Sulautettujen COM-korttien tarjonta on laajentunut vuosien varrella alkuaikojen valmistajakohtaisista korteista standardoituihin useamman toimittajan kortteihin. Tässä käymme läpi eri COM Express-kortit ja kerromme uudesta teholuokan COM HPC-korttistandardista.

 Teksti Krister Wikström ja kuva Congatec

COM-lyhenne tulee englanninkielisistä sanoista Computer-On-Module. Ne ovat siis piirikortteja, jotka pitävät sisällään tyypillisen tietokoneen tärkeimmät elementit kuten prosessori, muistipiirit ja liitännät, ei kuitenkaan tavanomaisia liittimiä. COM-nimike esiintyi luultavasti ensimmäisen kerran amerikkalaisen markkinatutkimusyrityksen Venture Development Corporation julkaisussa vuodelta 2001. COM-nimike tuli yleiseen käyttöön, kun COM Express-standardi julkaistiin vuonna 2005.

Useita COM-standardeja

Samalla COM on myös yleisnimike, joka viittaa useisiin teollisuusstandardeihin ja niitä ylläpitäviin organisaatioihin. COM Express-standardia ylläpitää amerikkalainen PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG), jonka muita standardeja ovat CompactPCI sekä joukko vähemmän yleisiä standardeja.

Muita COM-tyyppisiä standardeja ovat SMARC (Smart Mobility ARChitecture)  ja Qseven, joiden standardoinnista vastaa saksalainen Standardization Group for Embedded Technologies (SGET).

COM Express on ylivoimaisesti suosituin noin 67 prosentin markkinaosuudella vuonna 2018. SMARC- ja Qseven-korttien osuus taas oli alle kahdeksan prosenttia samana vuonna.

COM Express-kortit pohjautuvat enimmäkseen Intelin suorittimiin kuten Core, Atom, Celeron ja Pentium sekä AMD:n vastaaviin prosessoreihin, kun taas SMARC- ja Qseven korteissa käytetään enimmäkseen ARM Cortex A-pohjaisia suorittimia.

COM Express-kortin liitin on kaksiosainen, sen sijaan SMARC- ja Qseven-korteissa liitin koostuu reunalla olevista, kullatuista johdinliuskoista samaan tapaan kuin SO-DIMM-muistimoduleissa. Raspberry Pistäkin on tarjolla samantapainen versio Compute Module.

Nykyisten COM-standardien ohella löytyy muutamia vanhempia standardeja, jotka joiden käyttäjämäärä on laskussa. Ne kuitenkin jatkavat elämäänsä niin kauan kuin käyttäjiä, kysyntää ja valmistusta riittää. Näistä esimerkkeinä yli 30 vuoden ikäinen PC/104 sekä noin 20 vuoden ikäinen ETX ja sen kehittyneempi versio XTX, joita voi pitää COM Expressin edeltäjinä.

Useimmat pikkukortit eivät ole COM-kortteja

Nykyään on tarjolla myös kuluttajille ja harrastajille tarkoitettuja yhden prosessorin pikkukortteja, joista tunnetuimmat lienevät Raspberry Pi, Beagleboard ja Arduino. Mainitut kortit muistuttavat käyttötarkoituksiltaan perinteisiä tietokoneen emolevyä, joissa on mahdollisuus laajentaa toimintoja lisäkorteilla. Niitä käytetään nykyisin myös ammattisovelluksiin.

Arduinoissa käytettiin alussa AVR-mikro-ohjaimia, nykyään on siirrytty suurimmaksi osaksi ARM Cortx M-perheen mikro-ohjaimiin.  Kun tarvitaan x86-tyyppisiä suorittimia niin tarjolla on pienikokoisia PC-emolevyjä kuten Pico-ITX () ja Intel NUC (Next Unit of Computing, 120 x 120 mm).

Oikeiden COM-korttien toiminta-ajatus on hieman erilainen kuin emolevytyyppisissä yhden kortin ratkaisuissa. COM-kortit eivät ole sellaisenaan käyttöön valmiita tietokoneita, vaan käyttötarkoituksiltaan kuin komponentteja, siinä missä prosessorit ja muut mikropiirit.

COM-korteista puuttuvat PC-tietokoneista tutut liittimet kuten USB, HDMI, PCI Express, Ethernet, Serial ATA jne. COM-korteissa on vain yksi, monen sadan liitäntänastan liitin. Mainittujen liitäntöjen signaalit ovat kuitenkin käytettävissä kortin moninapaisessa liittimessä.

Idea on että käyttäjä toteuttaa tapauskohtaisen alustalevyn, jossa on liitin COM-korttia varten ja muut tarpeelliset liittimet ym. lisukkeet. Kun tähän kiinnitetään vielä sopiva COM-kortti niin saadaan aikaan jo käyttökelpoinen tietokone. COM-korteissa ei siis ole kyse modulaarisesta korttijärjestelmästä, joista taas Compact PCI ja PC/104 ovat tunnettuja esimerkkejä.

