Embedded Systeme SMARC 2.0: Fit für die Zukunft und das IoT

Autor / Redakteur: Martin Unverdorben* / Ines Stotz

Im Juni 2016 wurde die neue Version 2.0 des SMARC-Standards von der SGET (Standardization Group for Embedded Technologies e.V.) verabschiedet. SMARC 2.0 öffnet Anwendern das Tor zum Internet der Dinge (IoT) und trifft somit den Nerv der Zeit. Doch was verbirgt sich hinter dem neuen Standard genau?

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Das neueste Produkt Kontron SMARC-sXAL bietet mit den aktuellen Intel-Prozessoren Echtzeit-Computerleistung im energieeffizienten Computer-on-Module-Formfaktor.
Das neueste Produkt Kontron SMARC-sXAL bietet mit den aktuellen Intel-Prozessoren Echtzeit-Computerleistung im energieeffizienten Computer-on-Module-Formfaktor.
(Bild: Kontron)

Leistungsfähige und vernetzte Embedded Systems gehören in vielen IoT-Anwendungen der Industrie und selbst in Alltagsprodukten mittlerweile zum Standard. Viele dieser Embedded Systeme basieren auf SMARC, einem Standard-Formfaktor für Computer-on-Module (COMs). Seine Einsatzbereiche reichen von Lösungen im Automationsmarkt über IoT bis hin zu Grafik- und Bild-zentrierten Geräten, die einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen und extremen Umweltbedingungen trotzen. Die Module dienen sowohl als Bausteine für tragbare Handheld-Geräte als auch für größere Endgeräte, bei denen der Verbrauch trotz hoher Rechenleistung wenige Watt nicht überschreiten darf.

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SMARC – ein Innovationstreiber

Seit seiner Einführung im Jahr 2013 zählt der SMARC-Standard zu den Innovationstreibern im Ultra-Low-Power-Embedded-Markt. Die Weiterentwicklung der kleinen Platinen schreitet rapide voran: Mitte 2016 wurde daher die neue Version 2.0 des SMARC Embedded-Computer Formats vorgestellt. Sie vereint wichtige Neuerungen, die die Plattform insbesondere für moderne IoT-Anwendungen noch interessanter macht.

Bereits Ende 2016 hat Kontron eine erste für das IoT optimierte SMARC-2.0-Modul-Familie in kompakter Bauform vorgestellt. Im Frühjahr 2017 wurde der SMARC Evaluation Carrier 2.0 für ultra low power Computer-on-Modules (COMs) präsentiert. Das Board ermöglicht den schnellen Einstieg in die Entwicklung von Embedded-Applikationen auf Basis der SMARC 2.0 Plattform. Es verschafft Nutzern einen Vorsprung beim Systemdesign und erlaubt Flexibilität bei der Entwicklung individueller Lösungen. Zudem ist es mit seinem umfangreichen Schnittstellenangebot für die Weiterentwicklung bereits verfügbarer SMARC-sXAL-Module ebenso wie für zukünftige SMARC-Module geeignet.

Mit dem SMARC Evaluation Carrier 2.0 müssen Entwickler nur noch das SMARC-Modul wählen, das am besten zu den Applikationsanforderungen passt. Nach der schnellen Einrichtung kann man sofort auf dem neusten Stand der Technik loslegen. Kontron wird dafür demnächst ein Starterkit veröffentlichen. Dies ist nach dem Plug-and-Play-Prinzip sofort einsetzbar. Wie sein Vorgänger basiert es auf der ersten Version der SMARC-Spezifikation. Es ist bereits mit allen Komponenten ausgestattet, um die Evaluierung von Prozessoren einfacher zu machen.

Kompatibilität mit Vorversionen ist ein Muss

Die Spezifikationen von SMARC 2.0 bieten eine neue Pin-Belegung. Auch wurden die Prozessorschnittstellen verbessert, die mit dem Standard-Set von 2013 für Low-Profile Formfaktor-Module harmonieren. Verschiedene wenig genutzte und teilweise veraltete Schnittstellen wurden gestrichen. Ziel bei der Aktualisierung des Standards war es, eine neue Pin-Belegung zu realisieren und gleichzeitig möglichst kompatibel mit der V1.1-Belegung zu bleiben. Dementsprechend wurden bei SMARC 2.0 ausgewählte, zuvor wenig genutzte V1.1-Pins neuen Bestimmungen zugeführt. Das erlaubt, neue Schnittstellen zu erkennen. Ein möglicher Schaden bei der Verwendung älterer Module in einem V2.0-kompatiblen Carrierboard sollte ausgeschlossen werden.

Heute müssen die 314 Kontakte der SMARC-Konnektoren zwei sehr unterschiedliche SoC-Architekturen unterstützen: ARM und x86.

