Apalis - Uma nova arquitetura para computação embarcada

Apalis

 

Contextualização

 

A complexidade dos sistemas embarcados atuais cria diversos desafios para engenheiros e gerentes de projeto. O uso de computadores em módulo (CoM) efetivamente ameniza essa situação. Computadores em módulo encapsulam a crescente complexidade das tecnologias de hardware e software mais complexas, criando um único subsistema que pode ser integrado como um componente principal de qualquer produto embarcado. Entre os benefícios do conceito em relação ao desenvolvimento de produtos estão: a diminuição massiva do tempo e a redução drástica do risco. A utilização de um computador em módulo diminui a dependência para com os fornecedores e fabricantes de circuitos integrados e PCBs, ao mesmo tempo em que aumenta o tempo de vida do produto, reduzindo o seu custo de administração.

 

A Toradex apresenta a nova família de computadores em módulo Apalis, que possibilitará a seus integradores o benefício de desfrutar das tecnologias mais avançadas, tornando possível criar produtos de ponta para o mercado de sistemas embarcados.

 

 

Computadores em módulo capturando o mercado de sistemas embarcados

 

Atualmente engenheiros de produtos industriais estão enfrentando diversos desafios para os quais devem apresentar soluções inovadoras. O microprocessador é o coração de qualquer sistema embarcado, apresentando um ciclo médio de inovação que dura entre seis e doze meses para “Application Processors” (AP) e “System on Chip” (SoCs). Este ciclo é muito menor que o necessário para o mercado de dispositivos embarcados, onde o ciclo é geralmente de cinco a dez anos. Por esse motivo, a utilização de novas tecnologias em sistemas embarcados torna-se problemática, e diversas vezes impossível.

 

A tecnologia presente em produtos destinados ao mercado pessoal, como smartphones e tablets, é o que direciona a expectativa dos usuários. Desta maneira, sistemas embarcados que interagem com pessoas precisam apresentar características e interfaces equivalentes.

 

Equipamentos devem ser intuitivos, as pessoas não querem mais ler e consultar manuais de utilização. Aceleração 3D e capacidade “multi-touch” são mandatórias para interfaces de usuário (GUI). Conectividade de alta velocidade com PCI-Express, SATA e Ethernet Gigabit associadas a interfaces multimídia como HDMI são necessárias para garantir produtos que atendem a expectativa dos consumidores.

 

Projetar plataformas computacionais complexas, compatíveis com a expectativa dos usuários, pode levar muitos anos e requer um conhecimento muito específico. Para enfrentar este desafio, engenheiros de desenvolvimento passaram a utilizar computadores em módulo (COMs) em seus produtos. Integrando o COM como um subsistema completo e padronizado, o time de desenvolvimento pode concentrar-se no desenvolvimento da aplicação, reduzindo os custos de desenvolvimento, risco e tempo para lançamento do produto no mercado.

 

A manutenção de hardware e software de um COM é gerenciada pelo seu fabricante. Dessa forma, o integrador não precisa mais se preocupar com o ciclo de vida de cada um dos componentes, reduzindo assim os riscos de atualizar o projeto do hardware e software, além do trabalho necessário para gerenciamento dos componentes.

 

Outra importante vantagem da escolha de um COM pertencente à uma família de módulos compatíveis pino a pino é a escalabilidade proporcionada por esta característica. Selecionando um módulo que atende aos requisitos de uma aplicação específica, os clientes podem desenvolver variações no produto onde o desempenho e preço são otimizados para os diferentes mercados.

 

Para baixos e médios volumes, normalmente a solução COM é a única solução financeiramente viável. O motivo é que o aproveitamento da economia de escala devido ao grande número de clientes utilizando o mesmo módulo em seus projetos, possibilita ao desenvolvedor de módulos baixos custos de fabricação que são repassados aos clientes. Os ganhos econômicos da utilização de COMs também podem ser verificados em aplicações com volumes de milhares de produtos por ano quando considerados os custos de engenharia durante a fase de desenvolvimento e de manutenção do produto após o seu lançamento.

 

 

Computadores em módulo Colibri

 

Em 2005, a Toradex lançou seu primeiro computador em módulo Colibri. Ele é baseado no Marvell PXA270, conhecido como Intel XScaleTM. Esse módulo continuará disponível no mercado até pelo menos 2017.

