Massimizzare le più recenti tecnologie del processore ARM in ambienti embedded IoT ed Edge

Questi sono tempi entusiasmanti e impegnativi per gli sviluppatori embedded. Dopotutto, l'Internet of Things (IoT) e la sua controparte industriale, l'IIoT, sono spesso degli spazi applicativi eccezionalmente difficili da progettare. Gli sviluppatori devono gestire le richieste dei clienti, dell'amministrazione e del mercato, non solo sul prezzo, ma anche sulle prestazioni e sulla funzionalità. Allo stesso tempo, per garantire una bassa latenza e una maggiore funzionalità per l'utente, server e dispositivi devono essere sempre più vicini alla fabbrica o sul campo piuttosto che in server farm remote.

Introduzione

Fortunatamente, l'emergere di nuove generazioni di processori combinati con Computer-on-Modules (COMS) standardizzati e SBC (Single Board Computers), oltre a tecnologie di elaborazione Edge e Fog e middleware, offre ai progettisti e agli integratori di sistemi livelli crescenti di prestazioni di elaborazione e scalabilità, e la flessibilità per controllare, calcolare e connettere più applicazioni.

Quando si considera come integrare e sfruttare il potenziale delle ultime offerte di processori NXP nelle applicazioni ARM mobile, IoT e edge IIoT, scalabili e standardizzati COM e SBC con fattore di forma in miniatura possono offrire agli sviluppatori un minore rischio e un vantaggio in termini di costi, nonché tempi più rapidi per arrivare sul mercato, rispetto a costruire sistemi da zero. Per COM, la scelta verrà effettivamente applicata a Qseven o SMARC poiché COM Express Mini è basato solo su x86. Tuttavia, gli ultimi SBC PITX di livello industriale presentano agli sviluppatori ulteriori opzioni e, chiaramente, ci sono altre alternative all'utilizzo di COM o SBC ARM basati su processore NXP (il Raspberry Pi basato su Broadcom rappresenta un buon esempio).

Per necessità, tutti questi non sono solo molto piccoli, sottili e leggeri, ma anche robusti. Ciò è dovuto ai requisiti dei dispositivi mobili e all'impatto crescente dell'Internet of Things (IoT) in cui le applicazioni di calcolo basate su Edge e Fog sono spesso dipendenti da dispositivi e sensori che sono profondamente integrati in ambienti remoti, difficili e con spazi ristretti. Allo stesso tempo, consentono spazio sufficiente per ospitare i processori e la memoria richiesti offrendo contemporaneamente opzioni di interfaccia multiple per periferiche, connettività, grafica, videocamera, audio e altro.

COM e SBC sfruttano gli sviluppi del processore i.MX NXP

Dando uno sguardo più da vicino alle tecnologie i.MX di NXP, sono successe molte cose da quando NXP ha preso Freescale sotto la sua ala, completando la fusione nel 2015. Ora offre al tradizionale mercato degli sviluppatori embedded alcune serie alternative. Il portafoglio i.MX si è ampliato fino a otto famiglie, con i dispositivi più recenti dotati di core ARM avanzati e realizzati con processi all'avanguardia. In questo modo, la gamma si è evoluta per utilizzare i core Cortex-A8, A9, A35 e A53, apportando i vantaggi dell'architettura a 64 bit di ARM.

In particolare, la famiglia di processori per applicazioni generiche IMX.6 ha tracciato un solco negli ultimi cinque anni, vendendo  volumi crescenti. Forse non è così sorprendente poichè l'i.MX 6 è stato il primo processore i.MX a disporre di singole parti Cortex-A7 oltre a varianti Cortex-A9 single, dual e quad. La gamma è stata anche la prima a presentare il core Cortex-M4 per operazioni in tempo reale. Successivamente tutti i componenti i.MX hanno seguito l'esempio con domini in tempo reale.

Questa famiglia di processori è ancora richiesta e rimane un tuttofare, adatta a molte applicazioni di elaborazione embedded da e-reader e termostati intelligenti a sistemi per punti vendita e controlli di costruzione. Kontron offre il modulo SMARC-sAMX6i con processori NXP i.MX6 single, dual o quad core per coprire un'ampia gamma di prestazioni. È basato sulla tecnologia ARM Cortex A9, che consente uno sviluppo efficiente di dispositivi intelligenti in un design estremamente compatto, senza ventole, con processore bilanciato e prestazioni grafiche.

Tuttavia, sfruttando ulteriormente i processori Cortex-A7 e Cortex-M4, la gamma i.MX7 è stata lanciata nel 2017. Si concentra sull'ottimizzazione dei dispositivi embedded a batteria con consumi ultra bassi per applicazioni come i dispositivi indossabili e quelli trovati nell'automotive, aree di applicazione industriale e IoT. Questa famiglia di processori consente un controllo maggiormente indipendente e domini di alimentazione flessibili, consentendo, ad esempio, l'avvio di sistemi in modi diversi. Durante lo standby o quando sono richieste prestazioni da basse a moderate, è possibile spegnere il core A7.

Kontron è stato il primo produttore a offrire soluzioni COM basate su i.MX7 NXP, con entrambe le versioni SMARC e Qseven disponibili. Nel complesso, i processori i.MX7 sono più efficienti in termini di costi e offrono una migliore efficienza energetica rispetto a i.MX6 e diventeranno sempre più la scelta naturale, soprattutto per smartphone e tablet, nonché per i dispositivi di routing e gateway integrati ora richiesti nell'edge IIoT in ambienti industriali.

