Progettazione e migrazione sempre più semplici

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 21 febbraio 2011

I processori Intel Core di seconda generazione i3/i5/i7 ad alto grado di integrazione saranno disponibili sulle schede embedded conformi ai più diffusi fattori di forma, da quelli più ridotti a quelli in grado di garantire le prestazioni più spinte. A questo punto è utile chiedersi quali criteri di scelta adottare in presenza di schede comparabili tra i loro proposte da costruttori differenti. Kontron, ad esempio, è in grado di fornire un notevole valore aggiunto con il proprio middleware cross platform Kontron EAPI (Embedded Application Programming Interface) che unifica l’accesso alle risorse hardware e agli I/O presenti a bordo per tutti i sistemi e le schede di prossima introduzione. In questo modo le fasi di progettazione e migrazione risultano notevolmente semplificate. In altre parole, sempre più il software farà la differenza.

La famiglia di processori Intel Core di seconda generazione assicura sensibili miglioramenti in termini di potenza di elaborazione, prestazioni grafiche e dissipazione di potenza. Gli ingombri ridotti e la possibilità di diminuire ulteriormente i consumi fanno di questa serie la vera alternativa di progetto rispetto a quasi tutte le piattaforme esistenti in architettura x86, ad eccezione dei processori di classe Atom. Di seguito vengono esaminate le caratteristiche salienti che fanno di questi nuovi processori Intel i candidati ideali per lo sviluppo di nuovi progetti.

Nuova architettura di processore
La linea di processori Core di seconda generazione è basata su una nuova microarchitettura “palesemente intelligente” che prevede il nuovo zoccolo LGA-1155 e integra un numero sensibilmente maggiore di funzionalità. Oltre a includere un controllore di memoria con supporto ECC) e canali PCIe (5 GTps), questi processori abbinano sul medesimo chip un’unità grafica dalle prestazioni particolarmente spinte. Ciò significa che anche la GPU è stata realizzata utilizzando la tecnologia di processo a 32 nm, fatto questo che conferisce una maggiore efficienza energetica.

Oltre a ciò, la velocità di clock è variabile, in modo da ottimizzare ulteriormente i consumi. La nuova architettura ad anello (ring) contenente i core dell’unità grafica e del processore permette la condivisione delle risorse – come ad esempio la cache o la memoria – in maniera molto efficiente. Gli sviluppatori di applicazioni potranno trarre notevoli benefici dalla maggior potenza di calcolo e dal miglioramento delle prestazioni grafiche, senza tuttavia penalizzare i consumi.

Elevato grado di integrazione
La riduzione degli ingombri (footprint) dei processori in misura pari al 22% rispetto a quelli della precedente generazione assicura un livello di integrazione più spinto. Ciò fa dei processori di nuova generazione di Intel la scelta ideale per la realizzazione di progetti che prevedono l’uso di schede di piccolo formato che potranno avvantaggiarsi delle prestazioni quad-core. In ogni caso, grazie all’elevato grado di scalabilità in termini di potenza di elaborazione, funzionalità e consumi, la famiglia di processori Intel Core di seconda generazione può essere utilizzata non solo in applicazioni mobili e compatte, ma anche per lo sviluppo di tutta la gamma di applicazioni embedded, fino ad arrivare a quelle di tipo HPEC (High performance Embedded Computing) che prevedono fino a quattro core principali (mainstream).

Le altre migliorie
Nel caso di applicazioni che consumano una notevole potenza, i nuovi processori possono sfruttare la tecnologia Turbo Boost messa a punto da Intel. Grazie ad essa è possibile distribuire automaticamente le risorse dei core del processore e della sezione grafica per accelerare le prestazioni, ottimizzando il carico di lavoro per garantire agli utenti un incremento immediato di prestazioni delle loro applicazioni quando e dove serve. Un’altra innovazione è rappresentata dal miglioramento del set di istruzioni a 256 bit, che va sotto il nome di Advanced Vector Extensions (AVX).

