Embedded Systems Development & IoT

Wissen.Impulse.Kontakte.

Low-Power-Embedded-Modulefr smarte AnwendungenSMARC 2.0 ist ein zukunftssicherer Standard fr Embedded-Module.Aktuell werden Lsungen fr Intels nchste Atom-Generation entwickelt.

Skylake-NachfolgerKaby LakeDie Doppelkern-CPUs derGeneration Core i7 bieteninsbesondere eine verbes-serte Grafikleistung. Seite 6

Es gibt noch Hoff-nung fr ETX-NutzerDer Standard ETX fokussiertnicht hchste Leistung,sondern eine Architektur frdie Industrie. Seite 18

Designmethodenfr IoT-SensorenIoT-Lsungen und Sensor-netzwerke zu kombinieren,erfordert abgestimmteDesigns. Seite 38

SONDERHEFT EMBEDDEDSYSTEMSDEVELOPMENT& IoT

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EDITORIAL

ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016

Embedded Computing Modulesind auf dem Vormarsch

DieNachfragenach energieeffizien-ten Embedded-Systemen steigtstetig, etwa in der Gebudeauto-matisierung und in Wearables. Zugleichwerden moderne Embedded-Systemedurch die enge Verzahnung von Hard-,Software und Mechanik immer kompak-ter. Ein besonderes Augenmerk von Ent-wicklern liegt deshalb auf denComputer-on-Modules (COM). Denn im GegensatzzuproprietrenSystemenentsprechen siehinsichtlich Gre und Leistung interna-tional anerkannten Standards, sind alsosofort einsatzbereit und in verschiedenenVarianten und Leistungsklassen erhlt-lich. Das spart nicht nur Entwicklungs-kosten, sondern verkrzt auchdieMarkt-einfhrungszeit. In diesem Zusammen-hanghat sich ein Standard in jngster Zeitbesondershervorgetan: SMARC2.0 (SmartMobility ARChitecture). Er bietet etlicheVorteile, etwa gegenber dem lterenQseven-Standard, der kaum Schnittstel-lenerweiterungen fr zuknftige Embed-ded-Anwendungen mit Echtzeitfhigkeitermglicht. Warum dies so ist, und wel-che Strken SMARC 2.0 auszeichnen, er-fahrenSie imBeitrag Low-Power-Embed-ded-Module fr smarte Industrieanwen-dungen, auf Seite 15. DochBetagtes steht

Zeit ist Geld ein Grund,warum die Nachfragenach sofort einsetzbarenComputer on Modules(COMs) stetig steigt.

Margit Kuther, [email protected]

nicht zwingend auf demAbstellgleis. EinBeispiel ist der Embedded-Modul-Stan-dardETX. Etwa inder Industrieautomati-on ist er ein echter Langlufer, da er nichthchste Leistung fokussiert wie viele ak-tuelle Systeme, sondern speziell die An-forderungen der Industrie untersttzt,wie der Beitrag Es gibt nochHoffung frETX-Nutzer auf Seite 18 verrt.Spezifische Anwendungen bestimmen

oft den Alltag eines Entwicklers. In die-sem Sonderheft Embedded SystemsDe-velopment & IoT behandeln wir bei-spielsweise die Themen: Touch-Techolo-gie mit der Embedded Video Engine,Seite 24, Flash-Speicher in industriellenAnwendungen, Seite 26und integriertesHealthMonitoring, Seite 32. Desweitereninformierenwir ber Intels Skylake-Nach-folger Kaby Lake (Seite 6) und natrlichrund um das Internet der Dinge.

Herzlichst, Ihre

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mailto:[email protected]

4 ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016

SCHWERPUNKTENews & Personalien

6 Intel prsentiert Skylake-Nachfolger Kaby LakeIntels Doppelkern-CPUs Kaby Lake sind wie der VorgngerSkylake im 14-nm-Verfahren gefertigt. Die neue 7. Core-i-Generation punktet mit hherer Grafik- und Videoleistung.

Embedded Computing8 Baukastenprinzip zur fertigen IPC-Komplettlsung

Die Einsatzszenarien von Industrie-PCs werden immerkomplexer. Lsungen im Baukastenprinzip helfen, dieseunkompliziert an neue Gegebenheiten anzupassen.

12 Serientaugliche x86-StarterkitsEmbedded-CPU-Module haben die Entwicklung vonEmbedded-Systemen sehr erleichtert. Doch der Weg zumkundenspezifischen Gesamtsystem ist oft langwierig.

Embedded ComputingTITELTHEMA

15 Low-Power-Embedded-Module im SMARC-2.0-FormatDer aktuelle Qseven-Standard ermglicht kaum Schnittstel-lenerweiterungen fr knftige echtzeitfhige Embedded-Anwendungen. Die Lsung ist SMARC 2.0.

18 Es gibt noch Hoffnung fr ETX-NutzerDer Embedded-Modul-Standard ETX ist ein echter Langlu-fer fr vielerlei Anwendungen in der Industrieautomatisie-rung. Denn er fokussiert nicht hchste Leistung, sonderneine Architektur fr die Industrie.

Sicherheit20 Sicherheitshardware schtzt nicht vor Angriffen

Warum die OEMs zustzlich zur Sicherheitshardware auchnoch Sicherheitsprozesse implementieren mssen, wennsie ihre Gerte wirkungsvoll vor Angriffen schtzen wollen.

Anwendung22 Was Sie ber Raspberry Pi wissen wollten

Artikel ber technische Daten der Raspberry-Pi-Modellegibt es viele. Dieser Beitrag beantwortet Anwenderfragenzur bertaktbarkeit, Realtime Clock, Akkubetrieb, etc..

24 Touch-Technologie mit der Embedded Video EngineDie Touch-Technologie schlummerte vor sich hin, bis dasiPhone auf den Markt kam und eine Revolution beim De-sign von Bedienoberflchen auslste.

26 Flash-Speicher in industriellen AnwendungenSchneller Zugriff und Erschtterungssicherheit machtFlash-Memory fr industrielle Anwendungen attraktiv.Doch in der Industrie mssen die Speicher andere Anforde-rungen erfllen als im Consumer-Bereich.

30 Ein Schaltkreis fr ein BlutdruckmessgertEin Blutdruckmessgert ist ein Hilfsmittel fr rzte, dessenelektronischer Schaltkreis sich mit einem Instrumentenver-strker und einer 16-Bit-MCU einfach realisieren lsst.

32 Integriertes Health-Monitoring fr den HeimbereichWearables sind ein Wachstumsmarkt. Umfassendes Moni-toring, sichere Datenbermittlung und geringer Energieauf-wand stellen hierbei hohe Ansprche ans Systemdesign.

EMBEDDED COMPUTING

Low-Power-Embedded-Module fr smarteIndustrieanwendungenDie Nachfrage nach energieoptimiertenEmbedded-Modulen steigt. MSC Technologiesinformiert ber die Vorteile des StandardsSMARC 2.0 im Vergleich zum Qseven-Standardund zu SMARC 1.1 undprsentiert geeignete Module.

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INHALT

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Internet der Dinge36 Ein Leitfaden fr Prozessoren fr das IoT

Fr den wachsenden IoT-Markt lassen sich inzwischeneinige grundstzliche Kategorien erkennen, fr die es sichlohnt, speziell darauf zugeschnittene SoCs zu entwickeln.

38 Designmethoden fr IoT-SensorenIndustrielle IoT-Lsungen und Sensornetzwerke setzenhohe Batterielebensdauer und gute Leistung auch beikurzen Laufzeiten voraus. Das erfordert auf System- undModulsnforderungen abgestimmte Designs.

42 IoT-Anwendungen rasch entwickelnAufbauend auf der Entwicklungsplattform Synergy von Re-nesas erleichtert das ARIS-Board von Arrow das IoT-Design,da die ready-to-use-Lsung speziell fr die Embedded-Entwicklung konzipiert ist.

44 Der Wert des IoT liegt in den DatenWenn in der Embedded-Branche ber die neue vernetzteWelt diskutiert wird, taucht unweigerlich die Frage auf:Was soll das eigentlich mit diesem Internet der Dinge?

RUBRIKEN3 Editorial

49 Impressum

20 Sicherheitshardwareallein reicht nicht aus

32 Integriertes Health-Monitoring fr zu Hause

22 Was Sie ber RaspberryPi wissen sollten

44 Der Wert des Internet derDinge liegt in den Daten

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ELEKTRONIKSPIEGEL // NEWS & PERSONALIEN


Intel prsentiert Skylake-Nachfolger Kaby Lake

Intels brandaktuelle Doppelkern-CPUs Kaby Lake sind wie der Vorgn-ger Skylake im 14-nm-Verfahren gefertigt. Die neue 7. Core-i-Generati-

on punktet insbesondere mit hherer Grafik- und Videoleistung.

Die i7-Generation von Intels Core-Pro-zessoren nutzt ein verbessertes Pro-duktionsverfahren, den 14nm+-Prozess. Fakt ist, dass sich Intel mit KabyLake vom Tick-Tock-Modell verabschiedet(siehe Kasten), denn sowohl Kaby Lake alsauch Skylake nutzen das Tock-Schema. Be-reits imMrzhat Intel einneues, dreistufigesProcess-Architecture-Optimization-Modellangekndigt. Nach diesem Modell befindetsich Kaby Lake imOptimization-Modus undCannonlake, geplant fr 2017 in 10-nm-Fer-tigungstechnik, wird den Process-Modusdes neuen, dreistufigen Modells einluten.Ein Grund fr Intels Einstieg in den dreistu-figen Zyklus ist, dass die Fortschritte in derFertigungstechnik langsamer ausfallen alsfrher, und sodie hohenKosten, die einneu-er Fertigungsprozessmit sichbringt, gesenktwerden.

Kaby Lake punktet mit 19%hherer Web-PerformanceInsbesondere inpunctoGrafik punktet die

neue 7. Core-i-Generation. Die neue Media-Engine des im Verfahren 14 nm+ gefertigtenChips dekodiert Ultra-HD-Video on-chip.Dies ermglicht, so Intel, dank bis zu 19Prozent hhererWeb-Performancedennaht-losen Stream von 4K Ultra High-DefinitionVideos. Dabei beziehen sichdie 19%auf den

Vergleich von Intels brandaktuellem Kaby-Lake-Prozessor, dem i7-7500Umit demzwlfMonate alten Skylake-Core-i7-Prozessor der6. Generation, dem i7-6500U, gemessen mitWebXPRT 2015.Desweiterenwill Intelmit der7. Generation Core-Prozessoren Kaby Lakeauch grafisch anspruchsvolle Gaming-Titelwie Overwatch flssig auf ultraschlankenNotebooks abspielen. Die Media-Engine ko-diert zudem VP9 und HEVC-10-Bit-Codecs.Dies deckt die beliebtestenUltra-HD-Forma-te, vor allem fr das Streaming, ab. Darberhinaus integrierendie 7. Generationder IntelCore-Prozessoren Funktionen wie Thunder-bolt 3 USB Typ C, Microsofts Windows Mo-dern Standby, das Gerte augenblicklichbeimDrcken einer Taste aus demRuhemo-dus holt, sowie Sicherheitsfunktionen wieWindows Hello, eine Methode, um sich perFingerabdruck-, Gesichts- oder Iriserken-nung am Windows-10-Gert anzumelden.Desweiteren werden EingabemglichkeitenwieBerhrung, StimmeundStift untersttzt.

Auf dem Markt sind i7-7Y75 undi7-7500UZwei Kerne und vier Threads mit Intels

Hyper-Treading-Technologie bieten sowohldie CPUsder extremstromsparendenY-Serie,die lfterlose Einstze in Notebooks erlau-ben, als auch der stromsparenden U-Serie,

Kaby Lake: Die i7-Generation von Intels Core-Prozessoren nutzt das verbesserte Produktionsverfahren14nm+. Davon profitieren insbesondere anspruchsvolle Grafikanwendungen.