 

A Toradex continua expandindo a família de módulos Colibri, já adotada por uma grande base de clientes, utilizando os módulos como o coração de seus produtos, nas mais diversas áreas de aplicação ao redor do globo. Hoje a família Colibri contém quinze módulos funcionais e compatíveis pino a pino com diferentes variantes que utilizam Marvell PXA, NVIDIA® TegraTM e Freescale Vybrid.

 

Apalis
Figura 1: Colibri VF61

 

 

A Toradex continua a inovar, desenvolvendo e suportando a família Colibri. Novas características e melhorias no sistema operacional Windows CE para o PXA270 continuam, mesmo oito anos após o lote inicial. Produtos como o VF50 e o VF61 foram adicionados à família no final de 2013 comprovando o comprometimento da Toradex com a longevidade da família Colibri.

 

 

A necessidade de um novo padrão para sistemas embarcados

 

Um crescimento dramático de produtos utilizando arquitetura ARMTM tem ocorrido, liderado principalmente pela expansão dos mercados de smartphones e tablets. Soluções baseadas em ARM estão aparecendo em áreas previamente reservadas para soluções x86. Ao mesmo tempo, as engenharias da Intel® e AMD estão tentando melhorar sua eficiência de consumo de energia para entrar nas áreas previamente dominadas pela ARM.

 

A integração gradativa de interfaces como PCI-Express, Gigabit Ethernet, SATA e HDMI nos novos SoCs e APs tornou necessário o desenvolvimento de um novo padrão de computadores em módulo. Estas interfaces possibilitam que dispositivos ARM entrem em áreas de aplicação como comunicação visual interativa (digital signage) e sistemas multimídia de alto desempenho, mercados antigamente dominados pelas plataformas x86 de baixa eficiência energética.

 

Baseada na experiência de décadas que a Toradex possui entre seus engenheiros no mercado de sistemas embarcados ARM, foi criado o novo padrão de computador em módulo chamado Apalis.

 

 

Apalis: Expandindo o alcance ARM em sistemas Embarcados

 

A arquitetura do padrão Apalis foi desenvolvida baseada em diferentes tecnologias e com a colaboração próxima de nossos clientes.

 

Os principais objetivos da arquitetura Apalis são:

 

  • Longevidade: A Apalis foi projetada para ter ciclo de vida longo sem estar relacionado com um SoC ou AP específico. Essa característica proporciona a Apalis a liberdade com relação a qualquer fornecedor de SoC garantindo o ciclo de vida de produto necessário aos produtos embarcados.
  • Extensibilidade: O grande número de interfaces facilmente configuráveis, possibilitam uma quantidade quase ilimitada de aplicações. Com pinos livres para suportar interfaces, ainda não conhecidas, o Apalis está pronto para a nova geração de tecnologias de conectividade e interfaces.
  • Usabilidade: A complexidade está encapsulada no módulo Apalis, reduzindo intensamente a complexidade de projeto para os clientes. Apalis vai além do que qualquer outro padrão COM, permitindo que todos os sinais de alta velocidade sejam roteados para o mundo real através de uma única camada no PCB da placa de suporte.
  • Compatibilidade: Apalis apresenta suporte total ao nível de tensão de 3,3V em todos os GPIO e interfaces industriais padrão, uma necessidade em diversas aplicações embarcadas industriais.
  • Simplicidade: Uma atenção especial foi dada na simplificação do gerenciamento de alimentação do módulo. Reduzindo o número de pinos de alimentação e sinais de gerenciamento de tensão ajuda a reduzir a complexidade do projeto, tempo de desenvolvimento e custo do sistema como um todo.

 

 

Arquitetura Apalis

 

O diagrama abaixo apresenta a arquitetura básica dos módulos Apalis, listando várias interfaces por grupos. A grande variedade de interfaces embarcadas oferecidas, combinadas com as mais novas tecnologias de conectividade, fazem dessa família de módulos a solução ideal para a maioria das aplicações embarcadas de hoje que apresentam alta demanda.

