Die Anforderungen an die Kommunikationsschnittstelle zwischen Mensch und Maschine im industriellen Umfeld sind geprägt von den Möglichkeiten der TV- und PC-Technologien aus dem Consumer-Bereich. Dem Erlebnis abendlichen Fernseh- oder Videovergnügens sollen die professionellen Anzeigesysteme nicht nachstehen, doch sie müssen gleichzeitig die hohen Vorgaben der Industrie in puncto Robustheit und Haltbarkeit erfüllen. Dies gilt vor allem für Anwendungen in der Automatisierungstechnik und Prozessvisualisierung, aber noch mehr in den Bereichen Digital Signage und Point-of-Information. Hochauflösende Full-HD-Visualisierung ist heutzutage Standard und noch höhere Auflösungen wie 4K, also Vierfach-HD, stehen vor der Tür. Deshalb sind industrielle Lösungen gefragt, um diese Anforderungen schnell und einfach in neue Projekte umzusetzen. In der Vergangenheit reichte in vielen Fällen die Auflösung der auf dem Board integrierten Grafik zur Steuerung von Anzeigesystemen aus. Für anspruchsvollere Systeme wurden zusätzlich externe Grafikkarten verwendet. Doch durch das Zusammenschmelzen von CPU und Grafikeinheit auf einem Chip und die fortschreitende Miniaturisierung von einer 3-Chip- zu einer Single-Chip-Lösung, kommen neue Produkte auf dem Markt, die auch für anspruchsvollere Anforderungen ausgelegt sind. Die Entwicklungsrichtung ist klar definiert: höhere Auflösung der Bildschirme und die gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Displays. Der Designzyklus von HMI-Systemen lässt sich durch den Einsatz eines leistungsfähigen Prozessormodul optimieren, das alle Standard-PC-Funktionen integriert. Das Computer-On-Module (COM) wird einfach über einen gängigen Standardsteckverbinder auf ein Baseboard gesteckt, auf dem alle anwendungsspezifischen Funktionen realisiert sind. Die in der Bauform standardisierten Embedded-Module sind in unterschiedlichen Varianten mit verschiedenen Prozessoren erhältlich. Für High-End-Plattformen bietet sich der etablierte COM-Express-Formfaktor des PICMG-Konsortiums an.
Vielzahl von Schnittstellen
Waren bei den ersten Standard-COM-Express-Modulen noch zwei Grafikschnittstellen (VGA und LVDS) ausreichend, so sind in der letzten Überarbeitung der Spezifikation vor allem digitale Schnittstellen dazu gekommen. Mit dem Umstieg der Steckerbelegung von Typ 2 auf Typ 6 werden im neuen COM-Express-Profil neben schnellem USB 3.0 bis zu drei digitale Display-Schnittstellen unterstützt. Die Digital-Display-Schnittstellen, allen voran DisplayPort, haben die analogen Schnittstellen grundsätzlich abgelöst. Aus Kompatibilitätsgründen hat man jedoch auf VGA noch nicht gänzlich verzichtet. Für geräteinterne Bildschirme gibt es zusätzlich einen Embedded DisplayPort (eDP), der wahlweise auch LVDS-Signale führen kann.DisplayPort (DP) ist eine Schnittstelle zur Übertragung von Audio- und Videosignalen zwischen Rechner und Bildschirm und wurde von der VESA (Video Electronics Standard Association) spezifiziert. Mit DP lassen sich Bilddaten mit einer Auflösung von bis zu 4.096 x 2.160 Pixel bei einer Bildwiederholrate von 60 Vollbildern pro Sekunde übertragen. 3D-Anwendungen mit Full-HD-Bildern bei 120 Hz sind ebenso möglich. Die nutzbare Auflösung ist von der Kabellänge weitgehend unabhängig. Die maximale Datenrate liegt bei 5,4 GBit/s. Über die zusätzlichen Digital-Display-Schnittstellen lassen sich Systeme aufbauen, die über ein CPU-Modul mehrere unabhängige Displays ansteuern können. Für diese Lösungen sind keine zusätzlichen, externen Komponenten wie eine Grafikkarte nötig. Dies senkt die Kosten und fördert schlanke Systemimplementierungen. Gleichzeitig erhöht sich die Langzeitverfügbarkeit der Geräte, da diese besonders bei Grafikkarten immer noch problematisch ist. Im Prinzip lassen sich mit den drei DisplayPort-Schnittstellen nur drei Full-HD-Monitore ansteuern. Doch in zahlreichen Fällen, zum Beispiel zum Aufbau von 2x2-Videowänden, werden besser vier unabhängige HD-Displays zusammen geschaltet. Ebenfalls möglich ist damit auch die Ansteuerung eines 4K-Monitors mit einer Auflösung von 4.096 x 2.160 Pixel. Darüber hinaus gewinnen Multi-Monitoring-Anwendungen mit vier Displays rasch an Bedeutung. So lassen sich beispielsweise auf einem Bildschirm die Prozesse visualisieren und auf den anderen Kamerabilder, Statusanzeigen oder eine Windows-Applikation darstellen.