Bild:Intel

Das Tick-Tock-Modellhat ausgedientIntel hat das Tick-Tock-Modell im Jahr2007 als zweistufiges Entwicklungs-modell fr Prozessoren eingefhrt. Esbasiert darauf, dass erst die aktuelleMikroarchitektur verkleinert (Tick)wird, ehe eine neue Mikroarchitekturim unvernderten Fertigungsprozess(Tock) entwickelt wird. So basiert Sky-lake (Tock) auf einer neuen Mikroar-chitektur, ist aber wie der VorgngerBroadwell (Tick) in 14-Nanometer-Technologie gefertigt. Broadwellwiederum nutzt die Haswell-Mikroar-chitektur seines Vorgngers Haswell(Tock). Haswell basiert jedoch auf der22-Nanometer-Technologie. Htte In-tel das Tick-Tock-Modell fortgesetzt,msste Kaby Lake in einer kleinerenals der 14-nm-Technologie gefertigtsein. Ein dreistufiges Modell lst jetztden Tick-Tock-Zyklus ab.

die in Ultrabooks und 2-in-1-Gerten Einsatzfinden. Erste CPUs sind bereits gelauncht,nmlich i7-7Y75 mit 4 MB Cache, 1,3 GHzGrundtakt bis max. 3,6 GHz sowie einer Ver-lustleistung (TDP) von4,5Watt. DesweiterenIntels CPU i7-7500Umit 4MBCache, 2,7 GHzGrundtakt bis max. 3,5 GHz sowie einer Ver-lustleistung (TDP) von 15 Watt. Erste Gertemit Kaby Lake sollen bereits erhltlich sein.brigens, Apollo Lake heien Intels neue

Mobile- (N) undDesktop-Prozessoren (J). DieCeleron- und Pentium-CPUs basieren nichtauf dem Core i, sondern auf zwei oder vierGoldmont-Kernen und takten standardm-ig zwischen 1,1 und 2,0 GHz und max. von2,2 bis 2,6 GHz. Sie untersttzen neben LP-DDR3- auch LPDDR4-RAM. // MK

Intel

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EMBEDDED COMPUTING // IPC-KOMPLETTLSUNG


Per Baukastenprinzip zur fertigenIPC-Komplettlsung

Die Einsatzszenarien von Industrie-PCs werden immer komplexer.Lsungen im Baukastenprinzip helfen, diese unkompliziert an neue

Gegebenheiten anpassen zu knnen.

PETER HOSER *

* Peter Hoser... ist Director OEM Mainboard Salesbei Fujitsu

Die Nachfrage nach Industriecompu-tern fr die unterschiedlichsten Ein-satzszenarien steigt stetig: ob im Be-reich Digital Signage oder in der Fertigung Industrie-PCs (IPCs) mssenimmer auf die konkretenAnforderungen derAnwendung ange-passt und auchin rauerenUmgebungendurchgehendbetriebsbereitsein. Fujitsu bietetseinenKundenab sofortdie Mglichkeit, eine L-sungunkompliziert imBaukas-tenprinzip zu konfigurieren. AlleKomponenten sindklimaerprobt undzertifiziert. Entsprechend entfallen zu-stzlicheKosten fr entsprechendeTests derfertigen Lsungen.

Der Kunde kann sein optimalesSystem zusammenstellenHauptaugenmerkbei der Entwicklungder

FUJITSUKit Solutionwurde auf die freieKon-figurierbarkeit der Lsung gelegt. Dadurchknnen Kunden vom Prozessor ber denSpeicher bis hin zu den Festplatten das op-timale System fr ihr Einsatzgebiet auswh-len. In derGrundausstattungumfasst das Setein neu entwickeltes Gehuse mit den Ab-messungen L x B xH: 250 x 52 x 191Millime-ter inklusive Standfen fr den horizonta-len oder vertikalen Betrieb sowie ein Wall-mount-Kit fr die Befestigung innerhalb ei-ner Anwendung oder an der Wand.Hinsichtlich der Mainboards sind die Mini-ITX-Modelle D3433-S oder D3434-S der 6.

Generation mit Intels Core-Technologie ver-fgbar. Auerdem ist eine PCIe-Riserkartefr das Set verfgbar.

Boards fr Dauerbetrieb underweiterten TemperaturbereichDie Mainboards gehren zur Industrial-

Serie und sind fr den Dauerbetrieb 24/7 ineinem erweiterten Temperaturbereich von0 C bis 60 C geeignet. Das D3433-S mitIntels Q170-Chipsatz untersttzt bis zu dreiunabhngige Displays sowie out-of-band-Management via Intels vPRO2015und IntelsAMT 11.0. FrAnforderungenohne spezielleManagement-Funktionen empfiehlt sichdas

gnstigere D3434-S mit dem Intel-ChipsatzH110. Dieses Modell untersttzt zwei unab-hngige digitaleDisplays. BeideBoards bie-

ten neben einem PCI Express x16 Gen3und einem mini-PCIe-Steckplatz

auch umfangreiche externe undinterne USB-3.0- undUSB-2.0-Anschlsse. Zwei

Intel-Gigabit-Ethernet-Anschlsse, LVDS/

eDP und einTPM-V2.0-Mo-dul von Infi-neon (D3433-S)

runden die Funkti-onalitt ab.

LGA-1151-Sockel, fralle Intel-Gen-6-CPUs und

DDR4-RAMber denLGA1151-CPU-Sockel knnenbei

beiden Boards frei skalierbar alle Prozesso-ren der 6. Generation Intel Core angeschlos-senwerden.Dies umfasst CeleronG, PentiumG, Core i3, Core i5 und auch Core i7 CPUs derT-Seriemit 35Watt TDP.ber zwei SO-DIMMSockel kann ein leistungsstarker DDR4-Ar-beitsspeicher angeschlossenwerden, der biszu 32 GB aufgerstet werden kann. Das Ge-huse verfgt ber ein Laufwerkfach fr eine2,5-HDD- oder SSD-Festplatte,welches durcheinendrehzahlgeregeltenundberwachten4-Pin-PWM-Lfter zustzlich gekhlt wird.ber den M.2-Sockel kann eine weitere SSD(PCIe Technologie oder SATA) indenBauln-gen 42 und 60mmdirekt auf dasMainboardplatziert werden. ber mSATA bietet sicheine weitere Mglichkeit und Technologiefr den Einbau einer SSD-Festplatte an. Dermini-PCIe-Slot ermglicht Zusatzfunktionen,beispielsweise die Integration von WLAN.Eine entsprechende ffnung fr die Durch-fhrung einerWLAN-Antenne ist imGehu-se bereits bercksichtigt.Das Gehuse der FUJITSU Kit Solution ist

nicht gebrandet undbietet ausreichendPlatz

Fujitsu D3433-S: Das Board fr den Dauerbetriebund erweiterten Temperaturbereich mit IntelsQ170-Chipsatz untersttzt bis zu drei unabhngigeDisplays sowie out-of-band-Management via IntelsvPRO 2015 und Intels AMT 11.0.

Bild: St

udio M

essling

er/Fujitsu

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ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016 9


fr Kundenlables als auch einen poweredby FUJITSU Mainboard-Sticker. Es verfgtzudem ber Einbaumglichkeiten fr eineoptionaleRiserkarte fr PCIe-Karten imSFF-Design. So kann beispielsweise fr den Be-reich Digital Signage eine Grafikkarte ange-schlossenwerden, die es erlaubt,mit denbiszu drei Onboard-Grafikschnittstellen insge-samt bis zu fnf unabhngige Displays an-zusteuern.Alternativ knnen Nutzer COM-Erweite-

rungskarten oder BUS-Karten fr den Indus-triebereich, Framegrabber- oder auch Dual-Gigabit-Ethernetkarten einsetzen.Die Lsungbeinhaltet eine verschraubba-

re 12-V-DC-In-Power-Buchse, welche mit ei-nem EMV-Filter und einem Kabelsatz denBetrieb der Mini-ITX-Mainboards D3433-Sbeziehungsweise D3434-S ermglicht. DasPower-Design ist auf Prozessoren mit einermaximalenTDPvon35WundeinemGesamt-systemverbrauch von 60 W ausgelegt. AlsKhllsung fr die CPUbieten sich smtliche1HE LGA115x Khler mit 4-Pin PWM Lfter-regelung an. Auerdem gibt es eine Intrusi-onfunktion,welchedasffnendesGehusesauch imausgeschaltenenZustandmitproto-kolliert. EinAnschluss fr einenKensington-Lock garantiert zudem Diebstahlsicherheit.Als Betriebssystem fr die FUJITSUKit Solu-tion eignen sichdieWindows-Versionen 7bis10 sowie diverse Linux-Systeme.

Vollstndige Zertifizierung allerKomponentenEin besonderer Vorteil der Lsung ist die

vollstndige Zertifizierung aller Komponen-ten imherstellereigenenProduct ComplianceCenter. Am Entwicklungs- und Fertigungs-standort AugsburgwerdendieKomponentenunter anderemklimatischenTests fr Boardsund Gehuse-Kits sowie Schock- und Vibra-tionstests unterzogen. Hinzu kommen Fall-tests und Prelltests nach DIN EN 60721-3-2Klasse 2M2, DIN EN 22248 und DIN EN ISO2247 (2SO10-0052+M03). Auch im Hinblickauf elektromagnetische Vertrglichkeit ent-spricht das komplette Kit auf Systemebeneden CE- und FCC-B-Vorgaben. Fujitsu stelltEntwicklern zudemdie komplettenBerichteder Tests zurVerfgung. Somit verfgenKun-

den ber eine betriebsbereite Komplettl-sung. Es entfallen zustzliche zeitaufwendi-ge und kostenintensive Tests und Zertifizie-rungen.

Fujitsu-Tools erleichtern Ent-wicklern die ArbeitEntwickler knnendieHardwaremitHilfe

der von Fujitsu mitgelieferten Tools weiteroptimieren. ImBereichDigital Signage ist eszum Beispiel empfehlenswert, das D3433-Smit vPro zu whlen. Das Board ermglichtdieAnsteuerung vondrei unabhngigenDis-plays (mit zustzlicher Grafikkarte fnf).ber vPro kann zudem remote auf das Gertzugegriffen und dieses komplett gesteuertwerden. ber die Mega Rac XMS-Softwarevon AMI hat der Administrator Zugriff aufdas BIOS, kann von einem Remote Imagebooten, smtliche Energiefunktionen wieAnschalten, Ausschalten, Reboot oderStandby anwhlen und auf eine schnellegrafischeNutzeroberflche dankKeyboard/Video/Mouse (KVM)Redirection zurckgrei-fen.DieAnforderungen fr EmbeddedPCs sind

je nachEinsatzgebiet undUmgebungsbedin-gungen sehr vielfltig. Eine optimale Funk-tion erfordert eine individuelle Anpassungdes Gesamtsystems, bestehend aus Main-board, Netzteil, Gehuse, Display und wei-teren Komponenten, an genau diese Anfor-derungen. Fujitsu bietet hierzu eineVielzahlan allgemeinen sowie speziellen industriel-len Tools sowie auchdiversenTest-Program-men. Zu den allgemeinen Tools gehrenWerkzeuge zum Einbinden eines Kundenlogos in denBootscreen, Verarbeiten vonMicrosoft-Lizenzdatensowie dem Flashen vonDMI-Daten wie einer Se-riennummer, Erstellen von kunden-spezifischen BIOS-Ein-stellungen, welche auchnach einem Update oderRecovery erhalten blei-ben, Flashen eines BIOS-

Embedded-Lsungen: Rckansicht der integrierten FUJITSU Kit Solution mit den Anschlssen des D3433-S

Bild:Fujitsu

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D3434-S: DiesesFUJITSU-Board mit dem

Intel-Chipsatz H110 empfiehltsich fr Anforderungen ohne spezielle

Management-Funktionen.

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Updates un-ter DOS undWindows, Visualisieren undEinstellen des Board-Management-Controllershinsichtlich der Lfterdrehzah-len in Abhngigkeit von mehrerenSystemtemperaturen, zum Beispiel derCPU. Das Tool SystemGuard erlaubt zudemdie Aktivierung des Watchdogs als auchdas Protokollieren von Events in sogenann-ten Log Files.Diverse industrielle Tools fr Industrie-

Mainboards von Fujitsu erlauben weitgrei-fende Anpassungen des Mainboards ohneUntersttzungdurchdenHersteller.MitHil-fe des SilentFanConfigManagers lassen sichLfterkennlinien individuell den thermi-schen Anforderungen anpassen. Die Kenn-liniewirddabei fest imFlash gespeichert undbleibt auch nach einem BIOS-Update erhal-ten.Ein LVDS-Tool erlaubt die Anpassung der

Onboard-Grafik an unterschiedlichste Dis-play-Formate, Auflsungen und Timings.Zustzlich stehen fr die Entwicklung kun-denspezifischer Software-Tools auch einWindows System Monitoring API sowie Li-nuxSystemMonitoringDriver zurVerfgung.Diese erlaubenbeispielsweise denZugriff aufDatenwie Lfterdrehzahlen, Sensor Tempe-raturwerte, dem Watchdog sowie diversenAlerts unddemGPIO (General Purpose InputOutput).