Käyttäjän kannalta COM-korttien etuja on, että yhteensopivia moduuleja voi hankkia usealta valmistajalta ja monenlaisilla suorittimilla varustettuina. Näin on helppo optimoida tuotteeseen parhaiten sopivat suorittimen laskentateho, tehonkulutus ja hinta.

Prosessoriteknologian kehittyessä COM-korttien valmistajat päivittävät tuotteensa eikä soveltajan eli lopputuotteen suunnittelijan tarvitse paneutua asiaan liittyviin kriittisiin ja hankaliin yksityiskohtiin.

COM Express toi vauhtia

Vuonna 2005 julkaistu COM Express-standardi edustaa SMARC- ja Qseven-kortteihin verrattuna COM-korttien suorituskykyisintä reunaa, varsinkin kun huomioidaan viimeisin kehitysaskel COM HPC (High Performance Computing), joka tosin on varsin erilainen ratkaisultaan kuin COM Express.

COM Express-korteille on määritelty neljä kokoa, Extended (110 × 155 mm), Basic (95 × 125 mm), Compact (95 × 95 mm) ja Mini (55 × 84 mm).

Kaikki liitäntäsignaalit kuin myös syöttöjännite ja nolla on viety yhteen tai kahteen kaksiriviseen liittimeen, joissa on 220 liitäntänastaa kahdessa rivissä 0,5 mm jaolla. COM Express Mini-kortilla on vain yksi liitin.

Korttikoon lisäksi COM Express- moduulit luokitellaan myös tyyppeihin, jotka numeroidaan yhdestä seitsemään ja lisäksi myös tyyppi 10. Tyyppinumero kertoo mitä signaaleja liittimessä on käytettävissä.

COM HPC-kortteja tulee ensi vuonna

Kehitteillä pitkään ollut COM HPC on uusi standardi, ei pelkästään COM Express-standardin laajennus, vaikka tiettyjä yhtäläisyyksiä toki on havaittavissa. Esimerkiksi liittimet ovat erilaisia, eikä COM HPC-korttia voi siten liittää COM Express-alustalevylle.

COM HPC-standardi on tarkoitus virallisesti julkaista tämän vuoden toisella neljänneksellä, ja suunnitteluohje vuoden loppuun mennessä. Korttitarjontaa lienee odotettavissa vuonna 2021. Uusia COM HPC-kortteja tulee olemaan kahdenlaisia, joille kummassakin lajissa on määritelty useita korttikokoja.

COM HPC Server-kortit on nimensä mukaisesti tarkoitettu palvelinsovelluksiin, Korttikokoja on kaksi, D (160 x 160 mm) ja E (200 x 160 mm).

COM HPC Client-kortit taas on tarkoitettu yleisiin tietokonesovelluksiin. Korttikokoja on määritelty kolme, A (95 x 120 mm), B (120 x 120 mm) ja C (160 x 120 mm).

Tuleva COM HPC käyttää uusia nelirivisiä, neljäsataanastaisia liittimiä 0,5 mm jaolla.  Kaikissa COM HPC-korteissa on kaksi liitintä, joissa siis on yhteensä 800 sarjamuotoista signaalia sekä syöttöjännite ja maa eli nolla.

COM HPC Client-kortit on suunniteltu enintään 65 watin lämpökuorman omaaville suorittimille, kun taas Server-korteissa voi käyttää 125 watin häviötehon omaavia suorittimia.

Tehokkaat suorittimet tarvitsevat paljon RAM-muistia, joten COM HPC-korteilla on liittimet DDR-muistikammoille.  Client-korteilla voi olla yhdestä neljään SO-DIMM-tyyppistä kampaa ja Server-korteilla jopa kahdeksan suurempaa, PC-emolevyillä käytettyä DIMM-muistikampaa.  Näin COM HPC-kortille voi kalustaa jopa yhden teratavun verran RAM-muistia.

Artikkelin kirjoittaja Krister Wikström  on  kokenut  elektroniikkasuunnittelija, joka on erikoistunut sulautettuihin  järjestelmiin,  anturiverkkoihin ja teollisen internetin sovelluksiin. Hän on aktiivinen kirjoittaja ja kouluttaja.

Embedded COMs

COMs are embedded computers built on a single circuit board with a microprocessor, RAM memory, input/output controllers and all other features needed to be a functional computer on the one board. However, unlike a single-board computer, the COM usually lacks the standard connectors for any input/output peripherals.

A COM is in fact rather similar to a macrocomponent, a system-on-module or SOM.  The COM module usually needs to be mounted on a carrier board (or ”baseboard”) which breaks the signals out to standard peripheral connectors such as USB, HDMI and Ethernet.

Benefits of using COM products instead of ground-up development include reduced time to market, cost savings, choice of a variety of CPUs, reduced requirements and time for customer design, and the ability to conduct both hardware and software development simultaneously.

Uusiteknologia 1/2020 –linkkipankkiosioon on koottu suorat linkit artikkelissa mainittujen korttiorganisaatioiden ja valmistajien nettisivuille. Mukana on linkit myös tulevaan COM HPC:n sekä kirjoittajan aiempiin Arduino- ja Raspberry-korttijuttuihin Uusiteknologia-lehdissä.