem Unternehmen dieselben Rechte bei der Mitbestimmung gibt und definierte Prozesse für Updates und Änderungen eingeführt hat. PICMG ratifizierte das Release 1.0 der Spezifikation im Juli 2005.

Der COM-Express-Standard der PICMG

COM Express basiert auf neuester I/O-Technologie und erlaubt es, das volle Potenzial heutiger CPUs, GPUs und Hochgeschwindigkeitsspeicher auszunutzen. Auch erlaubt diese Spezifikation die Koexistenz von Legacy-I/O-Technologien, sie lässt sich für die Standards der nächsten Generation skalieren und unterstützt so eine Langzeit-Roadmap für Embedded Designs. Die I/O-Spezifikationen von COM Express unterstützt bis zu 32 PCI-Express-Links. Diese lassen sich in beliebigen Kombinationen von x1-, x2-, x4-, x8-, x16- und x32 konfigurieren, was für die OEMs den Vorteil bietet, dass sie Ieistungsfähige I/Os und anwendungsspezifische Beschleuniger auf dem Trägerboard unterbringen können. Der Support für x16-Verbindungen ermöglicht beispielsweise schnellen, externen GPU-Lösungen, eine maximale Übertragungsrate von 80 GBit/s in der Vollduplex-Betriebsart zu nutzen.

Die COM-Express-Mezzanine-Steckverbinder sind bereits heute für Signalfrequenzen über 6 GHz spezifiziert, um so die zweite Generation von PCI-Express zu unterstützen. Dies erlaubt eine Verdopplung der Übertragungsrate von 2,5 auf 5 GBit/s, was für einen x16-Link eine mögliche Übertragungsrate von bis zu 160 GBit/s bedeutet. Die Spezifikation von COM Express erlaubt bis zu vier SATA- oder SAS-Links und maximal drei 1-GBit-Ethernet-Interfaces. Der Mezzanine-Steckverbinder ermöglicht damit bereits heute zukünftige Geschwindigkeiten für diese Schnittstellen, einschließlich 10-GBit-Ethernet. Auf diese Weise wird sich die Lebensdauer dieser Spezifikation über das nächste Jahrzehnt hinaus erstrecken, sodass OEMs die Gelegenheit erhalten, hohe Gewinne aus ihren Investitionen in die COM-Express-Technologie zu ziehen.

Andererseits erkennt COM Express auch den weiter bestehenden Bedarf nach PCI-Bus und ATAPI-Interface an, da diese sich für bestimmte Anwendungen anscheinend langsamer in Richtung der neuen Schnittstellen entwickeln. Die Spezifikation schließt diese Schnittstellen ein und bietet Optionen, den PCI-Bus durch PCI-Express-Lanes und das ATAPI-Interface durch Gigabit-Ethernet-Ports zu ersetzen. Die neuen Schnittstellen weisen eine optimale Balance zwischen CPU- und I/O-Durchsatz auf, woraus ein hoher Datendurchsatz im Gesamtsystem resultiert. Die serielle, differenzielle, auf Niederspannung beruhende Natur von PCI Express, SATA und SAS erlaubt eine robustere Signalintegrität und kommt mit weniger Pins aus als Legacy-I/O-Technologien. Dies vereinfacht wiederum die Leiterplattenentwicklung und erlaubt eine zuverlässigere und kompaktere Implementierung.

Skalierbarkeit durch zwei Baugrößen

Der ETX-Formfaktor beschränkt auch die erreichbare Leistung. Mit 95 mm × 114 mm Größe sind ETX-Boards zu klein, um Multiprozessorkonfigurationen mit großem Speicher zu unterstützen. Das Thema Skalierbarkeit bedient COM Express mit zwei Baugrößen, Basic und Extended. Das „Basic“-System misst 125 mm × 95 mm und eignet sich besonders für Systeme mit geringem Energieverbrauch, die typischerweise nur eine Single- oder Multicore-CPU enthalten. Die „Extended“-Bauform ist 155 mm × 110 mm groß und kann mehrere Single- oder Multicore-CPUs nebst größeren Speicherkonfigurationen enthalten. Diese eingebaute Skalierbarkeit erlaubt es beispielsweise, ein Trägerboard zu entwickeln, welches sowohl Basic- als auch Extended-Module aufnehmen kann. Auf dieselbe Art und Weise lässt sich ein Entwurf für ein Trägerboard modifizieren und in unterschiedlichen Produktkategorien wieder verwenden, etwa für Desktopsysteme, tragbare Varianten oder Handhelds.

Nach Unterlagen der Firma RadiSys Corp., Hillsboro, Oregon.

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