Maximierung der neuesten ARM-Prozessortechnologien in IoT- und Edge-Embedded-Umgebungen   

 

Von Peter Müller, Director Product Line Boards & Modules, Kontron

 

Für Embedded-Entwickler herrschen gerade spannende, aber auch herausfordernde Zeiten. Schließlich sind das Internet der Dinge (IoT) und sein industrielles Gegenstück, das IIoT, oft außergewöhnlich anspruchsvolle Anwendungsbereiche, für die es entsprechend zu designen gilt. Entwickler müssen mit den Anforderungen von Kunden, Management und Markt jonglieren, nicht nur beim Preissegment, sondern auch bei Leistung und Funktionalität. Um eine geringe Latenzzeit und eine größere Benutzerfunktionalität zu gewährleisten, sollen sich Server und Geräte zudem zunehmend in der Nähe der Fabrikhalle oder des Produktionsumfeldes befinden und nicht in weit entfernten Serverfarmen. 

 

Glücklicherweise bietet die Entwicklung neuer Generationen von Prozessoren in Kombination mit standardisierten Computer-on-Modules (COMS) und Single Board Computers (SBCs) sowie Edge- und Fog-Computertechnologien und Middleware, Designern und Systemintegratoren ein höheres Maß an Verarbeitungsleistung und Skalierbarkeit sowie die Flexibilität, mehrere Anwendungen zu steuern, zu berechnen und zu verbinden.

 

Wenn es darum geht, das Potenzial der neuesten Prozessormöglichkeiten von NXP in ihre ARM-Mobil-, IoT- und Edge-IIoT-Anwendungen zu integrieren und zu nutzen, können standardisierte, skalierbare COMs und SBCs Entwicklern ein viel geringeres Risiko und Kostenvorteile sowie eine schnellere Markteinführung bieten als wenn Systeme von Grund auf neu entwickelt werden müssen. Bei COMs wird die Wahl wahrscheinlich auf Qseven oder SMARC fallen, da der COM Express Mini nur x86-basiert ist. Die neuesten pITX-SBCs in Industriequalität bieten den Entwicklern jedoch weitere Optionen,  -und es gibt eindeutig weitere Alternativen zur Verwendung von NXP-Prozessor-basierten ARM-COMs oder SBCs - das Broadcom-basierte Raspberry Pi ist ein gutes Beispiel.

 

Alle diese sind nicht nur sehr klein, dünn und leicht, sondern auch robust. Dies ist auf die Anforderungen an mobile Geräte und die wachsende Bedeutung des Internet der Dinge (IoT) zurückzuführen, wo Edge- und Fog-basierte Computeranwendungen oft auf Geräte und Sensoren, die in schwer zugängliche, raue und platzkritische Umgebungen eingebettet sind, zugreifen müssen. Gleichzeitig bieten sie ausreichend Platz für die erforderlichen Prozessoren und den Speicher und bieten mehrere Schnittstellenoptionen für Peripheriegeräte, Konnektivität, Grafik, Kamera, Audio und mehr.

 

Die neuesten Prozessoren eröffnen ein hohes Potenzial an Möglichkeiten

 

COMs und SBCs nutzen NXP i.MX-Prozessorentwicklungen

Wenn man sich die i.MX-Technologien von NXP genauer ansieht, hat sich viel getan, seit NXP Freescale unter seine Fittiche genommen und die Fusion im Jahr 2015 abgeschlossen hat. Sie bietet dem traditionellen Embedded-Entwicklermarkt nun einige ernsthafte Alternativen. Das i.MX-Portfolio wurde auf acht Familien erweitert, wobei die neuesten Geräte mit fortschrittlichen ARM-Kernen ausgestattet und nach modernsten Verfahren hergestellt wurden. Damit haben sich die Möglichkeiten erweitert, Cortex-A8, A9, A35 und A53 Kerne zu verwenden, die die Vorteile der 64bit v8 Architektur von ARM nutzen.