Essa garantisce maggiori prestazioni, mette a disposizione più funzionalità e consente di gestire, riordinare e classificare i dati in modo ottimale. Questo nuovo set di istruzioni permette di effettuare più velocemente le operazioni in virgola mobile richieste in applicazioni che prevedono l’esecuzione rapida di grandi quantità di calcoli matematici (number cruncher) o l’elaborazione digitale di immagini, video e dati audio.

Gestione di enormi quantità di dati
L’insieme di queste nuove caratteristiche rende le piattaforme embedded equipaggiate con la seconda generazione di processori Core di Intel la soluzione ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono l’elaborazione di una grandissima quantità di dati nel rispetto dei vincoli di natura termica. La prima area che trarrà beneficio da questi miglioramenti – come ad esempio la tecnologia AVX e le maggiori prestazioni grafiche – sarà quella della situational awareness (diffusione della conoscenza della situazione operativa) e di applicazioni quali sistemi radar, sonar, elaborazione dell’immagine, video sorveglianza con riconoscimento e diagnostica computerizzata (CAD – Computer Aided Diagnostics).

La disponibilità del nuovo core grafico permette alle piattaforme embedded di controllare tre display indipendentemente gli uni dagli altri. Grazie alle nuove interfacce video digitali come Displayport, che consente l’utilizzo di cavi di lunghezza fino a 100 metri senza bisogno di ripetitori, è possibile decentrare le unità di visualizzazione, consentendo lo sviluppo di un’architettura di elaborazione centralizzata in cui sono presenti differenti interfacce HMI (Human Machine Interface). Questa è la seconda importante area applicativa, dove server industriali possono essere impiegati unitamente a client che richiedono solamente una tastiera, un’unità di visualizzazione e un mouse (KVM): una configurazione di questo tipo permette di ridurre sensibilmente i costi di installazione e di manutenzione, con tutti i vantaggi che ciò comporta.
Il principale vantaggio, in ogni caso, è rappresentato dal notevole incremento delle prestazioni grafiche delle schede.

Piattaforme per tutte le applicazioni
In virtù delle loro caratteristiche, i processori Intel Core di seconda generazione i3/i5/i7 si propongono come i sostituti ideali di molte delle piattaforme esistenti per lo sviluppo di nuovi progetti. Poiché l’introduzione di questi processori rappresenta una pietra miliare nel campo delle tecnologie di elaborazione embedded, Kontron è attivamente impegnata nella realizzazione di piattaforme equipaggiate con questi processori nei fattori di forma standard – dai Computer-on-Module agli SBC, alle schede madri per arrivare ai sistemi VPX e CompactPCI ad alte prestazioni.

Fig. 1 –ETXexpress-SC è il primo Computer-on-module nel formato base previsto da COM Express equipaggiato con processore quad-core Intel Core i7 2715QE, Intel Mobile QM67 I/O Hub e dotato di interfacce USB 3.0

Il primo prodotto di Kontron che sarà dotato di processori di questa nuova linea è ETXexpress-SC, un Computer-on-module in formato base conforme alle specifiche COM Express. Nel primo trimestre dell’anno la società ha pianificato l’introduzione di schede madre mini-ITX, Flex-ATX e di un blade CompactPCI in formato 6U. Tra le altre piattaforme che verranno rese disponibili successivamente si possono segnalare schede madri CompactPCI e VPX (tutte in formato 3U), AdvancedMC, PCIe/104 e ATX, oltre a numerosi PC industriali destinati ai mercati quali quelli dell’automazione e dei trasporti.

Una sola API embedded per tutte le future piattaforme
Poiché questi processori di nuova generazione saran
no disponibili su un numero sempre maggiore di schede, sistemi e piattaforme, gli OEM devono affrontare le problematiche legate all’implementazione di questa tecnologia allo stato dell’arte nelle nuove applicazioni o in quelle già esistenti, comprese quelle inerenti la validazione e la verifica delle funzionalità dell’applicazione e l’accesso alle risorse hardware e agli I/O.

Al fine di ridurre gli oneri legati alle attività di ricerca e sviluppo, i costi e il time to market, gli OEM sono alla ricerca di modalità che permettano loro di semplificare al massimo le attività di sviluppo iniziale e migrazione. Una possibilità è rappresentata dall’uso dei servizi di migrazione offerti dai costruttori dei sistemi hardware. Questi risultano ancora più conveniente ed economici nel caso in cui il costruttore sia in grado di fornire servizi per piattaforme con interfacce software standardizzate e unificate verso l’hardware, come EAPI di PICMG o IPMI: in questo caso infatti non è necessario apportare significative modifiche all’accesso alle funzionalità hardware. Non bisogna dimenticare che interfacce di questo tipo sono però limitate ad alcune funzionalità e a fattori di forma dedicati.

Vi sono parecchi altri aspetti che potrebbero essere ulteriormente standardizzate per rendere ancora più convenienti, economici ed efficienti i servizi di migrazione. Per questo motivo nel novembre del 2010 Kontron ha introdotto la propria EAPI (Embedded Application Programming Interface), un middleware cross-platform completamente indipendente dai fattori di forma e dai sistemi operativi. Conforme all’EAPI di PICMG, come definito nelle più recenti specifiche COM Express, COM 2.0 rev. 2, Kontron EAPI, oltre a essere indipendente dai fattori di forma e dai sistemi operativi, può vantare un insieme esteso di caratteristiche.

Esso infatti prevede chiamate di funzioni aggiuntive che relative ad esempio a informazioni di base del sistema (CPU, memoria, HDD, batteria), monitoraggio di temperatura e tensione, controllo termico e delle prestazioni della CPU. Queste interfacce software verso l’hardware possono essere collegate senza problemi a qualsiasi linguaggio di programmazione ad alto livello come C++ o Java. Tutto ciò contribuisce a semplificare notevolmente lo sviluppo del software e delle applicazioni. Senza dimenticare che gli utilizzatori possono sfruttare le competenze acquisite nella creazione della soluzione anche nel momento in cui decidono di migrare su un’altra piattaforma Kontron.

Fig. 2 – Con il nuovo middleware cross platform Kontron EAPI (Embedded Application Programming Interface) la società ha standardizzato l’accesso e il controllo delle risorse hardware per tutte le sue nuove piattaforme di elaborazione embedded

Oltre a ottimizzare il time to market, questo approccio permette di ridurre la quantità di lavoro necessario per le operazioni di validazione e di verifica. Questa EAPI unificata consente l’espletamento di funzioni di controllo e di monitoraggio remote, il che si traduce in un miglioramento del servizio, una maggiore semplicità di manutenzione e una riduzione del costo totale di possesso (TCO).
Gli OEM possono anche sfruttare l’interfaccia standardizzata per offrire ai loro clienti servizi a valore aggiunto, come ad esempio aggiornamenti software, monitoraggio remoto dell’hardware e piani di assistenza avanzati.

La disponibilità di un’interfaccia uniforme contribuirà a ridurre i costi di ricerca e sviluppo e semplificare la migrazione. Ora risulta possibile iniziare la validazione utilizzando per esempio un modulo COM e una scheda carrier e quindi effettuare l’implementazione effettiva mediante una scheda madre o un modulo VPX. In questo modo i clienti possono sfruttare al meglio le potenzialità delle nuove tecnologie implementate sui più diffusi fattori di forma nel momento in cui i nuovi processori vengono introdotti sul mercato. Senza dimenticare che la maggior semplicità di migrazione si traduce in ulteriori risparmi in termini di tempo.