In effetti, la gamma di processori i.MX8X, introdotta da NXP contemporaneamente all'i.MX7, è un'evoluzione dell'i.MX6, che offre maggiori prestazioni. Ancora una volta, Kontron supporta l'i.MX8X con il suo nuovo modulo SMARC-sAM8X e anche l'opzione COM di Qseven sarà disponibile a breve.

La famiglia di processori i.MX8 offre elementi con un massimo di quattro core Cortex-A53 e A35 e un core Cortex-M4, oltre a motori grafici e  accelerazione grafica hardware. Capace di pilotare fino a tre display contemporaneamente, la serie i.MX8X offre agli utenti potenza e prestazioni scalabili oltre al riutilizzo del software. Inoltre, elevate opzioni di interfaccia ad alta velocità consentono una più ampia connettività di sistema. Tra gli altri, questa gamma di processori sarà sempre più impiegata in applicazioni di controllo industriale e di robotica e per progetti grafici avanzati come HMI, imaging, visione artificiale, audio, voce e sistemi indispensabili per la sicurezza.

Vale anche la pena qui sottolineare che l'i.MX8 Quad Max promette agli sviluppatori ARM prestazioni di elaborazione paragonabili a quelle di Intel Atom, ma consumando molta meno energia. Con potenti funzionalità grafiche, offre un'alternativa reale per applicazioni ad alta intensità grafica come HMI, segnaletica in tempo reale, infotainment e diagnostica per immagini in cui la bassa potenza e le alte prestazioni sono la priorità. Un altro contendente meritevole di considerazione è l'opzione di processore TI Sitara AM6x ma la scalabilità degli SKU con lo stesso pinning non è così ampia rispetto a NXP. Quest'ultimo rende quindi più semplice scalare diversi SKU della CPU su un PCB.

Ancora una volta, invece di utilizzare un processore Intel Atom o i.MX8 su COM, un SBC integrato come il Raspberry Pi o la nuova soluzione di Kontron PITX con piccolo fattore di forma, hanno molto da offrire. PITX-iMX8M di Kontron (figura 1) non offre solo due interfacce Gbit, ma offre anche potenti funzionalità grafiche utilizzando il processore multi-core CortexA53 ARM iMX8M (Mini) lanciato da NXP all'inizio di quest'anno. Raspberry Pi consente la realizzazione di un singolo prototipo molto rapidamente e ha un sacco di software disponibile ma non è comprovato come piattaforma industriale. Tuttavia, come per tutte le gamme COM standardizzate di Kontron, sono disponibili schede di valutazione.

Figura 1: La scheda madre pITX-iMX8M di Kontron è dotata di CPU dual o quad core NXP basate sull'architettura Arm Cortex-A53 fino a 1,5 GHz. Il coprocessore Cortex M4 e la risoluzione UltraHD 4K completa rendono la scheda la base perfetta per applicazioni sofisticate. Offre connettività avanzata tramite due interfacce Gigabit Ethernet e prestazioni grafiche superiori.

Kontron ha anche lanciato un modulo SMARC Cortex A-72 dual core a basso consumo utilizzando il processore Layerscape NXP LS1028. Sarà particolarmente adatto alle applicazioni in tempo reale che richiedono più connettività Ehernet (figura 2). Da notare, una linea PCIe che può essere utilizzata come porta QSGMII per pilotare 4 x 1GByte porte Ethernet abilitate TSN. Come tutti i moduli e le schede COM di Kontron, questo prodotto presenta APPROTECT, una struttura di sicurezza completa e multipiattaforma.

Figura 2: Il KBox A-230-LS di Kontron è equipaggiato con un modulo SMARC basato sul processore NXP Dual Cortex A72 LS1028. Il modulo SMARC-sAL28 offre fino a cinque porte Ethernet 1GB integrate abilitate per TSN direttamente dal controller e soddisfa le specifiche dello standard TSNE IEEE 802.1, rendendo KBox A-230-LS ideale per l'utilizzo in ambienti IoT industriali basati su protocollo Ethernet standard.

Bisogno di middleware

Kontron, tra gli altri, riconosce che nel mondo IoT iper-connesso di oggi, gli sviluppatori hanno bisogno di soluzioni per semplificare il provisioning di risorse informatiche sicure a bassa latenza ai margini delle reti.

Con questo in mente, il suo nuovo middleware SUSiEtec è progettato per implementare, gestire e aggiornare da remoto dispositivi di edge computing, collegare nodi edge, sensori e altri dispositivi IoT ai framework cloud e automatizzare il provisioning di software e aggiornamenti alle apparecchiature embedded remote. La piattaforma crea efficacemente una fusione tra tecnologia informatica, fabbrica e IT aziendale, ed è adattata individualmente all'applicazione specifica al fine di raccogliere e analizzare i dati critici di controllo e dei sensori sul sito. Per facilitare ciò, Kontron offre pacchetti completi di supporto per schede su vari software operativi, tra cui Yocto Linux e Android.

In sintesi, non sarebbe esagerato affermare che non c'è mai stato un momento migliore per progettisti e sviluppatori embedded. Ora hanno una vasta scelta di processori x86 e ARM tra cui scegliere in base ai loro specifici requisiti di prestazioni, alimentazione, connettività e  prezzo. Allo stesso tempo hanno sperimentato piattaforme embedded COM scalabili  e schede integrate per sviluppare e gli strumenti software necessari per soddisfare in modo confidenziale l'enorme e variegata domanda del mercato per applicazioni integrate e mobile IoT - molte delle quali non sarebbero state possibili o addirittura immaginabili alcuni anni fa.

Autore Peter Müller, Director Product Line Boards & Modules di Kontron.

Una risposta

  1. SeggeTauli 25 giugno 2019

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