Test- und Diagnose-Toolsrunden das Softwarepaket abAbgerundet wird das umfangreiche Soft-

warepaket durch spezielle Test- undDiagno-se-Tools. Es handelt sich dabei um die glei-chen Tools, die auch Fujitsu fr die Qualifi-zierung und in der Systemproduktion frDesktop PCs, Workstations und Server imWerk Augsburg verwendet. Hierzu nur einpaarBeispiele:MittelsMemtest, einemWerk-

zeug welches auch bei Speicherherstellernverwendet wird, knnen Speicher umfang-reich auf Kompatibilittmit demMainboardgetestet und bewertet werden. Ein SoftwareRebooter stresst das System mit zigfachenReboots, welche einen wichtigen Indikatorfr ein zuverlssiges Systemdarstellen.berauthorisierte Mainboard-Distributoren vonFujitsu erhalten Kunden zudem Support inderAuswahl undNutzungder fr sie ambes-ten geeigneten Tools.

Gaming und Broadcasting sindweitere EinsatzgebieteDie FUJITSUKit Solutionmit denEntwick-

ler-Tools bietet eine Komplettlsung, die frdie unterschiedlichsten Einsatzszenarienangepasstwerdenkann. In der industriellenAutomation ist sie beispielsweise als Indus-trial Thin Client oder boxed IPC einsetzbar.Mit einer zustzlichenGrafikkarte eignet sichdas Gert fr grafische Anwendungen imBereich Videoberwachung, KIOSK oderauch Digital Signage.Des Weiteren bringt die Lsung alle Zerti-

fizierungen fr dieAnforderungenderMedi-zintechnik mit sich. Weitere Einsatzgebietesind zudem Gaming (z.B. Spielautomaten)oder Kommunikation und Broadcasting.Dank der variablen Konfigurierbarkeit ent-stehendarber hinaus zahlreicheApplikati-onsszenarien, die infolge der langfristigenVerfgbarkeit von fnf Jahren Kunden unddamit letztendlich auch Endnutzern einezuverlssige und stabile Plattform fr langeZeit bieten. // MK

Fujitsu

Bild: Studio Messlinger/Fujitsu

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EMBEDDED COMPUTING // KUNDENSPEZIFISCHES GESAMTSYSTEM


Serientaugliche x86-Starterkits frdie schnelle UmsetzungEmbedded-CPU-Module haben die Entwicklung von Embedded-Syste-men sehr erleichtert. Doch der Weg zum kundenspezifischen Gesamt-system ist dennoch oft langwieriger als gedacht. Aber es gibt Abhilfe.

HARALD MAIER *

* Harald Maier... ist Business Development Managerfr den Bereich x86 / Embedded PCsbei TQ-Systems

Die Dokumentation von Embedded-Modulen enthlt viele Informationen.etwa zumFeatureset, der Schnittstel-lenbelegung, den Einsatzbedingungen unddem Stromverbrauch. Bei x86-Standardmo-dulen, die konform zu Standards wie COMExpress entwickelt wurden, gibt es darberhinaus noch eine weitere, firmenunabhn-gige Dokumentation. So stellt etwa das Nor-mungsgremium PICMG fr COM Express(dort unter COM.0-Standard gefhrt), einCarrierboard Design Guide zur Verfgung,das bei der Entwicklung eines kundenspezi-fischen Carrierboards untersttzt. Um imVorfeld das CPU-Modul mit der eigenen An-

wendungssoftware zu testen und applikati-onsspezifischeErweiterungen zu evaluieren,ist es aber wichtig, die reale Hardware aufdemTisch zuhaben.DazudienenStarterkits,die jederHersteller passend fr seineModul-familien anbietet. Je nachdem,wie gut diesekonzipiert sind und welchen Funktionsum-fang sie abdecken, lsst sich die erste Evalu-ierung schnell und effizient durchfhren.

Ready-to-Use-Kits undStatus serienreifEntwicklungszeiten sindknappkalkuliert.

Deshalb sollten sich Starterkits mglichsteinfach in Betrieb nehmen lassen. Carrier-board, CPU-Modul und Khlung sollten zu-mindest als fertigmontierte Einheit geliefertwerden, um erste Handhabungsfehler zuvermeiden. So knnendie eigentlichenTestssofort starten. Modul-Anbieter wie die TQ-Group stellen dies dadurch sicher, dass alle

Starterkits vor der Auslieferung durch Tech-niker aufgebaut, konfiguriert und getestetwerden. Wo es mglich ist, werden die Star-terkits von FAEs (Field Application Engi-neers) sogar vorOrtmit demEntwickler beimKunden inBetrieb genommen. So lassen sichauch erste Fragen schnell persnlich klren.Starterkits dienen nicht nur zur funktio-

nalen Evaluierung. Sie eignen sich etwaauch, umdie Performance und den tatsch-lichenStromverbrauch zu testen.Aber nichtnur das: Ideal fr denEntwickler ist es,wenner bei der Entwicklung des eigenen Carrier-boards auf fertige Schaltungsteile des Star-terkits fr sein spteres Serienprodukt zu-rckgreifen kann. Und gerade hier trenntsich bei den Herstellern die Spreu vomWei-zen. Bei der Auswahl des Starterkits ist zubeachten, dass es Funktionen bietet, die dieweiteren Entwicklungsschritte schnell undeffizient durchfhren lassen. Zu oft kommengerade bei Starterkits teuere, alte oder exo-tische Bauteile zum Einsatz, da dies bei dengeringen Stckzahlen keinen merklichenEinfluss hat. Auch ist es bei Starterkitsmeistnicht relevant, welche Produktionsschrittefr die Herstellung notwendig sind. Starter-

kits unterliegenbei denmeistenHerstel-lern also nicht den GrundstzenDesign-for-Manufacturingund Design-to-Cost, die beieiner bernahme von Schal-

tungsteilen in ein Serienprodukt aberunbedingt bercksichtigt werden ms-

sen. Zudemgibt es Starterkit-Ausfhrungen,die sehr vieleOptionenbietenundeinbreitesFeld an unterschiedlichen Modulen abde-cken. Um dies realisieren zu knnen, sindetlicheMultiplexer, Jumper undZusatzschal-tungen ntig, die bei einem Serienproduktnicht notwendig sind. Die Schaltungsteilesind in diesem Fall oft nicht auf ein schlan-kes, kostenoptimiertes Design ausgelegt.Darber hinaus muss sich der Entwicklerimmer die Frage stellen, was fr die Umset-

Untypisch: Die x86-Starterkits vonTQ sind fr die Serienproduktionqualifiziert und geben damit mehrDesignsicherheit.

Bild: TQ

-Systems

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zung eines Serienprodukts tatschlichben-tigtwirdundwasweggelassenwerdenkann.Die TQ-Group schliet diese Schwach-

punkte bei ihren COM-Express-Starterkitsdurch einen einfachen Grundsatz aus: Star-terkits sind nicht nur Evaluierungsplattfor-men, sondernwerdenauch in Serienproduk-ten inklusive aller notwendigen Qualifizie-rungen eingesetzt. Alle Schaltungsteile wieSchnittstellenbeschaltung, Speicheranbin-dung und Funktionserweiterungen knnensobedenkenlos 1:1 in ein kundenspezifischesDesign bernommenwerden. Zusatzfunkti-onen, die rein zur Evaluierung genutzt wer-den, sind indenUnterlagen speziell gekenn-zeichnet undhabenkeine verstecktenWech-selwirkungen zu den Standardschaltungen.

Vom Starterkit zur einheitlichenPlattformStarterkits sind oft als reine Testplattform

gedacht. Sind die Tests durchgefhrt, be-ginnt die eigentliche Entwicklungsttigkeit.SchaltplneundLayout sind zu erstellen. Esfolgender Prototypenbau, die Inbetriebnah-me und Umsetzung in ein Serienproduktinklusivenotwendiger Zulassungen.DerAn-satz der TQ-Group, dass die Starterkit-Car-rierboards auch in Serienprodukten einge-setztwerden, lsst Entwickler schneller zumeigenen System kommen. TQ nennt diesesPlattformkonzept COMSys (COMExpress ba-sierendeSysteme). Die Carrierboards sind soausgelegt, dass sie bereits viele Standard-funktionen abdecken. Applikationsspezifi-sche Erweiterungen knnen mit StandardIO-Karten aber auch durch kundenspezifi-sche Erweiterungskarten ergnzt werden.Auch mechanisch sind die Plattformen frden Serieneinsatz und eine einfache Inte-gration in Gehuse ausgelegt. Selbst dasthermische Konzept ist gut durchdacht. Aufdem jeweiligenCPU-Modul ist typischerwei-se ein Heatspreader aufgesetzt, der dieWr-me des Moduls extrem effizient auf einemglichst groeFlche verteilt. BeimEinsatzals Starterkit wird dort, wo ntig, zustzlichein aktiver Khler aufgeschraubt. Wird diePlattform in ein Gehuse verbaut und etwathermisch mit dem Deckel verbunden, soerfolgt diemechanischeund thermischeAn-bindung direkt am Heatspreader. Da dieserden hchsten Punkt im Systemaufbau dar-stellt, ist die Gehusekonstruktion undKhlanbindung extremsimpel und zuverls-sig umsetzbar. Das spart Zeit und Aufwand.Die TQ-Group setzt denWegvomStarterkit

zum Plattformgedanken dadurch fort, dassdie Carrierboards fr unterschiedliche Mo-dul-Leistungsklassen innerhalb einer Platt-formbezglichMechanik sowieKomponen-

PRAXISWERT

MSys-Plattform frIoT-GatewaysFr extrem kompakte Anwendungenbietet TQweitere Referenzplattformenan. Typischerweise werden sie nichtals klassische Starterkits verwendet,dennoch sind sie Basis fr Software-und Performancetests oder Proof-of-Concepts. Fr diemeistenPlattformengibt es branchen- oder applikations-spezifische Zusatzkomponenten, diesich mittels Demos testen lassen.Zur Realisierung anspruchsvoller IoT-Gateway-Anwendungen eignet sichetwa die MSys-Plattform mit COM-Express-Mini-Modulen in der Atom-Leistungsklasse. Die Carrierboardssind mit lediglich 100 mm x 100 mmspezifiziert, WLAN, Bluetooth und2G/3G/LTE sind via Standardmoduleeinfach zu ergnzen, ebenso Feldbus-Schnittstellen. Software-Komponen-ten fr eine Cloud-Anbindung rundendiese Plattform fr die Evaluierungals Gateway ab.

ten- und Schnittstellenanordnung einheit-lich konzipiert sind.Das erlaubt eine passen-deGehuselsung als Zusatzoptionber denkompletten Plattformgedanken hinweg.Kunden steht es also bei demTQ-Lsungsan-satz vllig frei, auf welchem Level der Inte-gration ein kundenspezifisches Design ge-startet werden soll. Fr extrem kundenspe-zifischeAnforderungen kanndas Starterkit,dessenSchaltungsteile sowie dasKnow-howaus dem Plattformkonzept genutzt und ex-trem schnell in eigene Elektronik- und Ge-huselsungenumgesetztwerden.Deckt dasStarterkit schon whrend der EvaluierungalleAnforderungenab, kann sichderKundesogar die Elektronikentwicklung sparen.Dashat sich in der Praxis schonoft bewhrt, ins-besondere, wenn sich das Projekt noch imRamp-Up befindet oder die Stckzahlennoch schwer vorherzusagen sind. Egal, obselbst entwickelt oder mit Partnern wie derTQ-Group: Die durchdachte Auswahl einesStarterkits oder einer Referenzplattformschafft magebliche Grundlagen fr dieschnelle Umsetzung eines Projektes. // MK

TQ-Systems

EMBEDDED COMPUTING // KUNDENSPEZIFISCHES GESAMTSYSTEM

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EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDS

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TITELSTORYDer neue Standard SMARC 2.0 ermglicht aktuelle Schnitt-stellen fr zuknftige Embedded-Anwendungen, unter an-derem fr den rauen Industrieeinsatz und fr IoT-Projekte.Der neue SMARC-2.0-Standard (Smart Mobility ARChitecture)ist die Weiterentwicklung des SMARC-1.1-Standards fr LowPower-Prozessormodule.Alle wichtigen Signale fr Prozessoranwendungen im Be-reich Embedded sind erhalten geblieben. ltere Anschls-se entfallen, um Platz zu schaffen fr neue Schnittstellen,die mit hoher Geschwindigkeit und geringer Pin-Zahl einenkonomischen Zugewinn an Funktionalitt und Performanceversprechen.


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Low-Power-Embedded-Module frsmarte Industrieanwendungen

Die Nachfrage nach energieoptimierten Embedded-Modulen steigt.MSC Technologies informiert ber die Vorteile des Standards SMARC

2.0 und prsentiert geeignete Module.

Speziell fr Industrie-4.0-Anforderun-gen ausgelegt ist das vonMSC Techno-logies entwickelte und gefertigte Em-bedded-Modul MSC SM2S-IMX6, das demneuen Standard SMARC 2.0 (Smart MobilityARChitecture) fr Low-Power-Systeme ent-spricht. Zur schnellen Evaluation, zum Testund zum Prototyping ist das passende Tr-ger-Board MSC SM2-MB-EP1 verfgbar.Die berwiegende Anzahl der heute ein-

gesetzten Embedded-Module entspricht in

GreundLeistungsdatendefinierten,welt-weit anerkanntenStandards. In der Industriehaben sich im Laufe der letzten Jahre diebeiden Formfaktoren COM Express derPICMG-Organisation und Qseven des SGeT-Vereins durchgesetzt. Die SGeT e.V. (Standar-dizationGroup for EmbeddedTechnologies)ist ein eingetragener Vereinmit derzeit ber50Mitgliedern, die sichdie EntwicklungundVerbreitung offener Spezifikationen auf dieFahne geschrieben haben.

Der Qseven-Standard nutztMSM-2-SteckverbinderDer aktuelle Qseven-Standard bietet nur

wenige Mglichkeiten, die notwendigen Er-weiterungender Schnittstellen fr zuknfti-ge Embedded-Anwendungenmit Echtzeitf-higkeit zu erlauben. Hauptgrund ist derMXM-2 Steckverbinder zumTrgerboard, derlediglich 230Anschlsse aufweist undkeinezustzlichenSignalemehr aufnehmenkann.Eine Alternative wre der bergang zum

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Bild 2: Das SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX6von von MSC Technologies basiert auf dem i.MX6System-on-Chip von NXP

Bild:M

SCTechnologiesnchst breiteren SteckverbinderMXM-3, der

314 Anschlsse bietet.

SMARC 2.0 ermglicht moderneSchnittstellenAls bessere Lsunghat sichdieWeiterent-

wicklung des SMARC-1.1-Standards fr Low-Power-Prozessormodule zu SMARC 2.0(SmartMobilityARChitecture) herauskristal-lisiert. AllewichtigenSignale fr Embedded-Prozessoranwendungen sind erhalten geblie-ben. ltere Anschlsse entfallen, um Platzzu schaffen fr neue Schnittstellen, die mithoher Geschwindigkeit und geringer Pin-Zahl einen konomischen Zugewinn anFunktionalitt und Performance verspre-chen.DieAbwrtskompatibilitt vonSMARC2.0 zuSMARC 1.1 ist dabei nurmit Abstrichengegeben.Was erreichtwurde, ist hingegendie abso-

lute Tauglichkeit des Standards fr ARM/RISC- sowie fr x86-Prozessoren.Auerdemkonnte erreicht werden, dass Beschdigungdurch Kombination von alter und neuerSMARC Hardware weitestgehend ausge-schlossen ist. Als einer der fhrenden Em-bedded-Hersteller beteiligt sich MSC Tech-nologies aktiv an der Standardisierung vonComputer-On-Modulen (COMs) undhat auchan der Definition des neuen SMARC-2.0-Standards mitgearbeitet. Die Zielsetzungwar, einendenheutigenAnforderungen ent-sprechenden und zukunftssicheren Stan-dard fr Embedded-Module in kleinenForm-faktoren zu definieren. Mit insgesamt 314Anschlssen ist das SMARC-2.0-Modul spe-ziell fr die vielfltigenAnwendungen inderIndustrie ausgelegt (Bild 1).Der neue SMARC-Stecker ist fr die Auf-

nahmeder neuestenHochgeschwindigkeits-schnittstellen optimiert undumfasst imVer-gleich zum Standard SMARC 1.1 unter ande-rem ein zweites LVDS Interface. Die Schnitt-stelle kann verwendet werden, umzusammen mit dem ersten LVDS Port hoch-auflsendeLCDsmit Zweikanal-Ansteuerungzu betreiben oder den Betrieb von zwei ver-schiedenenDisplays an einkanaligen LVDS-Schnittstellen zu erlauben. Eine alternativeBelegung der LVDS Ports mit DSI oder Em-bedded DisplayPort (eDP) ist im Standardvorgesehen. Die parallelen RGB-Signale frkleinere LCDs entfallen, dadiese zunehmend

Wir sehen SMARC 2.0 als einen zukunftssicheren Standardfr Embedded-Module und entwickeln Module basierend aufder nchsten Intel Atom-Generation (Codename Apollo Lake).

MSC Technologies

weniger Bedeutung indenheutigenAnwen-dungen haben.Der bei SMARC 1.1 vorhandene HDMI-

Grafik-Portwird ergnzt durch einenkombi-nierten HDMI/DP-Anschluss, der als DP++die Signale fr DisplayPort, HDMI und DVIumfasst. Anstelle der entfallenen RGB-Si-gnale wurde ein weiterer DP++ Port imple-mentiert wodurch insgesamt drei unabhn-gige Anzeigesysteme mit unterschiedlichenDisplay-Daten versorgt werden knnen.NebendemGigabit Ethernet Port ist bei der

Revision 2.0 ein zweiter Port vorhanden, umzwei getrennte Ethernet-Zweige zu ermgli-chenundKommunikationsbereiche vonein-ander zu entkoppeln.Das spielt zumBeispielin IoT Gateways fr die Sensor- und die Ma-nagement-Ebene eine bedeutende Rolle.Zustzliche Trigger-Signale fr beide Ether-net-Ports machen die LAN-Schnittstellenechtzeitfhig nach IEEE1588.SMARC 2.0 weist bis zu vier PCI-Express-

Schnittstellen auf,was einedeutlichePerfor-mance-Steigerung in Aussicht stellt. Mit biszu sechsUSB 2.0und zweiUSB3.0Ports stehteine ausreichende Anzahl an Anschlssenzur Verfgung. Zwei Audio-Schnittstellenexistieren nebeneinander, die eine fr I2S-Audio, das besonders bei ARM-Prozessorenverwendet wird, und die andere fr HD-Au-dio, der Standard-Codec fr x86-CPUs. 4 BitSDIO ermglicht auch weiterhin den An-schluss derweit verbreiteten SD-Karten. FrdieAnbindungmodernerKameras sind zweiMIPI CSI-2 Schnittstellen verfgbar, einemitzwei Lanes und die zweitemit sogar vier La-nes. SMARC 2.0 bietet darber hinaus aucheinen SATA-Port, 12 GPIOs, zwei CAN-Busse

und vier UART-Schnittstellen speziell frEmbedded-Anwendungen.DerMXM-3-Steckverbinder bietet darber

hinaus reservierte Pins, die zuknftig beiBedarf fr die Ergnzung durch weitereSchnittstellen verwendet werden knnen.Mit dieser Erweiterung ist sichergestellt, dassder Standard aufwrtskompatibel verbessertwerdenkann.Die gettigten Investitionen inden aktuellen SMARC-Modulstandard wer-den also nicht durch neue Revisionen zu-nichte gemacht.

SMARC 2.0 ist gerstet fr x86-und ARM-Low-Power-CPUsDer Standard SMARC 2.0 sieht die zwei

unterschiedlichenModulgren82mmx50mm und 82 mm x 80 mm vor und ist damitgut vorbereitet fr alle x86- und ARM-Low-Power-Prozessoren.Der kleine Formfaktor offeriert genugPlatz

fr ein Single Chip SoC (System-on-Chip)wieIntel Atom oder NXP i.MX6, einige DRAMChips und eventuell einen Flash-Baustein.Sollen jedoch neben Ethernet noch weitereperiphere Funktionen durch diskrete Con-trollerchips realisiertwerden, bietet sichdasgrere Format an. Beispielsweise lassensich dann RF-Funktionen wie WLAN, Blue-tooth oder 3G/4G-Datenfunk auf demModulhinzufgen,wofr SMARC2.0 sogar die Plat-zierung der Antennenanschlsse spezifi-ziert.

MSCs SM2S-IMX6 fr Quad-,Dual- und Single-Core-CPUsDas von MSC Technologies lieferbare

SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX6 basiertauf dem i.MX6System-on-Chip vonNXPunduntersttzt Quad-, Dual- und Single-Core-CPUs (Bild 2). Als Prozessoren stehen deri.MX6 Quad, Dual, DualLite oder Solo zurAuswahl. Das Modul wurde jedoch bereitsauf die inzwischenverfgbarenProzessoren6QuadPlus und 6DualPlus ausgelegt, dieeine hhere Rechen- und Grafikleistung er-bringen.Das 82mmx 50mmkompakteMSCSM2S-

IMX6verfgt ber bis zu 4GBDRAMundbiszu 64GB eMMCFlash. EinMicro-SD-Karten-schacht erlaubt das Einsetzen von Flash-Karten beliebiger Kapazitt. An den HDMI-und LVDS-Grafikschnittstellen knnen dreiAnzeigen bis zu einer Full-HD-Auflsungangeschlossenwerden. PCI Express und SA-TA II bis zu 3.0 Gbps stehen ebenso zur Ver-fgung wie bis zu 5 x USB 2.0 Host und einUSB 2.0 OTG (Host/Client) sowie GigabitEthernet, 4 x UART, 2 x SPI, 2 x IC und 2 xCAN. Eine MIPI CSI-2 Schnittstelle kann alsKameraeingang verwendet werden. Vom

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ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016 17

EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDSBilder:M

SCTechnologies

Bild 3: Das zum Modul SM2-MB-EP1 von MSC Technologies passende Trger-Board MSC SM2-MB-EP1 imMini-ITX-Format

TQ-Group l Tel. 08153 9308-0Mhlstrae 2 l 82229 [email protected]

ARM9 / i.MX28QorIQ P1

QorIQ P2

QorIQ T1

QorIQ / LS102xARM11 / i.MX35

ARM

Cortex-A8/i.M

X53

ARM

Cortex-A9/i.M

X6

ARM

Cortex-A7/i.M

X6UL

ARM Cortex-A7 / i.MX7

Mit TQ und NXPsicher zum Erfolg

Alle Prozessor Funktionen verfgbar Langzeitverfgbarkeit >10 Jahre Robustes Design Eigene Fertigung Umfangreicher Support

TQMLS102xAnur 55 x 44 mm280 Pin, 0,8 mm

neuenModulwird esVarianten fr die Stan-dardtemperatur unddenvollen industriellenTemperaturbereich von -40 bis 85 C geben.Der komplette Software Support vomBoot

Loader ber Betriebssystem bis zu Treibernund Tools, steht von MSC Technologies be-reits jetzt zur Verfgung. Dazu gehren Yoc-to Linux und Android, whrend WindowsEmbedded Compact (WEC2013 und WEC7)und weitere Linux-Varianten spter folgen.

MSCs Trgerboard fr dieSMARC-2.0-EvaluationDas zum Modul passende Trger-Board

vonMSCTechnologies, dasMSCSM2-MB-EP1im Mini-ITX-Format, erlaubt den Zugriff aufdie meisten Features des neuen SMARC2.0-Standards (Bild 3). DasBoard eignet sichmit seiner Schnittstellenvielfalt bestens frdie Evaluation vonSMARC-2.0-Modulenundkann sogar als Serienboard fr weniger an-spruchsvolle Anwendungen eingesetzt wer-den.

Standardisierte Computer-On-Module un-terschiedlicher FormfaktorenundLeistungs-klassen erlaubendie schnelle undkostenop-timierte Entwicklung kundenspezifischerSysteme. Selbst bei niedrigen Stckzahlensind flexibleKonfigurationenundeinehoheIndividualitt der Embedded-Produkte rea-lisierbar. Entscheidend ist die richtigeWahldes auf dieAnwendungoptimalenStandard-moduls. Skalierbare Low-Power-Prozessor-module sind einGrundstein fr die Realisie-rung intelligenter Embedded-Systeme, die inzuknftigen Mrkten wie der Gebudeauto-matisierung, der Energietechnik oder demInternet of Things (IoT) zum Einsatz kom-men. Die Embedded Hardware muss zuver-lssig im 24/7-Betrieb laufen und ber aus-gefeilte Sicherheitsfunktionen verfgen, umdieDatensicherheit der KommunikationunddenSchutz derHardware gegenAngriffe vonauen zu gewhrleisten. // MK

MSC Technologies

PRAXISWERT

Entwicklung und Produktion in DeutschlandMSC Technologies entwickelt und fertigt ihre leistungsfhigen Embedded-Modulfa-milien in Deutschland. Jens Plachetka, Manager Embedded Boards bei MSC Tech-nologies, sagt: Da wir die Entwicklung und Fertigungsdienstleistung im Haus zurVerfgung haben, knnen Projekte mit der von unseren mittelstndischen Kundengewnschten Stckzahl in der gewnschten Qualitt und Flexibilitt durchgefhrtwerden. Wir sehen SMARC 2.0 als einen zukunftssicheren Standard fr Embedded-Module und entwickeln momentan Module basierend auf Intels nchster Atom-Ge-neration (Codename Apollo Lake) sowohl im kleinen Short-Size- als auch im gro-en Full-Size-Format.