Per gli sviluppatori software ciò rappresenta l’inizio di una nuova era, anche grazie all’implementazione del middleware cross platform KEAPI di Kontron. Una volta che gli sviluppatori hanno implementato la nuova interfaccia, ogni successiva migrazione risulterà più semplice. Oltre a ciò, è possibile accedere alle funzioni hardware a un livello di astrazione più elevato, il che contribuisce a diminuire la quantità di lavoro richiesto per lo sviluppo, compreso il tempo e le risorse necessarie per dare avvio a un nuovo progetto.

Le specifiche Kontron EAPI 1.0 sono state implementate su tutti i nuovi moduli standard della società. Anche se in futuro sono previsti ulteriori miglioramenti, le nuove revisioni saranno compatibili con le attuali specifiche. Ciò semplifica la gestione del ciclo di vita e permette di aumentare considerevolmente la disponibilità sul lungo termine di qualsiasi applicazione già sviluppata, indipendentemente dai fattori di forma e dalle specifiche generazioni di processori.

Servizi di progettazione custom a 360°
Oltre a fornire la tecnologia di elaborazione embedded su fattori di forma standard, Kontron mette a disposizione servizi di progettazione custom per le piattaforme basate sui nuovi processori. Questi servizi coprono l’intero ciclo di realizzazione: dalla personalizzazione delle schede sulla base delle specifiche fornite dall’OEM – mediante l’eliminazione o l’aggiunta di nuove funzionalità alle schede standard – per arrivare alla realizzazione e produzione di schede, sistemi e piattaforme dotate di tutte le certificazioni richieste e pronte per l’implementazione delle applicazioni. I 20 canali PCIe disponibili nei processori Intel Core di seconda generazione sono ideali per la realizzazione dei cosiddetti “macinatori di numeri” embedded con DSP simulati mediante FPGA.

Tutte le possibili implementazioni con FPGA possono essere collaudate e validate contemporaneamente al lancio di un nuovo processore utilizzando lo starter kit COM Express FPGA. Esso dispone di due interfacce HSMC pilotate dall’FPGA Cyclone IV GX di Altera e supporta il modulo COM Express ETXexpress-SC di Kontron.

Servizi di migrazione software
Il Global Software Design Center di Kontron mette a disposizione il servizio di migrazione delle applicazioni su una delle nuove piattaforme EAPI della società. Rispetto alle migrazioni di tipo tradizionale,è lecito supporre che gli sviluppatori software potranno eliminare una grande quantità di codice binario che dovrebbe essere scritto dagli ingegneri software degli OEM per accedere alle funzionalità hardware.

Complessivamente, l’intero costo di ricerca e sviluppo sarà ridotto a partire dal primo progetto che utilizza una nuova scheda sulla quale è implementato Kontron EAPI. Gli ingegneri software degli OEM possono lavorare in parallelo sulle specifiche di una nuova applicazione per migliorare la funzionalità complessiva e ottimizzare di conseguenza le prestazioni del progetto. Per i futuri aggiornamenti della piattaforma hardware essi non devono più ricorrere in larga misura ai servizi di migrazione in quanto possono utilizzare le piattaforme di nuova generazione dotate del middleware Kontron EAPI come piattaforme già pronte all’uso (install&run) senza dover effettuare nessun aggiustamento del codice – eseguiti utilizzando interfacce con funzioni perfettamente identiche per accedere alle funzionalità hardware e agli I/O.

Essi sono indipendenti dai fattori di forma. Di conseguenza la divisione dei compiti tra il dipartimento software degli OEM e i costruttori di hardware diviene più trasparente e ben delineata. Anche se questa standardizzazione non risulti in gr
ado di soddisfare qualche requisito specifico, è lecito aspettarsi l’instaurarsi di una nuova forma di collaborazione tra i costruttori di hardware e i dipartimenti di sviluppo software degli OEM basata su canali di comunicazione sempre più standardizzati verso la componente hardware.

Norbert Hauser, vice president marketing, Kontron



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