计算机模块标准--变化中保持稳定

今天的计算机模块市场方兴未艾。搭载SMARC2.1的低功耗模块规格的新版本现已面世，而即将推出的高端嵌入式计算标准COM-HPC也提出了许多新的问题。OEM和系统设计人员需要知道什么呢？

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计算机模块标准具备开放且制造商独立的特点能确保应用方案维持几十年的生命周期。OEM现在仍然可以购买新的ETX模块，尽管这种外形尺寸完全基于传统总线。得益于向后兼容性，基于PCIe的标准将使用更长的时间。

根据IHSMarkit的市场数据，计算机模块是最广泛使用的嵌入式设计原则，领先于Mini-ITX或3.5英寸单板计算机等经典嵌入式板。这类嵌入式系统设计之所以广受欢迎，是因为它们成功地结合了客户定制的灵活载板设计与包括所有必要的驱动和固件在内的即用、易于集成的模块。这些超级组件包括所有关键的构建模块，如CPU、RAM、高速接口，通常还包括单个功能验证包中的图形单元。

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计算机模块是嵌入式系统开发的首选，并超越了经典的板式解决方案。

另一个优点是，相同标准的计算机模块可以在不同代的处理器之间和制造商之间自由互换，即使在几年后，OEM也能使用最新的处理器技术对其解决方案进行灵活扩展和升级。这也有助于实施多厂商战略，从而提供价格优势，最重要的是，保证了可用性。两个独立的委员会（美国的PICMG和德国的SGET）负责模块标准化，它们目前总共维护着四个计算机模块标准，其中大多数都提供了许多变体。这些标准分别是针对高端领域的COM-HPC和COM Express，以及针对低功耗领域的SMARC和Qseven

COM-HPC 新的高性能基础

COM-HPC是PICMG最新的计算机模块标准，即将获得正式批准。顾名思义，COM-HPC是针对高性能嵌入式计算机设计的，其性能优于世界领先的COM Express标准。COM-HPC的目标是新的高速接口，如PCI Express 4.0和5.0，以及25 Gbit以太网。为此，它提供两种不同的模块版本：COM-HPC服务器和COM-HPC客户端，由COM-HPC小组委员会在来自康佳特的主席Christian Eder的带领下开发。它们的主要技术差异在于尺寸大小、支持的接口数量和类型，以及内存容量。

COM-HPC服务器模块

COM-HPC服务器定义了超高端嵌入式计算，是能够在恶劣环境下运行的新型边缘和雾服务器，这类服务器必须管理越来越多的大规模工作负载。为此，COM-HPC服务器指定了两种占用大小，最多64条PCIe通道，最多256Gbyte/s，以及最多8X以太网，每条25Gbit/s。不同于其他服务器，COM-HPC服务器不局限于x86技术，还允许使用RISC处理器、FPGA和GPGU——这增加了新的模块化视角。为满足服务器应用的要求，模块还提供了主从模式和远程管理。由于使用了强大的IPMI标准的指令集，因此成熟的服务器技术也可用于模块化服务器。由于COM-HPC服务器模块提供高达300瓦的功率预算，该标准适用于超高性能嵌入式边缘服务器和雾服务器的开发。与之相比，当今最强大的COM Express Type 7模块化服务器最高支持100瓦。另一个显著差异在于信号引脚的数量：COM Express连接器有440个引脚，而COM-HPC提供的引脚几乎是它的两倍，有800个。

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COM-HPC服务器模块的主要特征：大量的高速接口，出色的网络带宽和无头(headless)服务器性能。

COM-HPC客户端模块

COM-HPC客户端模块为集成图形的高性能嵌入式系统而设计。它们通过3个数字显示接口(DDI)和1个嵌入式显示端口(eDP)提供四种图形输出，最多承载四个SO-DIMM插槽，可容纳128GByte的RAM。外设连接方面，有48条可用的PCIe通道和2个USB 4.0；嵌入式摄像头模块也可通过两个MIPI-CSI接口直接连接。COM-HPC客户端模块有三种规格：120mmx160mm(尺寸C)、120 mmx120 mm (尺寸B）和120mm x 95mm (尺寸A）。

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COM-HPC客户端和COM Express Type6 接口主要在PCIe通道的数量和带宽、以太网接口和USB端口以及扩展的远程管理支持等方面存在差异。

COM Express 全球最成功的模块标准

这意味着最小的COM-HPC客户端尺寸几乎与COM Express Basic(125 mm x 95 mm)相同。这说明了COM-HPC客户端比COM Express规格更丰富，其目标应用是COM Express无法实现的。COM Express于2005年推出，在这里介绍的计算机模块标准中，它的使用时间最长。该规格定义了一系列不同的规格尺寸和引脚类型。与COM-HPC和小尺寸(SFF)模块规格Qseven和SMARC不同，COM Express只专注于x86处理器技术。