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mailto:[email protected]://www.tq-group.com

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Es gibt noch Hoffnung frETX-Nutzer

Der Embedded-Modul-Standard ETX ist ein echter Langlufer fr vieler-lei Anwendungen in der Industrieautomatisierung. Denn er fokussiertnicht hchste Leistung, sondern eine Architektur fr die Industrie.

WOLFGANG EISENBARTH, JAN FELDER *

* Wolfgang Eisenbarth und Jan Felder... sind Mitarbeiter von Portwell Deutschland

Der Embedded-Modul-Standard ETXverdankt seinen Erfolg aus den An-fangstagen der offenen Modulkon-zepte auchderUntersttzungdes ISA-Bussesund den einfachen Hardware-Designs franwendungsspezifische Schnittstellen. DieBeliebtheit des ISA-Busses wre heute nochungebrochen, wenn da nicht die fehlendeUntersttzungdurchdiemodernenBetriebs-systeme und CPU-Busse wre, die eine Wei-terentwicklung teuer und ineffizient gemachthtte. Die CPU-Generationen von Intel undAMDorientieren sich anderUser Experience,die auf Hochleistungsgrafik und schnelleDatenverbindungenabzielt. SynchroneBus-systeme sind daher die bestimmenden Ele-mente derArchitektur. Das Echtzeitverhaltenist dann interessant,wennoffensichtlichderTonnicht zurDarstellung einesVideostreamspasst. Die Belange von Industrieanwendun-gen stehendabei nicht imFokus. Diesmachtdie Designaufwendungen fr einfaches I/Oaufwndigundunntig teuer. Der asynchro-ne ISA-Bus war hierzu das Multitalent, demheute noch vielfach nachgetrauert wird.

Vortex86DX3-CPU, Spezialistfr die IndustrieDMP Electronics fokussiert mit der Vor-

tex86DX3-CPU nicht hchste Leistung, son-dern eine Architektur fr die Industrie: Aus-reichende CPUPerformance, Untersttzungmoderner Speichermedien und I/O-Schnittstellen, wie die Industrie sie gerneverwendet, stehen im Vordergrund. Durchdie Verwendung der 486er-Architektur (alsDual-Coremit 2 x 1GHz) entstand ein System-on-Chip-Design mit sehr niedriger Verlust-leistung, fr das gnstige passiveKhllsun-gen fr den spezifiziertenTemperaturbereichvon -40C~85C ausreichen.Dies klingt sehrvielversprechend. Als Dual-Core-CPU mit

1 GHz spielt die Vortex86DX3-CPU in eineranderen Liga als ihre Vorgnger und bieteteine Leistungsklasse, die in derAutomatisie-rung, bei der es umSteuernundRegeln geht,ein breites Anwendungsfeld findet. Moder-ner DDR3-Speicher und neue Schnittstellenmachen sie zukunftssicher. Neben schnellemEthernet (ETX untersttzt nur 100Mbit), 4 xUSB 2.0undSATA ist einGrafikprozessor aufdemSoC implementiert, dermitAuflsungenbis zu [email protected] sichere Funktion auch in einer industri-ellen Umgebung zu gewhrleisten, ist dergelteteArbeitsspeicher bis zu 2GByte gro,zudemwird optional eine SSDaufWunschauch in SLC-Technologie angeboten.

Untersttzung fr IDE, ISA undMemory HoleDie wichtigsten Schnittstellen sind der

ISA-Bus, die seriellen Schnittstellen und einIDE-Kanal, so dass zwei CompactFlash-So-ckel auf dem Carrierboard untersttzt wer-den. Whrend aktuelle x86-CPUs von Intelkein Memory Hole fr den ISA-Bus mehrzulassen, kann auf dem Vortex86DX3 einSpeicherplatz ber das BIOS reserviert wer-den. Neben den IRQs und IO-Bereichen mitvollem 16-Bit-Zugriff bietet der Vortex86DX3

ein 64-kByte-Memory-Hole im Bereich zwi-schen 0x000C0000-0x000DFFFF. Statt ei-nes internen Ethernet Controllers ist ein ex-terner RealtekRTL8119L amPCI Express Busverfgbar. So sindLangzeitverfgbarkeit undeine groe Betriebssystemuntersttzung(DOS, Windows XP, 7 und 10) erreicht. FrKompatibilitt zuunterschiedlichenCarrier-board-Implementierungen ist der externeEthernet-Controller imCurrent- undVoltage-Mode zu betreiben. Wann ein ETX-Einsatzheute noch sinnvoll ist, kannnur derAnwen-der kompetent beantworten.Hersteller kn-nen ihnmit PlattformenundgroemWissen,gewonnen aus vielen ETX-Anwendungen,untesttzen.Da sich jedeAnwendungdurchdie Nutzung kundenspezifischer I/O-Kartenunterscheidet, sind generelle Statementsnichtmglich.Die langfristigeVerfgbarkeitber zehn Jahre und die funktionale Unter-sttzung der ETX-Schnittstellen knnte loh-nen, denwesentlichhherenAufwandeinerkompletten Neuimplementierung einigeJahre hinauszuschieben. Portwell bietet Mi-grationsuntersttzung und spezielle OEM-Untersttzung durch ihre Niederlassung inDreieich bei Frankfurt an. // MK

Portwell

PEM-E205VLA vonPortwell: Das ETX-3.0-Modul von Portwell mitdem Vortex-Prozessor86DX3 untersttzt etwaISA-Bus, IDE / SATA undist langzeitverfgbar.

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SICHERHEIT // HARDWARE UND PROZESSE


Sicherheitshardware alleineschtzt Gerte nicht vor Angriffen

Warum die OEMs zustzlich zur Sicherheitshardware auch nochSicherheitsprozesse implementieren mssen, wenn sie ihre Gerte

wirkungsvoll vor Angriffen schtzen wollen.

AMAR ABID-ALI *

* Amar Abid-Ali... ist Vertical Segment ManagerWireless Connectivity bei FutureElectronics (EMEA)

Fast jedes neueGert ist heute in irgend-einer Weise mit einem Netzwerk ver-bunden, auch wenn es nicht zum In-ternet der Dinge gehrt. Und den OEM istdurchaus klar, dass jede Verbindung einesGerts zum Netzwerk dieses und die Daten,die es ber dasNetzwerk austauscht, angreif-bar macht. Daher wird die Anforderung zurSicherheit des Gerts normalerweise in derMarketingspezifikationneuer Entwicklungs-projekte vorgegeben. Die fr die Hardwarezustndigen Entwicklungsingenieure unddie Softwareentwickler mssen die Verant-wortungdafr bernehmen, beimGert denSchutz vorHackernundAngreifern vorzuse-hen. Sollten die Bemhungen, Embedded-Devices zu schtzen, jedoch beim Entwick-lungsteambeginnenundenden?Tatschlichzeigt die Erfahrung aus der Industrie frEmbedded- und elektronische Gerte, dassGerte in den meisten Fllen nicht wegenFehlern bei der Sicherheitshardware oder-software, sondern wegen mangelhafter Si-cherheitsprozesse angreifbar werden.

Spezifizieren von Sicherheits-hardwareDer erste Schritt zur Sicherung eines netz-

werkfhigen Gerts besteht darin, es mitbewhrtenSicherheitseinrichtungenbei derHardwareundder Software auszustatten. Injedem Embedded- oder IoT-Netzwerk geltenfr die einzelnen Nodes drei Grundanforde-rungen zur Sicherheit: Authentifizierung: Jeder Node muss sichgegenber dem Netzwerk identifizierenknnen, damit das Netzwerk berprfenkann, dass es sich um einen gltigen Nodeund nicht um ein bswilliges oder nicht au-torisiertes Gert handelt.

Verschlsselung: Die von jedemNode ge-sendeten und empfangenen Daten mssengeheim bleiben, damit nur autorisierte Ge-rte diese Daten nutzen knnen. Schutz: Jeder Node muss nach der Instal-lation Eindring- oder Sabotageversuchenwiderstehen knnen.Halbleiterhersteller leisten eine Menge,

um die Implementierung aller drei Sicher-heitsfunktionen zu ermglichen. Atmel lie-fert z.B.mit der CryptoAuthentication-Fami-lie zahlreiche Standalone-Gerte zurAuthen-tifizierung und Verschlsselung. STMicro-electronics und NXP Semiconductors sowieAtmel selbst liefern Mikrocontroller mit in-tegrierten Sicherheitsfunktionen zur Ver-und Entschlsselung von Datenstrmen,zum Signieren und zur Verhinderung vonSabotage. Diese Bauteile implementieren

normalerweise eine Version des AdvancedEncryptionStandards (AES) oder der Elliptic-Curve-Cryptography- (ECC) Technologien zurVer- und Entschlsselung und den Secure-Hash-Algorithmus (SHA) zur Authentifizie-rungundSignierung.All diese Technologienerwiesen sich gegen direkte Angriffe, selbstvon sehr entschlossener und gut ausgestat-teter Seite, als uerst widerstandsfhig.

Jedes Netzwerk ist nur so sicherwie seine schwchste StelleDas Problem fr die OEM ist, das diejeni-

gen, die die Sicherheit eines Gerts aushe-beln wollen, genau wissen, wie die Sicher-heitstechnologie implementiert ist. Sie wis-sen, wo die Schwchen liegen, und jedesNetzwerk ist nur so sicher wie seineschwchste Stelle. Gewhnlich sind die Ele-

Ausgespht: Jede Verbindung eines Gerts zum Netzwerk macht dieses Gert und die Daten, die es ber dasNetzwerk austauscht, angreifbar.

Bild:Clipdealer

document4763881477255800516.indd 20 09.09.2016 10:30:12


mente Schlsselerzeugung und Schls-selverwaltung eines sicherenNetzwerks amehesten angreifbar. Jedes von einemHerstel-lerwieAtmel, ST oderNXPgelieferte Sicher-heits-IC verlangt die Nutzung eines privatenSchlssels, also eine geheime Referenz-nummer, die nur dem OEM bekannt ist.Wennder private Schlssel, z.B. einesGertszur berwachung der Herzfunktion einesPatienten, geheim ist, kann ein AES-ver-schlsselter undSHA-signierterDatenstromzur Herzfrequenz des Patienten sicher berdas Internet vonderWohnungdesPatientenzu den gesicherten Servern des Gerteher-stellers bertragenwerden, umdort gelesenund wiederum ber das Internet vonrzten berwacht zuwerden. Die Technolo-gien zumVerschlsselnundSignieren selbstlassen sichnicht knacken.Wennder geheimeSchlssel jedoch einem unbefugten Drittenbekannt ist, wird die vom IC implementierteSicherheit wirkungslos. Daher mssen zweihufig gemachte Fehler vermieden werden.

Einfallstor Schlsselerzeugungund SchlsselverwaltungDer erste Fehler liegt bei der Schlsseler-

zeugung. Bei symmetrischen Sicherheits-technologien, z.B. AES (bei denen ein Nodesowohl die Verschlsselung als auch dieEntschlsselung bernehmen kann), wirdder private Schlssel sowohl beimSender alsauchbeimEmpfnger genutzt. Dadurch ent-steht eine Schwachstelle: EinAngreifer kannhochentwickelte Sensoren und Messgerteeinsetzen, um die elektrische und die elek-tromagnetische Aktivitt an beiden Endeneiner Kommunikationsverbindung zu erfas-sen und zu analysieren. Mit der Suche nacheinemMuster, das beimSender undEmpfn-ger auftritt, kannder Schlssel ermitteltwer-den, der an beiden Enden verwendet wird.Das ist eine teure und zeitraubende Angele-genheit.Wenn jedoch in einemNetzwerkmitTausenden von Endgerten ein einzigerSchlssel erzeugt und fr alle Endgerte ver-wendet wird, legt das Knacken des Schls-sels bei einem einzigen Node die gesamteKommunikationdesNetzwerks offen.Damitknnte derjenige, der denAngriff finanziert,reiche Beute machen. Daher ist es wichtig,fr jeden einzelnen Node einen eigenenSchlssel zu erzeugen. SowirdderAufwandfr das Knacken eines Nodes wertlos, da esnur diesen einenNodeundnicht das gesam-te Netzwerk zugnglichmacht. Natrlich istes einfacher nur einen Schlssel fr alle No-des zu erzeugen, umbei der Schlsselerzeu-gung Zeit und Mhe zu sparen, aber das istfalsche Sparsamkeit, denn sie schafft eineenorme Angreifbarkeit.