 

Apalis
Figura 2: Características da família Apalis

 

 

O Apalis permite que os consumidores aproveitem a vantagem de alterar dinâmica e continuamente a tecnologia utilizada em seus produtos ao mesmo tempo que garante a compatibilidade com produtos mais antigos e um ciclo de vida de produto extenso.

 

As interfaces padrão do Apalis foram definidas de acordo os casos de uso mais comum levantados considerando uma ampla variedade de aplicações em mente. Desta forma garante-se conectividade por um longo tempo de forma simples e efetiva em termos de custo.

 

Estas interfaces são projetadas para serem 100% compatíveis entre os diferentes módulos pertencentes à família Apalis, permitindo uma otimização de preço e desempenho no produto final. Dessa forma, a migração para módulos com maior desempenho ou com custo otimizado é possível.

 

Interfaces específicas permitem que cada um dos diferentes módulos Apalis utilizem instâncias adicionais, das interfaces padrão (ex: portas PCIe ou SATA) ou ainda, tecnologias adequadas para aplicações específicas, mas com ciclo de vida reduzido e constate evolução (ex: MIPI CSI e DSI, largamente utilizadas em mercados de dispositivos mobile). Interfaces específicas que são comuns entre módulos deverão compartilhar os mesmos pinos no conector, garantindo assim compatibilidade.

 

 

Características Adicionais

 

A Apalis possui sistemas operacionais totalmente integrados (Microsoft Windows Embedded Compact e Embedded Linux) além de um extensivo ecossistema gratuito de desenvolvimento com projetos de hardware, reference designs, ferramentas de software e bibliotecas.

 

Direct Breakout™: Integrar o Apalis em uma placa de suporte customizada não poderia ser mais fácil. A tecnologia Direct Breakout™ permite o roteamento de sinais diretamente do conector do módulo para as interfaces de I/O sem a necessidade de cruzar ou distribuir as trilhas em diversas camadas do PCB.

 

Esta característica reduz drasticamente o risco de problemas com integridade de sinal, especialmente ao rotear trilhas das interfaces de alta velocidade como: USB, PCIe, SATA a HDMI. Adicionalmente, possibilita o uso de um PCB barato de apenas 4 camadas, o que diminui significativamente o tempo de roteamento durante a fase de projeto.

 

Apalis
Figura 3: Direct Breakout™, roteamento dos sinais de alta velocidade em uma única camada

 

 

MXM Snaplock™: O módulo Apalis pode ser facilmente fixado à placa de suporte através de parafusos ou através do MXM Snaplock™. Este é um conector montado na placa de suporte que fixa firmemente o módulo através de clips metálicos. Para diversas aplicações e durante o desenvolvimento, este sistema providencia um mecanismo de retenção simples. Para aplicações expostas a altos níveis de vibração, aconselha-se a utilização de um parafuso M3.

 

Solução para refrigeração: O aumento do processamento está ocorrendo mais rápido que o aumento da eficiência e temos notado um aumento no consumo de SoCs ARM de alto desempenho. Refrigeração passiva é ainda a solução viável em diversas aplicações, mesmo que o aumento do consumo demande soluções de refrigeração adicionais como dissipadores de calor. Um suporte especial na parte inferior do módulo tem uma dupla ação de absorção de calor e absorção de esforços aplicados ao módulo. Desta forma um dissipador de prateleira pode ser acoplado ao topo do módulo. Este mecanismo é fácil de ser instalado e oferece grande flexibilidade.

 

 

Apalis T30

 

ApalisO Apalis T30 é o primeiro membro da família de produtos Apalis. Ele é projetado considerando todo o desempenho do processador NVIDIA® Tegra 3™, um Quad-core ARM Cortex A9 com 12 core NVIDIA GeForce GPU.

 

Este computador em módulo incorpora as tecnologias DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Switching) e “Thermal Throttling”, as quais permitem que o sistema ajuste continuamente a frequência e tensão de operação conforme as modificações na demanda de trabalho e temperatura do processador. Desta maneira é possível obter o melhor desempenho com menor consumo de energia.

 

Para demonstrar as vantagens da nova arquitetura Apalis, a tabela a seguir fornece uma comparação básica de características entre três computadores em módulo, todos baseados no mesmo processador NVIDIA Tegra 3 Quad-Core Cortex™ A9 SoC:

 

Característica

Apalis™ T30

ULP-COM™/SMARC™ sAT30

Qseven™

QuadMo747-X/T30

Clip de retenção de encaixe rápido

MXM SnapLock™

-

-

Roteamento Simplificado

Direct Breakout™

-

-

Dimensões físicas

45 x 82 mm

50 x 82 mm

70 x 70 mm

Controlador Touch Resistivo 4 fios

1

-

-

ADC

4

-

-

Áudio Analógico

1

-

-

CAN

2

-

1

CSI (Dual Lane)

2

2

1 (FCC conector)

DSI

1

-

1

Dual Channel LVDS

2x Single ou 1x Dual

1x Single

2x Single ou 1x Dual

Gigabit Ethernet

1

1

1

GPIO

8*

12*

0*

Suporte 3.3V para GPIO

a

r

N/A

Áudio HD

1

1

1

HDMI (TDMS)

1

1

1

I2C

3

5

1

I2S

1

3

1

Câmera Paralela

1

-

1 (FCC conector)

LCD Paralelo

1 (24 bits)

1 (24 bits)

1

PCI Express

5

2

4

PWM

4

2

2

SATA

1

1

1

SDIO

1

1

1

SDMMC

1 (modo 8 bit)

1 (modo 4 bits)

1 (modo 4 bits)

S/PDIF

1

1

-

SPI

3

2

1

UART

4

4

2

USB

3

3

6

VGA

1

-

-

*GPIO dedicados – GPIO adicionais são disponíveis em algumas interfaces não utilizadas.

 

A incrível combinação de características fazem o Apalis T30 um computador em módulo ideal para uma grande gama de aplicações incluindo: Digital Signage, Equipamentos médicos, Computadores de bordo para navegação, Automação Industrial, Robótica, Interface Homem Máquina, Aeroespacial, Sistemas de entretenimento e jogos, Pontos de Venda e Aquisição de dados.

 

 

Material Online

 

Mais informações podem ser encontradas em:

 

http://www.toradex.com/products/apalis-arm-modules

http://developer.toradex.com/hardware-resources/arm-family/apalis-module-architecture

 

Os módulos Apalis podem ser comprados diretamente no Webshop Toradex.

 

 

TORADEX

 

A Toradex é especializada em projetar e fabricar computadores em módulos de alto desempenho, baseados em ARM e x86, para o mercado de sistemas embarcados. Nosso hardware e software oferece uma possibilidade de configuração incomparável permitindo que você rapidamente transforme suas ideias em produtos de sucesso a um custo adequado. As dimensões reduzidas do produto junto ao consumo ultrabaixo de energia fazem dos nossos módulos ideais para aplicações robustas e móveis.

 

 Os componentes de Hardware e Software são projetados e desenvolvidos pelo nosso time de engenharia na Suíça com 100% de compromisso com a facilidade de uso, desempenho e qualidade. O suporte técnico é realizado pelos próprios desenvolvedores e estão disponíveis uma série de esquemas de referência, ferramentas de software e bibliotecas que irão acelerar a sua velocidade de desenvolvimento e reduzir o seu risco.

 

 A Toradex facilita a manutenção de seu produto: desenvolvemos e atualizamos nossos computadores em módulo por todo seu ciclo de vida mantendo a compatibilidade com as placas de suporte, você não precisará se preocupar com mudanças de hardware devido à descontinuação de circuitos ou bugs no sistema operacional.

 

 A Toradex preocupa-se muito com a segurança da cadeia de fornecimento, especialmente quando seu produto entrar em volume de produção: nossos produtos são montados por múltiplos parceiros cuidadosamente selecionados e são entregues a você através dos diversos escritórios locais de vendas da Toradex. 

 

  (*) esse post foi patrocinado pela TORADEX

 

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Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Guilherme Fernandes
Mestre em Engenharia Mecatrônica pela Escola de Engenharia de São Carlos (USP) atua como diretor da Toradex Brasil, trabalhando na implantação do escritório de vendas e suporte da empresa para o Brasil. Trabalhou 7 anos como gerente de engenharia de sistemas na área de automação industrial desenvolvendo mais de 300 projetos de máquinas para linhas de montagem e teste de produção para o setor de autopeças.

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