Vier HD-Displays ansteuern
Zur Ansteuerung der HD-Displays kommt ein leistungsfähiges COM-Express-Prozessormodul im Compact-Format zum Einsatz, das auf einer Embedded R-Series Accelerated Processing Unit (APU) von AMD basiert. Die APU zeichnet sich durch eine sehr leistungsfähige Grafik und eine hohe parallele Computing-Leistung bei gleichzeitig niedriger Verlustleistung aus. Obwohl nur drei DisplayPort-Ausgänge vorhanden sind, lassen sich - ohne eine externe Grafikkarte - vier unabhängige Full-HD-Displays ansteuern. Um dies zu realisieren, stehen im Prinzip mehrere Möglichkeiten zur Verfügung:
�?� Ein auf dem Carrierboard bestückter oder externer DisplayPort Hub liefert dank der MST-Technologie (Multi-Stream-Transport) zwei separate Streams für die beiden Monitore. Durch die On-Board-Bestückung des MST Hubs erhöhen sich natürlich die Systemkosten. Die restlichen beiden Ausgänge (DP0 und DP1) liefern unverändert DisplayPort, HDMI oder DVI. �?� Eine weitere Variante ist der Einsatz eines DisplayPort „Daisy Chain“-fähigen Monitors. Der Bildschirm wird am DP2-Ausgang angeschlossen und steuert dann auch den vierten Monitor mit an. �?� Ohne zusätzliche Hardware oder speziellen Monitor kommt die dritte Lösung aus. Dabei werden drei DVI-Monitore direkt über die drei digitalen Ports angesteuert. Ein vierter Bildschirm nutzt einen Teil der multi-funktionalen PCI-Express-x16-Signale (PEG) als DVI-Port. Mindestens zwei der Displays müssen dabei die gleiche Auflösung aufweisen, da ansonsten der Aufwand für den speziellen Grafiktreiber zu komplex wird.Die letztere kostenoptimierte Lösung ist implementiert in der leistungsstarken COM-Express-Modulfamilie MSC-C6C-A7 von MSC, die auf AMD-Embedded-R-Series-APUs mit vier bzw. zwei Rechenkernen basiert. Mittels MPEG4-, MPEG2- oder H.264-Decoding lassen sich gleichzeitig zwei Full-HD-Videostreams decodieren. Eine Video Compression Engine (VCE) beschleunigt die Codierung von HD-Videostreams und ermöglicht Transcoding in Echtzeit. Durch Einstecken zusätzlicher, externer Grafikkarten zur Ansteuerung von vier bzw. sechs Monitoren kann man mit dem Computer-On-Module sogar bis zu zehn Displays unterstützen.
Spezielle Software
Zur Ansteuerung mehrerer Displays von einer APU aus hat AMD die ATI-Eyefinity-Technologie entwickelt, die jetzt erstmals auf einem Compact-COM-Express-Formfaktor zur Verfügung steht. Eyefinity erlaubt den Anschluss von sechs unabhängigen Darstellungsangaben an nur einer GPU (Graphics Processing Unit). Durch die einfache Konfiguration und die flexiblen Upgrade-Möglichkeiten lassen sich Monitore in verschieden Landscape- und Portrait-Modi zusammenschließen. Durch die Software lassen sich zum Beispiel die bei Videowänden zu Verzerrungen führenden Monitorrahmen einfach „herausrechnen“ und dadurch kompensieren. Bei Anwendungen mit immensen Datenmengen, zum Beispiel einer hochauflösenden Bilderfassung, können neben den CPU-Kernen auch die leistungsfähigen Rechenwerke der Grafikcontroller für Floating-Point-, Vektor- und Bildverarbeitungsaufgaben genutzt werden. Möglich wird dies durch eine einheitliche Programmierung verschiedener leistungsstarker Hardware-Architekturen durch die anbieterunabhängige, nicht proprietäre Programmierplattform Open Computing Language OpenCL. OpenCL ist ein offener, lizenzgebührenfreier Standard, der von der Khronos Group gepflegt wird. Das Industriekonsortium setzt sich für die Erstellung und Verwaltung von offenen Standards im Multimediabereich auf einer Vielzahl von Plattformen ein. Die Spezifikation von OpenCL umfasst die Sprachspezifikation sowie die Application Programming Interfaces (APIs) der Plattformschicht und der Laufzeit. Die verwendete Sprache basiert auf einer Untermenge von ISO C99, einer Programmiersprache, die bei Entwicklern verbreitet ist. Dank der Hardware-Unabhängigkeit und der einfachen Portierbarkeit von OpenCL können Entwickler ihre kostspieligen Investitionen in Quellcode schützen. Damit lassen sich die Entwicklungszeit und die Time-to-market von modernen, komplexen Bildverarbeitungssystemen wesentlich optimieren. Um die Vorteile von OpenCL zu nutzen, unterstützten COM-Express-Prozessormodule mit Embedded-R-Series-APUs diesen Standard. Zur frühzeitigen Evaluierung und zum Prototyping von COM-Express-Modulbasierenden Systemen gibt es darüber hinaus entsprechende Starter Kits und Carrier Boards.