Doch selbstwennman annimmt, dass einOEM alle guten Regeln bei der Schlsseler-zeugung befolgt, besteht eine weitereSchwachstelle bei der Schlsselverwaltung.Je nachdem,wie vieleGerte imEinsatz sind,muss ein OEMHunderte, Tausende oder so-garMillionen einzelner Schlssel verwahren.Diese Schlssel mssen geheim sein. Dasheit, sie drfen nur fr autorisierte Perso-nen zugnglich sein, die die Verfahren zurWahrung ihrer Geheimhaltung einhalten.Dies verlangt eine rigorose Implementie-

rung der Sicherheitsprozesse sowie der Si-cherheitshardware und -software. DieSchlsselmssen in einerDatenbankgespei-chert werden, die auf einem gesichertenServer gehostet wird. Aber wie kann mandie Sicherheit des Servers gewhrleisten?Typischerweisemssen die OEM den physi-schen Zugang zu diesem Server ausschlie-lich auf autorisierte Personen beschrnken.Dazu muss er sich hinter verschlossenenTren mit einer Zugangskontrollanlage be-finden.Auerdemmssendie Interaktionender autorisiertenPersonenmit demgesicher-ten Server stndigberwacht undanalysiertwerden. Ungewhnliches Verhalten musserkannt und untersucht werden. DarberhinausmssendieAutorisierungen regelm-ig berprft und bei Bedarf widerrufenwerden, wenn z.B. ein Mitarbeiter aus denDiensten des Gerte-OEM ausscheidet.An jedemPunktmssen die Schwachstel-

len des Systems analysiert und Gegenma-nahmen erarbeitet und implementiert wer-den. Die Sicherheit der geheimen Schlsselwird nicht nur durch Bswilligkeit oderNachlssigkeit der direktenMitarbeiter einesOEM, sondern auchdurchBerater, Gertein-stallateure, Auftragshersteller und Anderegefhrdet. Wenn jemand die geheimenSchlssel erhaltenwill, ist einAngriff auf dassichereNetzwerk einesOEMgewhnlich sehrviel schneller und einfachermglich, indemein autorisierterMitarbeiter bestochenwird,als durch aufwendiges Reverse Engineeringder Sicherheitsschaltungen eines Gerts.Dank der Hochleistungs-Sicherheits-ICs

von Herstellern wie Atmel, ST und NXP istdie hardware- und softwareseitige Gertesi-cherheit einfach zu implementieren undpraktisch unmglich zu durchbrechen. Diegrte Bedrohung fr das Netzwerk einesOEM ist undbleibt leider derMensch. Dahersind Entwickler, die die Sicherheit eines Ge-rts gewhrleisten sollen, gut beraten, par-allel zur Implementierungder Sicherheit aufder Leiterplattenebene die Sicherheitspro-zesse des Herstellers zu berprfen. // MK

Future Electronics

SICHERHEIT // HARDWARE UND PROZESSE

21S C H U K A T

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ANWENDUNG // SINGLEBOARD-COMPUTER


Was Sie schon immer berRaspberry Pi wissen wollten

Artikel ber die technischen Daten der Raspberry-Pi-Modelle gibt esviele. Dieser Beitrag beantwortet Anwenderfragen, etwa zur bertakt-

barkeit, Realtime Clock, Akkubetrieb, Passwort, NOOBS, etc.

MARGIT KUTHER *

* Margit Kuther... ist Redakteurin derELEKTRONIKPRAXIS

Details zudenneunverschiedenenMo-dellen des Raspberry Pis bieten etli-che Artikel, etwa Raspberry Pi A bisZero sowie das Raspberry-Pi-Poster vonELEKTRONIKPRAXIS und RS Components,zu finden ber die Sucheingabe: 44201560auf elektronikpraxis.de. Dieser Beitrag hin-gegenwill Fragen rund um die Mini-PC-Pla-tine Raspberry Pi beantworten:

Was ist eigentlich einRaspberry Pi?Raspberry Pi ist eine Linux-ba-

sierende Mini-PC-Platine. EineBesonderheit ist der gnstigePreis, der je nachModell zwischen4 Pfund und 45 Euro liegt. Rasp-berry Pi wurde 2012 von der ge-meinntzigenOrganisationRasp-berry Pi Foundation auf denMarktgebrachtmit demZiel: Allen Sch-lern, auchweniger gut betuchten,Zugang zuOfficeprogrammenundzum Internet zu ermglichen undihnendieWelt der Techniknher zubringen.Aus diesem Grund sind alle Modelle mitGPIO-Pins (General-Purpose Input/Output)versehen/bestckbar, ber die zahlreicheexterne Komponenten, etwa zum Messen,Steuern, etc. angeschlossenwerdenknnen.

Wie bootet RPi, lautet das Pass-wort und wo gibt es Infos?Maus, Tastatur und Bildschirm sind am

Raspberry Pi angeschlossen doch wo istder Ein-/Ausschalter? Es gibt keinen. SobaldSie das Stromkabel gesteckt haben, bootetder Raspberry Pi. Dafr bentigt Rasp-berry Pi allerdings ein Betriebssystem, etwaRaspbian, auf einer externenSpeicherkarte.

Fr das Ausschalten haben Sie in manchenProgrammen eine Schaltflche zum Herun-terfahren. Alternativ funktioniert dies ausdem Terminal heraus via Befehl: sudo halt-h (ohne Anfhrungszeichen). Sie solltenjedoch nie einfach den Stecker ziehen, dieSpeicherkarte knnte Schaden nehmen.MancheProgrammeerwarten username

und password. Standardmig lautendie-se: piund raspberry. BeachtenSie: typi-scherweise sehen Sie unter Linux bei derPassworteingabe keine Zeichen.Die offiziel-le, englischsprachige Dokumentation derRaspberry Pi Foundation finden Sie auf derSite raspberrypi.org/documentation.

Was ist NOOBS und luft RPiunter Android und Windows?Das Standarbetriebssystem fr den Rasp-

berry Pi ist Linux. Doch davon gibt es ver-schiedensteVarianten.Damit derAnwenderraschmit Raspberry Pi arbeiten kann, findetsich auf raspberrypi.org eine SammlungdervonderOrganisation empfohlenenBetriebs-systeme, genannt New Out Of Box Software(NOOBS).WerNOOBSnicht umstndlich auf

einer Speicherkarte installieren mchte,kann auch Speicherkartenmit vorinstallier-tem NOOBS kaufen, etwa bei RS Compo-nents, Conrad oder reichelt. brigens, dasbevorzugte Betriebssystemder Raspberry PiFoundation ist Raspbian: Nach dem Bootendes RPi mit einer Speicherkarte, auf derNOOBs installiert ist, sehen Sie ein Fenster,

das die verschiedenenBetriebssyste-me zeigt. Ebenso eine Auswahlmg-lichkeit fr Sprache und Tastatur.Whlen Sie hier Deutsch und de.Als Betriebssystem whlen Sie etwaRaspbian aus.DazuklickenSie in dasKstchen vor Raspbian, anschlie-endauf das Icon Install. ErscheintOS installed sucessfully, klickenSie auf OK. Befehle rauschen jetztber den Bildschirm, anschlieendbleibt der Bildschirm einige Sekun-den schwarz.Wenn der Installationsprozess ab-

geschlossen ist, erscheint der eng-lischsprachige Startbildschirm von

Raspbian. Fr einedeutscheMenwiederga-be klicken Sie auf Menu, Preferences, Ras-pberry Pi Configuration. Whlen Sie imReiter Localisation als Timezone Area:Europe und Localisation: Berlin. NacheinemNeustart erscheint dieMenbeschrei-bung in deutsch. Tipp: weitere Infos aufelektronikpraxis.de, Sucheingabe: 43374623 bietet der Beitrag 23 Betriebssysteme frden Raspberry Pi.Android-Betriebssysteme frRaspberry Pi

sind zwar online erhltlich, doch lt. Raspber-ry Pi Froundationnicht stabil. VonSeitenderOrganisation gibt es auch keine Plne hier-fr, da diese von Seiten Androids zu wenigUntersttzung in puncto Bildungsmana-men sieht ein Kernpunkt der gemeinntz-lichen Stiftung.Windowsmeistern nur die Modelle Rasp-

berry Pi 2B und 3B. Allerdings nicht das aufPCs installierte Betriebssystem sondern dieabgespeckte EntwicklervarianteWindows 10

Raspberry Pi 3B: das schnellste RPi-Modell mit 1,2GHz Quadcore und der erste RPi mit integriertemWLAN und Bluetooth

Bild:Farnell

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ANWENDUNG // SINGLEBOARD-COMPUTER

IoT Core. Microsoft bietet diese auf seinerWebsite kostenlos zum Download an.

Wie schnell ist Raspberry Pi,und ist er bertaktbar?Die Rechenleistung eines Raspberry Pi A,

A+, B oderB+ ist vergleichbarmit einemPen-tium2, 300MHz.Die PerformancederGrafikist aberwesentlich besser: alle RPismeisternFull-HD 1080p30 und H.264. Raspberry PiZero ist rund 40% leistungsstrker als dieModelle A, A+, B undB+. Raspberry Pi 2B istetwa vergleichbar mit einem Athlon Thun-derbirdmit 1,1 GHzTakt unddas Topmodell,der Rasberry Pi 3B, ist etwa 50% schnellerals RPi 2B.Etliche Modelle haben von Haus aus Tu-

ning-Potenzial: RPi A, A+, B und B+ taktenwerksseitig mit 700 MHz und laufen i.d.Rauchmit 800MHz problemlos. RPi 2B taktetvon Haus aus mit 900 MHz und sollte 1 GHzmeistern. InRaspbian finden sich inder Sys-temkonfiguration bereits vordefinierte Ein-stellungen zumbertakten. Wer diese Takt-raten nicht berschreitet, sollte sogar ohneKhlkrper auskommen. Fr hhere Taktra-ten, oder wer Raspberry Pi 3B bertakten

mchte, sollte einenKhlkrper auf demSoCaufbringen.

Bietet RPi UART, I2C, RealtimeClock und RAM-Erweiterung?DasBesondere amRPi ist die Stiftleistemit

26 oder 40Kontakten, davon 17 oder 26GPIO-Pins (beim RPi Zero ist die Stiftleiste unbe-stckt, aber optional erhltlich). bersttztwird UART, I2C, SPI, I2S, Audio, 3V3, 5 V undMasse. Realtime Clock und eine Speicherer-weiterung knnen auf dem RPI nicht nach-gerstetwerden.Onboard-RealtimeClock istauch nicht geplant, denn es wrde, so dieOrganisation, dieKosten indieHhe treibenund die eigentliche Intention der RaspberryPi Foundation, einepreiswerte PC-Platine fralle Schler, gefhrden.

Was sollte eine Speicherkartebieten?Die Mindestkapazitt der Speicherkarte

sollte 8GBbetragen,wennmehrereBetriebs-systeme, etwaNOOBS, installiertwerden. Freinen schnellenDatentransfer sollte dieKar-te die Geschwindigkeit Cass 10unterstt-zen.

Lsst sich RPi ber USB-Huboder Akkupack betreiben?

Wichtig: Raspberry Pi bentigt eine kons-tante Spannungvon 5V.Dermicro-USB-Portdient ausschlielich der Stromversorgung,die Standard-USB-Ports sinddagegennur frden Datentransfer gedacht. Ideal fr dieStromversorgung ist das zugehrige Strom-kabel,wobei Raspberry Pi 3B 5V/2,4Aben-tigt, die brigen Modelle 5 V/2 A. Wer RPIetwa via PC-USB-Hub mit Strom versorgenmchte, sollte einen USB-3.x-Hub whlen;USB-2.0-Hubs liefernnur 500mA jePort, u.U.zu wenig fr Rasperry Pi. Die Organisationrt von Akkus ab. So bietet etwa ein voll ge-ladener 4xAA-Akku 4,8 V, welche innerhalbder Toleranz fr RPi (5 V) liegt. Doch sobalddie Spannung sinkt,wirdRaspberry Pi insta-bil; das System knnte abstrzen. Ungeeig-net sind 4xAA-Batterien. Denn deren Span-nung von 6 V ist definitiv zu viel fr RPi undkann ihn zerstren. Akkupacks sind danngeeignet, wenn diese eine konstante Span-nung von 5 V bieten knnen. // MK

Elektronikpraxis

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ANWENDUNG // TOUCH-TECHNOLOGIE


Touch-Technologie fr alle mit derEmbedded Video Engine von FTDI

Die Touch-Technologie schlummerte vor sich hin, bis das iPhone vorfast einem Jahrzehnt auf den Markt kam und eine Revolution beimDesign von Bedienoberflchen fr eingebettete Systeme auslste.

MARK PATRICK *

* Mark Patrick... ist Mitarbeiter der MouserElectronics

Obwohl Touchscreens schon Jahrzehn-te vor dem iPhone in verschiedenenSystemenvomcomputergesttztenKonstruktionsterminal (CAD) bis hin zurhochentwickelten Industriesteuerung ge-nutzt wurden, hat erst die Integration vonGesten in Mensch-Maschine-Schnittstellenviele neueMglichkeiten der Interaktion of-fenbart. Fr Anwenderwar die Verwendungvon Berhrungen zusammenmit Gesten frdasAufziehenundZoomen einfach. Promptwurdendiese Fhigkeitenbei vielen anderenSystemengefordert,mit denen sie interagie-ren. Das wiederum zwingt Hersteller ver-schiedenster Systeme, die Bedienoberfl-chen ihrer Produkte aufzursten. Die her-kmmliche Kombination aus Tasten undeinfachen 7-Segment-LCD- oder -LED-Anzei-genkann einProdukt auf demMarkt benach-teiligen, imVergleich zu einem,das animier-te Grafiken anzeigt und hilfreiche Hinweiseund andere erklrende Texte einblendet.

Die Kosten fr Touchpanelssind gefallenDa die Kosten fr Touchpanels aufgrund

derNachfrage gefallen sind, knnenHerstel-ler aus einem LCD-basierten Interface Kos-tenvorteile ziehen. Mit einfachen Firmware-nderungen oder Registrierungseinstellun-gen kann ein Produkt vollstndig lokalisiertwerden. Damit wird das Aufdrucken ver-schiedener Sprachen auf Bedientafeln mitKnpfen und Tasten berflssig. Auch Ein-sparungen bei den Lagerkosten verbesserndie Unternehmenseffizienz. Obwohl derWechsel zu touchbasiertenBedientafelnVor-teile bietet, knnen die nderungen im De-sign erheblicheAuswirkungenauf dieArchi-tektur des Kernsystems haben. Der Wechsel

von einem einfachen 7-Segment-LCD undeiner Tasten-Matrix zu einem vollstndiggrafischen Touchscreen bringt eine enormeErhhungder erforderlichenRechenleistungundmglicherweise umfangreiche und teu-renderungenanderKernsoftwaremit sich.Soll dieGrafik auf einemeinzelnenProzessorlaufen, erfordert sie wahrscheinlich einen32-Bit-Prozessor um in einen hoch auflsen-denFramebuffer (Bildspeicher) schreiben zuknnen.Ohnekomplizierte Paging- undSeg-mentierungsverfahren ist ein auf einem 8-oder 16-Bit-Mikrocontroller implementiertesSystem nicht in der Lage, den gesamten Ad-ressbereichdes Framebuffers zubeschreibenoder gengend Platz fr eine aufwndigeGrafik zu bieten.

Die Embedded Video Enginevereinfacht die EntwicklungZwar ist der Marktpreis fr grafikfhige

32-Bit-Prozessoren in den vergangenen Jah-ren gefallen, der fr nderung, Neuzulas-

sungundPrfungderAnwendung erforder-liche Zeit- und Kostenaufwand knnte sichjedochals unvertretbar erweisen. Es gibt abereinen Weg, bestehende Anwendungen miteinem leistungsfhigen Touchscreen-Inter-face aufzuwerten, das auf einem vergleichs-weise einfachenMikrocontrollermitwenigenRessourcen luft und ohne extensive Nach-bearbeitungen auskommt. Die EmbeddedVideo Engine (EVE) von FTDI Chip ist eineProduktreihe integrierter Schaltungen (IC),die so ausgelegt sind, dass die Interaktionenmit LCD-basierten Touchscreens zulasteneinesHost-Mikrocontrollers gehen.Die EVE-Technologie nutzt dasArchitekturmuster desfr die ersten grafischen Bedieneroberfl-chen (GUI) im Xerox-ForschungszentrumPaloAlto entwickeltenKonzeptsModelViewController (MVC). Das MVC-Muster teilt dieAnwendung indreimiteinander verbundeneBestandteile auf. Model verwaltet die Datenund Regeln der Kernanwendung. Der View-Bestandteil stellt die Information fr den

Blockdiagramm FT800: Die FT800-Bauteile untersttzen resistive Touchscreens, die hufig in rauen Umge-bungen eingesetzt werden und dort, wo es auf niedrige Systemkosten ankommt.

Bild:M

ouser

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Anwender dar, die vonderKomponenteMo-del regelmig erfragt werden. Der Control-ler-Anteil interpretiert EingabenvomBenut-zer undwandelt sie inBefehle, die dasModelin seiner internen Logik anwenden kann.Durch die Teilung der Funktionen inMVC

knnenmit derselbenKernlogik verschiede-neArten vonBedienoberflchenangesteuertwerden. Eine vorhandeneBedienoberflchemit Tastatur und 7-Segment-Anzeige knntezwei Schaltflchen nutzen, mit denen derBenutzer durch mehrere Seiten an Text undBefehlsoptionen scrollen knnte. Bei einerVersionmit einem kapazitiven Touchscreenknnten Wischgesten, wie von Tablets oderSmartphones bekannt, eingesetzt werden,um durch die Seiten zu blttern.Obwohl die Benutzerinteraktion eine an-

dere ist, bleibt dieKernlogik, die vomModel-Bestandteil derAnwendungverarbeitetwer-den muss, dieselbe sie reagiert auf dieBefehle Weiter und Zurck. Mithilfe eineseinfachen seriellen SPI- oder I2C-Interfaceskann EVE die erforderlichen Befehle in dieModel-Logik bermitteln, die im Host-Mik-rocontroller luft. DadurchkanndieKernan-wendung grtenteils mit dem neuen Inter-face und mit minimalen Vernderungenweiterlaufen. Stattdessen werden die meis-ten nderungen, die sich auf das GUI- undTouch-Verhalten beziehen, im EVE-Control-ler umgesetzt.

EVE untersttzt kapazitive undresistive TouchscreensDieEVE-Technologie ist aber nicht nur auf

kapazitive Touch-Technik beschrnkt. DieFT800-Bauteile untersttzen resistive Touch-screens, die hufig in rauen Umgebungeneingesetzt werden und dort, wo es auf nied-

rige Systemkosten ankommt (siehe Abbil-dung Blockdiagramm FT800). Sie bieten ei-nen direkten Anschluss fr die x- und y-Ein-gaben vom Touchscreen-Controller, woTouch-Eingaben in Befehle umgewandeltwerden, die derHost-Mikrocontroller verste-hen kann.Die FT801-Bauteile untersttzen eine

Schnittstelle zu einem externen kapazitivenTouch-Controller, der blicherweise in dieLCD-Panel-Baugruppe integriert ist. Frhchste Kompatibilitt zu bestehendemCode fr Bedienoberflchenbietet der FT801einen Single-Touch-Modus, der einen her-kmmlichenKnopfdrucknachbildet.Mit biszu fnf Berhrungspunkte untersttzt dererweiterte Modus den Multi-Touch-Betrieb.Damit werden Zoom- und andere komplexeGesten ermglicht. So knnenUser zumBei-spiel in einem System, das Bilder anzeigt,verschiedeneBereichedesBildes ber solcheZoom-Gesten genauer betrachten.Um die GUI zu definieren und zu steuern,

fhrt die Applikation imHost-Mikrocontrol-ler einige der View-Funktionen aus demMVC-Entwurfsmuster durch.Normalerweiseruft die Anwendung Objekte auf, die berDisplay-Listen in den Speicher von EVE ge-laden wurden. Die Display-Listen ermgli-chenderAnwendung, verschiedeneBitmapsaufzurufen und diese auf dem Bildschirmwiederzugeben. Mithilfe von Befehlen frLinien und andere Grundelemente knnensie auch Kurven und andere Vektorbilderzeichnen. Da jeder einzelne Zeichenbefehlgerade einmal eine Lnge von 4 Byte auf-weist, lsst sich mit dem Display-Listen-Verfahren der Speicherbedarf im Host-Mik-rocontroller auf einMinimumreduzieren.DieGrafik selbst wird mit einem Bildschirmedi-

ANWENDUNG // TOUCH-TECHNOLOGIE

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Debug & Trace

TRACE32 for SMP

DSPCore

AcceleratorCore

ApplicationCore

TRACE32 for AMP

SoC

TRACE32 for AMP

tor aufgebaut, der unter Windows luft. PerDrag-and-Dropbaut der Bildschirmeditor dieDisplay-Listen auf. Diesewerden in EchtzeitdurchdenMikrocontroller gesteuert, umdieBedieneroberflche zu bilden. Eine Emula-tor-Bibliothek macht es einfach, GUIs undGrafiken von anderen Tools in der EVE-Um-gebung nachzubilden.Ein Coprozessor-Element in der EVE er-

mglicht dieVerarbeitung vonkomplexerenGrafikelementen wie Widgets und vonTouch-Tags, die fr denMulti-Touch-Betrieberforderlich sind. Widgets vereinfachen dieKombination von Bitmaps mit animiertenGrafiken, ohnedass derHost-Mikrocontrollerdie Grafikoperationen direkt durchfhrenmuss. So sorgt zumBeispiel ein eingebauterTaktbefehl dafr, dass eine sich bewegendeHand ber eine Hintergrund-Bitmap gelegtwird. Mit einer hnlichen Funktion lassensich anwenderfreundliche Drehzahl- oderTankanzeige-Widgets realisieren.Unter Beachtung der Probleme, denen

Hersteller beim Wechsel von traditionellerBedienung zu Touch-basierten Lsungenbegegnen, bieten die ICs aus der EVE-Pro-duktfamilie von FTDI Chip einen viel rei-bungsloserenMigrationspfad als der konven-tionelleAnsatz, bei demderKern-Mikrocon-troller des Systems meistens auf ein wichti-ges Upgrade angewiesen ist. Durch denwirksamen Einsatz des MVC-Entwurfsmus-ters knnen selbst leistungsschwchere Mi-krocontroller Befehle und Daten ber eineserielleVerbindungweitergeben. Sowerdenauch grafische Bedienoberflchen mit flie-enden, animierten Grafiken angesteuertund Touch-Gesten verarbeitet. // MK

Mouser Electronics

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ANWENDUNGEN // SPEICHER


Stabilere Flash-Speicher inindustriellen Anwendungen

Schneller Zugriff und Erschtterungssicherheit macht Flash-Memoryfr industrielle Anwendungen attraktiv. Doch in der Industrie mssendie Speicher andere Anforderungen erfllen als im Consumer-Bereich.

ULRICH BRANDT *

* Ulrich Brandt... ist Marketing Director derSwissbit AG.

Multi-Gigabit-SD- und microSD-Kar-ten mit hoher Speicherkapazitteignen sich immermehr fr robusteEmbedded-Systeme in platzbeschrnktenUmgebungen, die Sten, Vibrationen undextremen Temperaturen ausgesetzt sind;Umgebungen, die den Einsatz herkmmli-cher Festplattenlaufwerkebehindern. SolcheKarten mssen aber die in Industrieumge-bungen geforderte hohe Leistungsfhigkeitund Zuverlssigkeit bieten.AnwendungenwieDatenerfassungsgerte, Steuerungsrech-ner oderMasystememssenoft umfangrei-che Datenmengen kleiner, unabhngigerEinheiten speichern. Dabei kann es sich umMesswerte unterschiedlicherQuelle, Status-Updates oder demMitschreiben vonKommu-

nikations-- oder Positionsdaten handeln.Diese Random-Write-Zugriffe haben einenhohen Einfluss auf die nutzbare Datenrateund die Zuverlssigkeit (Endurance) einesFlash-Speichers. Das stellt hoheAnforderun-genandie eingesetztenFlash-Speicher, dennim Gegensatz dazu speichern Consumer-Gertewie Kameras oder Smartphones typi-scherweise grereDatenmengenaufeinan-der folgend (sequenziell), z.B. bei der ber-tragung digitaler Bild- oder VideodatenDie Random Write Performance wird

durchdenAufbaudes FTL (FlashTranslationLayer) beeinflusst. Der FTL ermglicht demHost, auf logischer Ebene mit dem Flash-Speicher zu interagieren, ohneden internenAufbau zu bercksichtigen. Hierzu erfolgteinMappingder logischenSektornummern,die vom Host-Dateisystem verwendet wer-den, auf die physikalischen Adressen derDaten, wo sie im Speicher abgelegt werden.Dadie zumodifizierendenDaten inFlash-

Zellennicht an ihremSpeicherort berschrie-

ben werden knnen, mssen sie vor L-schung der alten Daten erst an eine freieStelle geschrieben werden. Flash-Speicherlsst sich aber nur blockweise lschen.Nach-dem alle Blcke eines Flash-Speichers min-destens einmal beschrieben wurden, ber-nimmt der FTL auch die sog. Garbage Coll-ection: gltigeDaten aus teilweise geflltenBlckenwerden inneueBlcke verschoben,damit der alte Bereich gelscht und wieder-verwendetwerdenkann. Erfolgt dieGarbageCollection whrend der Aktualisierung derDaten kann dies die Random Write Perfor-mance beeintrchtigen. Ersatzblcke undOver Provisioning (OP:mehr Flash-Kapazittbereitstellen, als ber denHost adressierbarist) sind mgliche Techniken, um die Aus-wirkungen von Garbage Collection auf dieSpeicherschreibleistung zumindern.FTLs verwenden entweder eineBlock- oder

eine Page-basierte Adressbersetzung. Beider blockbasierten Variante kennt der Spei-cherkontroller nur die Abbildung des logi-

Bild 1: Ablauf eines Random Write ineinen Sektor eines Block-ManagedFlash-Speichers.

Bilder:swissbit

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schen Blocks auf den verknpften physika-lischen. Die Position des geschriebenenSektors im logischen Block und im physika-lischenmuss zwangslufig bereinstimmen,um die Information wiederzufinden.Consumer-Flash-Speicherkarten nutzen

oft das blockbasierte Mapping fr effizientesequenzielle Schreibvorgnge, die viele auf-einanderfolgendePages einesBlocks in einereinzigen Transaktion enthalten.Eine der Strken des blockbasiertenMap-

pings ist, dass relativ kleineMapping-Tabel-len erforderlich sind, um die physikalischePosition der Pages zu bestimmen. Anderer-seits bewirkt ein RandomWrite einer einzel-nen Page eine hohe Zahl an Schreibvorgn-gen in Flash-Zellen: gltige undunvernder-te Pages im betroffenen Block mssen mitdenneuenDaten in einen leerenBlock abge-speichert werden, bevor der alte gelschtund wiederverwendet werden kann. Bild 1beschreibt,wie dieAktualisierung eines ein-zelnen Sektors einen vollstndigen Block-Schreib- und Lschvorgang erfordert.

Mglichkeiten zur Verringerungdes Write Amplification FactorsDas Verhltnis der in Flash-Zellen ge-

schriebenen Datenmenge zu den vom HostgeschriebenenDatennennt sich Schreibver-strkung oder Write Amplification Factor(WAF). Typische Blockgren belaufen sichbei Single-Level Cell (SLC) Flash auf 1MByteund bei Multi-Level Cell (MLC) auf 4 MByte.Nutzt die Firmware ein blockbasiertes Map-ping, so fhrt etwa jedes Schreiben eines 4KByte Sektors bei SLC Flash zum Schreibeneines 1 MByte-Blocks und anschlieendenLschens des nichtmehr bentigtenBlocks.Bei MLC Flash betrgt die Blockgre 4MByte. Damit errechnet sich derWorst-CaseWAF zu 256 bei SLC und zu 1024 bei MLC Garbage Collection nicht bercksichtigt.Der hoheWAFverursacht imFlashwesent-

lich hufigere Schreib-/Lschzyklen als ausder externen Datenmenge zu erwarten ist.Dies reduziert die Lebensdauer der Speicher-karte massiv. Sollen kostengnstige MLCFlash-Karten in industriellenAnwendungenmit zahlreichenRandom-Write-OperationenVerwendung finden, muss also der WAFzwingend reduziert werden. Solid-State-Drives (SSDs) verwendenPage-basierteMap-pings. Sie erlauben, dass ein logischer Sektorauf eine beliebige physikalische Page ge-schriebenwerdenkann. Eine zuflligeAbfol-ge von logischen Sektorenwird so sequenti-ell in einen einzigen Flash-Block abgelegt,was denWAF stark verringert. Die Random-Write-Zykluszeiten sind zudem krzer. EinNachteil ist, dass die Mapping Tabellen we-

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ANWENDUNGEN // SPEICHER


sentlich mehr Eintrge bentigen und dasAuffindender physikalischenPageber einemehrstufige Suche erfolgen muss. Bild 2 il-lustriert den Zusammenhangzwischen derGre der Mapping-Tabelle und der Write-Effizienz in Block- undPage-basierten FTLs.SSDController handhabendie hhereDa-

tenmenge, indem sie Mapping-Daten in ei-nemangeschlossenenDRAMhlt. Bei Strom-ausfall gehen diese Daten verloren. Esbraucht zustzliche Manahmen, um demDatenverlust vorzubeugen. Hochleistungs-kondensatorenundSchutzschaltungenkn-nenbei einemStromausfall dieVersorgungs-spannung lange genugaufrecht erhalten, umdie Mapping-Daten in den Flash-Bereich zuschreiben.Der Platzbedarf fr solche Lsun-gen und die Zusatzkosten sowie die Lebens-dauerrisikenmachendiesenAnsatz bei Spei-cherkarten jedoch unmglich.Page-basiertes Mapping sorgen fr eine

lngere Lebensdauer sowiemehr Flexibilittbei derUntersttzungunterschiedlicher Ein-satzmodi. Bild 3 beschreibt dieVerbesserun-genhinsichtlichder Zuverlssigkeit, die sichdurch Page-basiertes Mapping im Vergleichzu einem blockbasierten Ansatz bei SD-Flash-Karten erzielen lassen.

Sub-Page-Mapping fr dieFirmwareSwissbits durabitTM S-45 SD- und S-45u

microSDMLC-Flash-Speicherkarten verwen-

den ein Sub-Page-basiertes Mapping, dasauch bei einem hohen Anteil an RandomWrites den WAF deutlich reduziert und dieLebensdauer des Flash maximiert. Darberhinaus erbrigt der Firmware-basierte FTLden Einsatz von DRAM zur Speicherung derPage Pointer und damit auch zugehrigerKomponenten zum Schutz vor Datenverlustbei Stromausfall.Diese Sub-Page-Technik bildet Logikein-

heiten (die kleiner als eine Page sind) aufentsprechende physikalische Einheiten ab.Diese Einheiten knnendieGre eines ein-zelnen 4-K-Sektors einnehmen. Da eine ein-

zelne Page der kleinstmgliche Speicherortbleibt, der in den Flash geschriebenwerdenkann, fasst FTL kleinere Einheiten in einerPage zusammen.Mit Sub-Page Mapping betrgt die intern

verwaltete Page-Gre der S-45- und S-45u-Karten nur 4 KByte. Bei einem Worst-CaseRandom Write verursacht jeder externe 4KByte-Block also einen internen Daten-Wri-te von 16 KByte (Gre der PhysikalischenPage). Im besten Fall ermglicht ein opti-miertes FTL-Management, dass derWAFnur1 betrgt. Realistisch betrachtet weisenRandom-Write-Vorgnge auf belegteSpeicherbereiche einen WAF von 4-10 auf.Mit ihrer hohen Random-Write-Datenrateermglichendiese kleinformatigenSpeicher-karten einen leistungsfhigen Einsatz inAnwendungenwieBoot-MediumoderDaten-logging fr Instrumentierung.Dabei ist zu beachten, dass der Verwal-

tungsaufwand fr einenSub-Page-basiertenFTLdieDatenrate bei sequenziellen Schreib-und Lesezugriffen verringert. Daher werdenSpeicherkartenmit Blockverwaltung, z.B. dieSLC-basierte S-450 fr Anwendungen emp-fohlen, die hauptschlich sequenzielle Wri-te-/Read-Operationen aufweisen.Austauschbarkeit und mechanische Sta-

bilitt sind die wesentlichen Eigenschaftenkleinformatiger Flash-Speicherkarten. Siesind daher fr zahlreiche Anwendungen imIndustrie- und Consumer-Bereich interes-sant. Umwirklich fr den industriellen Ein-satz geeignet zu sein, ist allerdings wie auf-gefhrt eine Lsung fr den hohen Ver-schlei bei Random-Write-Operationen n-tig, ohne dabei Einschrnkungen bei derSpeicherdichte oder dem Schutz bei Strom-ausfall in Kauf nehmen zumssen. // SG

Swissbit

Bild 2: Page-basiertes Map-ping senkt die Belastungdurch Schreib-/Lschzyklen,erhht allerdings die Mengeder Mapping-Daten.

Bild 3: Page-basier-tes Mapping erhltdie Flash Perfor-mance und erhhtdie Zuverlssigkeit(Endurance).

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AKTUELLE PRODUKTE // SPEICHER

Die F-50 Serie bietet Datenratenvon bis zu 500MByte/s bzw.330MByte/s. Controller undNANDFlash der F-50 Serie erfl-len anspruchsvolle Industriean-forderungen, die Firmware ent-

SWISSBIT F-50

CFast-2.0-kompatible Speicherhlt globales Wear Leveling so-wie Bad Block Management,Lesewiederholungen im Fehler-fall, aktives und passives Auffri-schen ausfallgefhrdeter Spei-cherzellenundvorzeitiges Erset-zen kritischer Bereiche. Im Be-triebsmodus mit verteiltenkleinenDatenzugriffenbietet dieF-50 Serie beim Lesen bis zu 53kIOPS und beim Schreiben 74kIOPS. Muster der F-50 Serie sindab Ende Juni 2016 bei Rutronikerhltlich.

Rutronik

MSC vertreibt zwei neue SSD-Serien von Innodisk. Die ReihenSATA3ME4undPCIe 3MEbietenauch im industriellen Tempera-turbereich von -40 bis +85 Clange Lebensdauer. Ihre L3-Ar-chitektur basiert auf einem 4KMapping-Algorithmus, der denWrite Amplification Index redu-ziert und einen Echtzeit Wear-Leveling-Algorithmus enthlt.Eine LDPC-Technik (LowDensityParity Check), einer ECCMemoryTechnologie, optimiert die Zu-verlssigkeit der NAND-Flash-Speicher. Die SATA 3ME4-Serie

SSD MIT L-ARCHITEKTUR

Langlebige SSD fr die Industrie

ist in als SATADOM,mSATA,M.2,CFast, SATASlim (MO297) und2,5 SSDerhltlich, die PCIe 3MESSDs imM.2 2242-Formfaktor.

MSC Technologies

Transcends SuperMLCmicroSD-KartenbesitzenhoheEndurance-Werte und einen erweitertenTemperaturbereich (-40C bis85C). Durch die Nutzung vonnur einemBit proMLC-Speicher-

SUPERMLC MICROSDS

Transferraten bis zu 95 MByte/szelle bieten die microSDs nachUHS-IU1 SpezifikationTransfer-raten von bis zu 95 MByte/s.Die Karten besitzen eine inte-

grierte ECC Fehlerkorrektur undhervorragende Haltbarkeit. Mitbis zu 30.000 Schreib-/Lschzy-klen und bis zu 538 TBW (Ter-aBytes Written) Gesamtschreib-leistunghabendie Flashspeichereine etwa zehnfachhhereHalt-barkeit als vergleichbare indus-trielle microSD-Karten mit ubli-chem 2-Bit MLC NAND Flash.

Transcend

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ANWENDUNGEN // SCHALTKREISE


Ein elektronischer Schaltkreis frein BlutdruckmessgertEin Blutdruckmessgert ist ein grundlegendes medizinisches Hilfsmit-tel fr rzte. Dessen elektronischer Schaltkreis lsst s

Date post:	06-Jan-2017
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Embedded Systems Development & IoT

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