COM Express Type7 服务器模块

与COM-HPC一样，COM Express也提供服务器和客户端模块, 主要为Type6(客户端）和Type7(服务器）规格尺寸。与COM-HPC一样,Type7服务器引脚排列是无头(headless)服务器模块，没有图形输出，同样是为嵌入式边缘服务器和雾服务器设计。值得注意的是，它支持高达4x10 GbE和32条高速PCIe Gen 3.0通道，用于接口和存储介质。这些服务器模块搭载英特尔®至强®D处理器或AMD EPYC嵌入式3000处理器。对于Type7服务器模块，康佳特还提供具备应用就绪散热系统的100瓦生态系统，以简化最强大的COM Express服务器模块的设计。

COM Express Type6 模块化计算机

对于典型的图形嵌入式应用，PICMG COM Express Type6 模块是理想选择，搭载英特尔®酷睿™、奔腾®和赛扬®、以及AMD嵌入式R系列等嵌入式处理器，尺寸包括95mmx125mm(Basic)和95mmx95mm(Compact), 具备440个引脚，用于各种现代计算机接口，它们支持多达四个独立显示器、24条PCIe通道、USB2.0和USB3.0以及以太网、CAN总线和串行接口，涵盖在控制室中构建强大的PLC、HMI、车间系统或SCADA工作站所需的一切。其他应用领域包括高端数字标牌系统和用于诊断成像的高性能医疗设备。

COM Express Type10 迷你模块

COM Express的最小规格尺寸--COM Express Mini, 尺寸为55mm x 84 mm，采用PICMG Type10引脚，是用于SFF设计的COM Express新规格。这些模块为低功耗英特尔®凌动™和赛扬®处理器设计。由于在整个PICMG COM Express生态系统中使用了相同的连接器技术和设计指南，开发人员能够重用大量功能，这是该迷你规格的主要优点。然而，SGET标准SMARC和Qseven的建立和使用更为广泛；这两种标准都支持x86和ARM应用程序处理器。

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Qseven与SMARC2.1的主要区别在于接口数量，这将应用领域划分为Qseven深度嵌入式应用和SMARC 2.0更注重视觉的设计。

适用于深度嵌入式设计的Qseven

除尺寸 (Qseven: 70 mm x70 mm; SMARC: 82 mm x 50 mm)外，Qseven与SMARC还有其他显著差异：就连接器而言，Qseven提供230个引脚，SMARC提供314个引脚。因此，Qseven针对的是深度嵌入式工业设计，如物联网网关、成本优化的HMI和零售系统中的设计。对于这类应用, Qseven提供优化的工业外设支持，最多支持2个USB 3.0、8个USB2.0和高达4个串行接口或CAN总线。此外，通过扁平箔连接器可连接最多两台MIPI-CSI摄像机。

Qseven还提供一个千兆以太网端口，用于互联网连接，并且最多支持三个独立显示器。康佳特目前的Qseven模块既可以采用英特尔Atom (Apollo Lake和 Elkhart Lake)处理器的x86版本，也可以采用新的i.MX 8和i.MX 8X处理器的ARM平台。

面向嵌入式视觉的SMARC

SMARC针对高端SFF应用。该标准最近进行了一次重大更新，新的2.1版本增加了众多新功能，例如SerDes对扩展边缘连接的支持，以及模块上的两个额外接口，可用于连接总共4个MIPI-CSI摄像头，以满足日益增长的嵌入式计算和嵌入式视觉融合的需求。这些新功能与Rev.2.0向后兼容，并且对Rev.2.0的所有扩展都是可选的，因此所有康佳特 SMARC 2.0模块都自动与SMARC 2.1兼容。

除了连接器上的两个MIPI接口之外，另一个显著的功能是，SMARC直接在模块上支持WLAN、蓝牙等无线接口。SMARC模块的理想处理器是第五代英特尔Atom和x6000E系列处理器或新型i.MX 8应用处理器，康佳特提供多款基于这些处理器的的SMARC计算机模块产品。

从基于模块的设计到标准板

但计算机模块并不总是针对定制化设计。它们还可用来灵活地扩展标准板，康佳特新的3.5英寸S单板就是最好的证明。它提供一个SMARC插槽，填补了基于模块的设计与标准化嵌入板之间的差距。该产品针对康佳特基于恩智浦(NXP) i.MX 8的全系列模块进行了优化。考虑到ARM处理器领域的传统特点是专利设计，这款3.5英寸载板的设计可谓是向商用现货（COTS）标准载板及系统跨出的一大步，助力产品快速上市。

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SMARC 2.1载板和可扩展3.5英寸单板计算机：conga-SMC1弥补了基于模块的设计与可高度扩展的商用现成标准板之间的差距。

此外，两个集成的MIPI-CSI 2.0 连接器使OEM厂商在开发嵌入式视觉应用是更加容易，因为他们现在可以直接连接MIPI摄像头，而不需要额外的开发板。OEM厂商可获益的的另一个超便利优势是，他们可以将该板用作即插即用解决方案平台，其中包括Basler等嵌入式视觉合作伙伴的摄像头技术。这是因为该板还集成了boot loader、OS，以及匹配的BSP和处理器优化的Basler嵌入式视觉软件。

康佳特官网: www.congatec.cn

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