  • Für ARM muss der Konnektor einen hohen Grad an Signal-Integrität sicherstellen, wie sie bei hochfrequenten seriellen Schnittstellen benötigt wird. Er muss zudem MIPI-Anzeigen-Schnittstellen, Kamera-Schnittstellen, multiple SPI-Verbindungen und SDIO-Schnittstellen unterstützen.
  • Um zudem x86-Anforderungen zu erfüllen, muss er etwa mit mehreren USB- und PCI-Express-Leitungen kompatibel sein.

Als Antwort auf diese Herausforderungen hat die SGET Rückmeldungen aus dem Markt von einer Vielzahl von Entwicklern und Nutzern aus den letzten drei Jahren berücksichtigt und die Spezifikationen überarbeitet.

SMARC 2.0 ist ein dynamischer Standard

Die unterschiedlichen Schnittstellen von ARM und x86 verlangen immer wieder spezifische Umsetzungen. Deren Schnittstellen erfordern jedoch ein zukunftsorientiertes Pinout. Um diese rasante Entwicklung erfolgreich und produktiv zu gestalten, bedarf es einheitlicher ARM-COM Standards. Dieser Flexibilität muss auch der SMARC-Standard Rechnung tragen. Dessen schneller Entwicklungszyklus und die Verbreitung im Markt zeigen deutlich, dass dieser Ansatz auf Kundenseite einen Nerv getroffen hat. SMARC 2.0 wird in den nächsten Jahren ohne Zweifel die Basis für viele zukunftsweisende und hoch entwickelte Anwendungen sein.

Kontron engagiert sich weiter als Innovationstreiber für den Standard. Das erste SMARC 2.0 Computer-on-Module auf Basis der neuesten Intel Prozessorgenerationen wurde bereits im November 2016 vorgestellt. Dieses ist, wie alle aktuellen Embedded Boards und Controller von Kontron, IoT-fähig und profitiert von der tiefen Software-Integration.

IoT, Automatisierung, Industrie 4.0 – Wohin geht die Reise?

Aktuell sind diverse Kontron SMARC-sXAL Module mit den neusten Intel-Prozessoren (Atom, Celeron, Pentium) sowie Bildverarbeitungs- und Grafikfähigkeiten ausgestattet. Sie bieten Echtzeit-Computerleistung in einem energieeffizienten und standardisierten Computer-on-Module-Formfaktor. Genau wie mit allen Embedded-Lösungen von Kontron profitieren Anwender von höherer Rechenleistung, einem verbessertem Leistung-pro-Watt-Verhältnis und langfristiger Verfügbarkeit.

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Im Juli 2017 hat Kontron mit dem SMARC-sAMX7 ein energieeffizientes SMARC 2.0 Modul präsentiert, das für Vernetzungsaufgaben optimiert ist. Es zeichnet sich dank seiner NXP i.MX7 Dual-Core- bzw. Single-Core-Konfigurationen durch niedrige Energieaufnahme aus. Das ermöglicht die effiziente Entwicklung von intelligenten Geräten mit einem kompakten, lüfterlosen Design bei ausgewogener Prozessor- und Grafikleistung.

Im Februar 2018 hat Kontron angekündigt, gemeinsam mit NXP i.MX basierte SMARC 2.0 Module für Industrie-4.0-Lösungen zu entwickeln. Dafür werden die Arm-basierten Prozessoren von NXP mit der Expertise von Kontron und S&T bei Hard- und Software verbunden. Die Produkte setzen auf Microsoft Azure IoT Services sowie auf die Time Sensitive Networking (TSN) Technologie, um den Anforderungen der Next-Generation-IoT-Implementierungen für Cloud- und Edge Computing sowie Innovationen im Factory Floor zu entsprechen.

Kontron plant zudem eine weitere Version mit ARM-Prozessoren, die mit höherer Leistung auch anspruchsvollen Grafikaufgaben gerecht wird. Alle neuen SMARC-2.0-Module sind mit der Kontron eigenen Sicherheitslösung „Kontron APPROTECT – powered by Wibu“ verfügbar, mit der die Integrität der Daten und Applikationen Ende-zu-Ende geschützt ist. Bei der Lösung handelt es sich um einen Smartcard-Chip, den der Partner Wibu-Systems bereitstellt. Dieser sorgt durch Verschlüsselung direkt auf der Kontron Hardware für die Sicherheit von Anwendungsdaten sowie des Programmcodes. Über Kontron APPROTECT LICENSING lassen sich neue Business-Modelle wie Lizenzierungen oder Pay-per-Use implementieren.

Das IoT, die Automatisierung der Produktion und Industrie 4.0 sind die technologischen Zukunftsperspektiven der Industrieunternehmen, darüber herrscht Konsens im Markt. SMARC 2.0 ist ein der wichtiger Wegbereiter für die Umsetzung dieser Technologiekonzepte Es ist deswegen nicht verwunderlich, dass die Hersteller keine Zeit verlieren, die neuste Iteration des Standards umzusetzen.

* Martin Unverdorben, Product Manager SMARC bei Kontron

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