COM-Module: Das steckt hinter den hochleistungsfähigen Embedded-Rechnern

Gerade im Bereich IIoT (Industrial Internet of Things) ist die Nachfrage in den letzten Jahren stark gestiegen. Eingesetzt werden sie z.B. in der industriellen Automation, im Maschinenbau oder in Laborgeräten. Die Rede ist von COM-Modulen. Doch was hat es mit den kleinen Super-Computern auf sich? Das erfahren Sie in diesem Artikel.
Anwenungsbeispiel für den Einsatz eines computer-on-module

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein COM-Modul?

„COM“ ist die Abkürzung für „computer-on-module“. Dabei handelt es sich um komplette Embedded-Rechner, welche auf eine Platine aufgesteckt werden. Das Design der COM-Module basiert auf einem Mikroprozessor mit RAM, Ein- und Ausgabesteuerung sowie weiteren Eigenschaften eines voll funktionsfähigen Computers. Zwar bieten die Rechner Interfaces für zahlreiche Anwendungen wie Peripherie, Netzwerk und Grafik, jedoch verfügen sie nicht selbst über diese Schnittstellen. