Los diseñadores de sistemas embebidos se encuentran ante el desafío de tener que disminuir el coste de la electrónica, así como su tamaño y aumentar la fiabilidad global del sistema. Todo ello enfrentándose a la cada vez más exigente premura en el tiempo de lanzamiento de sus productos al mercado.
Actualmente muchos de ellos, consiguen estos objetivos utilizando ordenadores monoplaca (SBC: Single Board Computers) de catálogo, basados en procesadores x86 y apilando módulos de Entradas/Salidas (E/S), ya sea en la parte superior o inferior de la tarjeta. Con ello pueden implementar las funciones particulares que hacen que el sistema embebido se ajuste a los requisitos de la aplicación.
Una alternativa a esta aproximación tradicional es utilizar un ordenador monoplaca (SBC) basado en un módulo procesador (COM: Computer On Module).
Al utilizar un SBC basado en COM, un diseñador puede beneficiarse de unas ventajas significativas respecto a los SBC tradicionales:
- Optimización del rendimiento del sistema a través de la escalabilidad de la CPU.
- Mayor ciclo de vida del producto.
- Mayor densidad de funciones del sistema.
- Acceso más rápido a la última tecnología en CPUs.
- Tamaño compacto.
- Soluciones basadas en un solo proveedor para optimizar la compra y el soporte logístico.
SBCs tradicionales
Los SBCs tradicionales están diseñados habitualmente alrededor de un formato estándar en la industria tal como PC/104 ó 3.5”. Suelen incluir buses de expansión para permitir una fácil adaptación a cada aplicación particular, añadiendo uno o más módulos de E/S.
La gran variedad de módulos de E/S disponibles de fabricantes en todo el mundo, hace que esta estrategia sea atractiva para un amplio número de diseñadores y permite un desarrollo rápido de soluciones embebidas para muchas aplicaciones.
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| Figura 1: Diseño antiguo consistente en un gran número de tarjetas apiladas con el SBC y los módulos de E/S |
No obstante, en los sistemas basados en SBCs estándar donde se requieren un gran número de E/S hay importantes limitaciones para el diseño de sistemas embebidos, incluyendo:
- Sistemas relativamente grandes, debido al número de tarjetas E/S necesarias para obtener una solución completa (ver Figura 1)
- Dificultades de encapsulado, resultantes de la variedad de formatos de la pila, con conectores de E/S en todos los lados de las tarjetas.
- Un desorden de cables al tener que llevar todas las E/S desde estos conectores a la caja del sistema.
- Dificultad de ensamblaje y gestión de mantenimiento, asociado a una pila con gran densidad de tarjetas y una amalgama de cables.
- Mayor complejidad en el soporte técnico, la planificación y la gestión de compras, resultante de tener que gestionar múltiples proveedores.
- Incremento del coste del sistema, debido al número de tarjetas y a la gestión de las interconexiones entre ellas.
Soluciones basadas en COM
Una solución basada en un COM tiene una aproximación totalmente distinta.
La CPU, que es el bloque con mayor complejidad, con mayor riesgo y el componente con un ciclo de disponibilidad más corto, es un módulo intercambiable que se fabrica de acuerdo a un formato estándar y que puede comprarse a una gran variedad de fabricantes.
El resto del sistema consiste en una “tarjeta base” que contiene la mayoría de circuitería restante y las conexiones de E/S requeridas para cada solución. El formato de la tarjeta base puede realizarse a medida, para cumplir con los requisitos de la carcasa, o puede tener un propósito más general para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones. La tarjeta base puede incluir también conectores de expansión para permitir futuras actualizaciones o necesidades de configuración.
Dado que las tarjetas base utilizan soluciones COM de catálogo, con módulos de formatos estándar para la sección del procesador, el diseñador tiene la opción de intercambiarlos por uno distinto con un mínimo esfuerzo. En la mayor parte de los casos, ese esfuerzo queda limitado a recompilar el software de aplicación con el conjunto de drivers del nuevo procesador y los distintos ICs de los periféricos presentes en el COM.
Esta posibilidad de intercambio conlleva dos beneficios significativos.
En primer lugar, el ciclo de vida del producto se extiende de forma considerable, dado que la discontinuidad de suministro de un COM se puede gestionar fácilmente reemplazando el módulo por una nueva generación de módulos, pudiendo añadir de esta forma cinco o más años al ciclo de vida del producto.
En segundo lugar, un diseño de una única placa base puede trabajar con distintos COM, con distintos niveles de precios y características, ofreciendo al diseñador la posibilidad de ofrecer actualizaciones en las prestaciones, reducciones de coste, y otras características de escalabilidad.
Limitaciones de los COM
El atractivo de las soluciones basadas en COM se demuestra en el hecho que el número de CPUs COM vendidas, es mayor que las unidades vendidas sumando el resto de CPUs SBC en formatos estándar embebidos (incluyendo los SBCs PC/104).
Sin embargo, las soluciones basadas en COM, presentan sus retos particulares para el diseñador de sistemas embebidos:
- El diseño a medida de placas base de E/S para cada nueva aplicación.
- Los conocimientos avanzados requeridos para el diseño de circuitería de E/S y diseño electrónico en general.
- Ciclos de desarrollo de producto más largos.
- Costes de desarrollo más elevados.
SBCs basados en COM: lo mejor de los dos mundos
Actualmente existe una solución intermedia consistente en la utilización de tarjetas base de catálogo, con formatos SBC estándar, con soporte para los módulos COM y con una amplia disponibilidad de E/S. La combinación de una placa base SBC estándar con un COM se conoce como SBC basado en COM.
Dicha solución aporta a los diseñadores lo mejor de los SBCs sin renunciar a las ventajas de la utilización de los COM, además evitando el riesgo del desvío del presupuesto y la dificultad en la planificación, asociados a la opción del diseño de una placa base totalmente a medida.
Esta solución de catálogo basada en dos tarjetas, también incluye a menudo la posibilidad de adaptar el diseño a las necesidades de la aplicación, con la expansión de E/S a través de unos conectores industriales estándar, de la misma manera que los SBCs tradicionales.
Un SBC basado en COM suele incluir también un disipador térmico por conducción que proporciona, tanto una plataforma de montaje como una forma efectiva de disipación del calor del procesador directamente a la carcasa de la caja (ver figura 2). Algunas pruebas realizadas por Diamond muestran que este tipo de conducción del calor, puede ofrecer una reducción de hasta 23°C en la temperatura del chip de la CPU, dando como resultado una mayor equilibrio con la temperatura ambiente, así como una mayor fiabilidad a largo plazo.
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| Figura 2: Estructura de un SBC basado en COM |
Un ejemplo de SBC basado en COM es la tarjeta de Neptuno de Diamond Systems y ofrecida por QBM, que es un SBC de formato EPIC basado en COM, robusta, con temperatura extendida de funcionamiento y un gran número de E/S integradas (ver figura 3).
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| Figura 3: La tarjeta Neptuno, con su gran número de E/S, reemplaza todos los módulos apilados de la Figura 1 |
Al utilizar un formato industrial estándar de interface ETX, la Neptuno ofrece un amplio abanico de posibilidades para elegir entre los módulos CPU ETX disponibles.
La CPU ETX se conecta en la parte inferior de la tarjeta base, lo que permite la implementación de una solución térmica de disipación muy eficiente, conduciendo el calor desde el procesador y el chipset directamente a la superficie inferior de la caja.
Otro ejemplo de SBC basado en COM es la tarjeta Vega. Se trata de un SBC robusto, muy compacto, del tamaño de un módulo COM, que puede montar módulos COM-express intercambiables, como se muestra en la Figura 4. Al eliminar los conectores PC/104 plus y cambiar por completo la estrategia de disposición de los conectores de E/S, se reduce de forma drástica el tamaño de la tarjeta base para hacerlo coincidir con el tamaño de un módulo COM. De nuevo una solución de dos tarjetas sustituye a una pila de cuatro tarjetas PC/104: SBC, fuente de alimentación, E/S analógicas y Ethernet.