 

Vor allem die IMX.6-Prozessorfamilie für allgemeine Anwendungen hat in den letzten fünf Jahren eine Vorreiterrolle gespielt und ist daher immer flächendeckender verkauft worden. Vielleicht nicht ganz überraschend, da der i.MX 6 der erste i.MX-Prozessor war, der sowohl einzelne Cortex-A7-Teile als auch Single-, Dual- und Quad-Cortex-A9-Varianten enthielt. Die Serie war auch die erste, die den Cortex-M4-Kern für den Echtzeitbetrieb einsetzte. Danach haben sich alle i.MX-Teile mit Echtzeit-Domains weiterentwickelt.

 

Diese Prozessorfamilie ist nach wie vor gefragt und bleibt ein guter Allrounder, der sich für viele Embedded-Verarbeitungsanwendungen eignet, von E-Readern und intelligenten Thermostaten bis hin zu Kassensystemen und Gebäudeautomation. Kontron bietet das SMARC-sAMX6i Modul mit Single-, Dual- oder Quad-Core NXP i.MX6 Prozessoren an, die ein breites Leistungsspektrum abdecken. Es basiert auf der ARM Cortex A9 Technologie, die eine effiziente Entwicklung von Smart Devices in einem extrem kompakten, lüfterlosen Design mit ausgewogener Prozessor- und Grafikleistung ermöglicht.

 

Bei weiterer Nutzung der Kerne Cortex-A7 und Cortex-M4 wurde dann die i.MX7-Reihe 2017 eingeführt. Der Schwerpunkt liegt auf der Optimierung von eingebetteten, batteriebetriebenen Geräten mit extrem geringem Stromverbrauch für Anwendungen wie Wearables und Anwendungen in den Bereichen Automotive, Industrie und IoT. Diese Prozessorfamilie ermöglicht eine unabhängigere Steuerung und flexiblere Energieversorgung, die beispielsweise das Hochfahren von Systemen auf unterschiedliche Weise ermöglichen. Im Standby-Modus oder wenn eine geringe bis mittlere Leistung erforderlich ist, kann der A7-Kern abgeschaltet werden.

 

Kontron war der erste Embedded-Hersteller, der NXP i.MX7 COM-Lösungen mit SMARC- und Qseven-Versionen anbot. Insgesamt sind i.MX7-Prozessoren kosteneffizienter und bieten eine verbesserte Energieeffizienz gegenüber i.MX6. Sie werden daher zunehmend eingesetzt werden, insbesondere für Smartphones und Tablets sowie für die Embedded Routing und Gateway-Geräte, die heute in industriellen Edge IIoT-Umgebungen benötigt werden.

 

Tatsächlich ist die i.MX8X-Prozessorreihe, die von NXP zur gleichen Zeit wie die i.MX7 eingeführt wurde, eine Weiterentwicklung der i.MX6 , die mehr Performance bietet. Auch hier unterstützt Kontron den i.MX8X mit seinem neuen SMARC-sAM8X-Modul und in Kürze wird auch eine Qseven COM-Option verfügbar sein.

   

Die i.MX8-Prozessorfamilie bietet Teile mit bis zu vier Cortex-A53- und A35-Kernen und einem Cortex-M4-Kern sowie hardwarebeschleunigte Grafik- und Video-Engines. Die i.MX8X-Serie kann bis zu drei Displays gleichzeitig steuern und bietet dem Anwender skalierbare Leistung und Performance sowie die Wiederverwendung von Software. Darüber hinaus ermöglichen umfangreiche Hochgeschwindigkeits-Interfaceptionen eine breitere Systemkonnektivität. Unter anderem wird diese Prozessorenreihe zunehmend in industriellen Steuerungs- und Robotikanwendungen sowie für anspruchsvolle Grafikanwendungen wie HMIs, Bildgebung, Machine Vision, Audio, Sprache und sicherheitskritische Systeme eingesetzt.

 

Die Prozessorreihe i.MX8X

 

Hervorzuheben ist hier auch der i.MX8 Quad Max, der ARM-Entwicklern eine Verarbeitungsleistung verspricht, die mit dem Intel Atom vergleichbar ist - bei deutlich geringerem Stromverbrauch. Mit leistungsstarken Grafikfunktionen bietet dieser eine echte Alternative für grafikintensive Anwendungen wie HMIs, real-time signage, Infotainment und medizinische Bildgebung, bei denen sowohl geringer Stromverbrauch als auch hohe Performance im Vordergrund stehen. Ein weiterer würdiger Konkurrent hier ist die TI Sitara AM6x Prozessoroption, aber die Skalierbarkeit von SKUs mit gleichem Pinning ist im Vergleich zu NXP nicht so umfangreich. Letzteres erleichtert somit die Skalierung verschiedener CPU-SKUs auf einer PCB.

 

Anstatt entweder ein Intel Atom oder i.MX8 COM zu verwenden, hat ein eingebetteter SBC wie der Raspberry Pi oder die neue pITX-Kleinformatlösung von Kontron viel zu bieten. Der pITX-iMX8M von Kontron bietet nicht nur zwei Gbit-Schnittstellen, sondern auch leistungsstarke Grafikfunktionen mit dem iMX8M (Mini) ARM Multi-Core CortexA53 Prozessor, den NXP Anfang dieses Jahres auf den Markt gebracht hat. Der iRaspberry Pi ermöglicht die Herstellung eines einzelnen Prototyps sehr schnell und verfügt über eine Vielzahl von Software, ist aber nicht als industrielle Plattform bewährt. Wie bei allen standardisierten COM-Bereichen von Kontron sind jedoch auch hier Evaluation Carrier Boards verfügbar.

                

Kontron hat außerdem ein energiesparendes Dual-Core Cortex A-72 SMARC-Modul mit dem Layerscape-Prozessor NXP LS1028 vorgestellt. Es eignet sich besonders für Echtzeitanwendungen, die eine multiple Ehernet-Konnektivität erfordern. Beachten Sie, dass eine PCIe-Linie als QSGMII-Port verwendet werden kann, um 4 x 1 GByte TSN-fähige Ethernet-Ports zu betreiben. Wie alle Kontron COM-Module und Boards verfügt auch dieses Produkt über APPROTECT, ein umfassendes, plattformübergreifendes Sicherheits-Framework.

 

Bedarf an Middleware

Kontron ist sich mit vielen Anderen einig, dass Entwickler in der heutigen hyper-vernetzten IoT-Welt Lösungen benötigen, um die Bereitstellung von Ressourcen mit geringer Latenz und großem Sicherheitsbedarf für Edge-Computing bei Netzwerken zu vereinfachen.

 

Vor diesem Hintergrund wurde die neue SUSiEtec-Middleware entwickelt, um Edge-Computing-Geräte auch aus der Ferne bereitzustellen, managen und updaten zu können, Edge-Knoten, Sensoren und andere IoT-Geräte mit Cloud-Frameworks zu verbinden und die Bereitstellung von Software und Updates für Remote-Embedded-Geräte zu automatisieren. Die Plattform schafft eine effektive Verschmelzung von Computertechnologie, Fabrik- und Unternehmens-IT und wird individuell an die jeweilige Anwendung angepasst, um kritische Steuerungs- und Sensordaten vor Ort zu sammeln und zu analysieren. Um dies zu ermöglichen, bietet Kontron umfangreiche Board Support Packages für verschiedene Betriebssoftware wie Yocto Linux und Android an.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es für Embedded-Designer und -Entwickler noch nie einen besseren Zeitpunkt gegeben hat. Sie haben nun eine große Auswahl an x86- und ARM-Prozessoren, aus denen sie je nach ihren spezifischen Leistungs-, Energie-, Verbindungs- und Preisanforderungen wählen können. Gleichzeitig können sie auf skalierbare Embedded COM-Plattformen und Embedded Boards zurückgreifen, auf denen sie aufbauen können. Zudem verfügen sie über die notwendigen Softwaretools, um der großen und vielfältigen Marktnachfrage nach mobilen und embedded IoT-Anwendungen sicher begegnen zu können - von denen viele noch vor wenigen Jahren einfach nicht möglich gewesen wären.

 

Kontron steht dabei als Partner zur Seite und integriert die weltweit besten und neuesten Prozessorinnovationen an standardisierten COMs und SBCs in sein Sortiment, das eines der breitgefächertsten auf dem Markt ist.

 

 

Titelbild: AdobeStock © 고운 이  

 

 

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