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| Figura 4: Vega, SBC basado en COM del tamaño de un COM-express |
Independientemente del número y el tipo de E/S existentes en una tarjeta base COM o en un SBC basado en COM, es bastante posible que para algunas aplicaciones se necesitan más.
Por ello, un SBC basado en COM, bien diseñado, debe incluir siempre uno o más conectores de expansión para instalar módulos de E/S, habitualmente PC/104 o PC/104plus, o bien conectores PCIe MiniCard. Muchos proveedores de soluciones PC embebidas mantienen una selección de módulos de E/S de expansión para cubrir estas necesidades.
Diamond Systems ofrece una gran variedad de módulos de E/S apilables en distintos formatos estándar de la industria, incluyendo PC/104 y PC/104plus. Estos módulos incluyen E/S analógicas, E/S digitales, redes, CAN y fuentes de alimentación, entre otros. También ofrece una familia de tarjetas PCIe MiniCard, para una expansión de E/S en la misma tarjeta, suministrando prácticamente las mismas funcionalidades, pero con un tamaño mucho más pequeño.
La Vega, el SBC basada en COM, incluye además un conector de expansión de elevadas prestaciones llamado EMX (abreviatura de Embedded Express). Este conector está diseñado para ofrecer expansión de E/S de alta velocidad, en un tamaño compacto, con el coste más bajo posible. El conector EMX ofrece cuatro canales PCIe, bus LPC y USB, permitiendo el soporte para los chips y circuitos periféricos más comunes. Un ejemplo es el módulo de expansión de E/S de Diamond EMX-ESG777, que ofrece dos puertos Ethernet Gigabit, seis puertos serie, 14 líneas E/S digitales y un conector para un receptor GPS.
Ventajas de los SBC basados en COM
Un SBC basado en COM, con su placa base de catálogo, permite tener la mayoría de ventajas, tanto de las soluciones a medida basadas en COM como de los SBCs tradicionales de catálogo, mientras que elimina la mayoría de los aspectos negativos de ambos. Las ventajas principales incluyen:
Características de la CPU escalables
Al utilizar una CPU estándar COM de catálogo, las tarjetas base pueden soportar un amplio número de características de forma eficiente en toda una gama de productos, simplemente montando distintas CPU según las prestaciones a cubrir.
Con la posibilidad de intercambiar fácilmente el módulo CPU, los SBCs basados en COM pueden ofrecer características de procesado que van desde soluciones de bajo coste, sistemas básicos de bajas prestaciones, hasta soluciones de gama alta con módulos para procesado intensivo, incluso utilizando el mismo sistema operativo y drivers.
Tiempo de vida del producto más largo
Cada vez en más industrias se requieren ciclos largos de vida de producto (con los requisitos de mantenimiento asociados), en algunas de hasta 20 años.
Los ciclos de vida de los procesadores habitualmente están en el entorno de los 7 años. Las consideraciones de diseño relacionadas con el ciclo de vida del producto tienen una importancia primordial en la especificación de un sistema embebido. La posibilidad de intercambiar fácilmente los módulos COM, incrementa significativamente el ciclo de vida del producto.
A medida que el chip de la CPU de un módulo COM alcanza su obsolescencia, se lanzan al mercado nuevos COM, con el mismo formato, y con la última tecnología de CPUs. Reemplazar físicamente el COM obsoleto por un nuevo modelo es muy sencillo y puede incluso realizarse en el campo.
Los cambios en el software habitualmente son mínimos, y limitados a recompilar la aplicación con un nuevo conjunto de drivers para la nueva CPU y los varios circuitos periféricos.
Gran densidad de funciones en un tamaño compacto
Al utilizar un sandwich de dos tarjetas, un SBC basado en COM ofrece una mayor funcionalidad con un mismo tamaño. La tarjeta base Neptuno por ejemplo, integra la capacidad de cinco módulos PC/104 de E/S tradicionales en una única tarjeta de tamaño SBC EPIC, incluyendo: una fuente de alimentación de amplio rango, puertos serie multi- protocolo, adquisición de datos, E/S digitales optoaisladas y Ethernet.
Acceso más rápido a las últimas tecnologías de CPUs
La tendencia del mercado embedded hace que los últimos procesadores habitualmente estén disponibles en formatos COM antes que aparezcan en los SBCs tradicionales. Por lo tanto, una solución SBC basada en COM permite un acceso más rápido a la última tecnología de CPUs. Las aplicaciones existentes se pueden actualizar con un esfuerzo muy pequeño y maximizar así su ventaja competitiva.
Tamaño compacto
Además del módulo COM ETX que monta, la tarjeta Neptuno ofrece un gran número de E/S estándar PC tales como, 4 puertos USB 2.0, interfaces de disco duro Serie ATA (S-ATA) y EIDE, incluyendo un conector CompactFlash™ y un interface IDE de disco de estado sólido Flash IDE, controladores Ethernet 10/100 y Gb, 6 puertos serie, audio y soporte de interface para teclado y ratón. Además de proporcionar todas estas entradas y salidas la Neptuno incluye expansión PC/104plus (ISA y PCI) veces para poder incrementar todavía más el número de E/S si es necesario. La Neptuno condensa todas estas E/S y toda la circuitería de alimentación en una tarjeta reducida de 4,5” x 6,5” pulgadas (115mm x 165mm) que cumple la especificación del estándar industrial EPIC 2.0.
Reducción del tiempo de lanzamiento al mercado
Diseñar un SBC basado COM es un mucho más rápido que diseñar un SBC desde cero. Dado que la CPU y los circuitos asociados son normalmente la parte más compleja y en la que se invierte el mayor esfuerzo de diseño de un SBC, utilizar un COM de catálogo simplifica y acelera el ciclo de desarrollo.
También se reduce la fase de depuración y verificación del lanzamiento del producto, desde el I+D hasta la planificación de la fabricación, porque la circuitería de la CPU es un diseño probado. Los ciclos resultantes de verificación y desarrollo son más cortos y permiten que los SBCs basados en COM puedan ser una solución que esté comercialmente disponible de forma más rápida que sus equivalentes SBC. Esta ventaja es particularmente relevante cuando se compara con el tiempo de desarrollo de una solución a medida.
Solución completa suministrada por un solo proveedor
Un SBC basado en COM es un producto estándar orientado a la fabricación y suministro a través de un solo proveedor, el cual asume la responsabilidad en todos lo relacionado con los temas de compatibilidad y logísticos. Al tener una solución altamente integrada a partir de un solo proveedor, se reducen los costes generales asociados a la compra de las partes individuales necesarias para crear una solución final, y hace que el soporte en el campo de los sistemas instalados sea mucho más eficiente optimizando los costes de intervención.
El costo total de propiedad se reduce de manera considerable y se incrementa la productividad de la explotación.
Resumen de las ventajas de los SBCs basados en COM
Un número cada vez mayor de fabricantes de sistemas embebidos, de cualquier tamaño, pueden ahora beneficiarse de las últimas tecnologías y arquitecturas COM, sin necesidad de asumir los riesgos inherentes al desarrollo de placas base a medida en términos de tiempo y costes de desarrollo. Las numerosas ventajas de los sistemas SBCs basados en COM incluyen:
- Características de la CPU escalables.
- Incremento del ciclo de vida de los productos.
- Gran densidad de funciones en un tamaño compacto.
- Acceso a la última tecnología en CPUs.
- Tamaño compacto.
- Reducir el tiempo de lanzamiento al mercado.
- Solución completa suministrada por un solo proveedor.
Las ventajas derivadas de los SBCs basados en COM son considerables y afectan a todos los niveles de la empresa, por ello en la actualidad, son una elección recomendable para los diseños de nuevos sistemas embebidos más eficientes y competitivos.
A White Paper from Diamond Systems Corp.
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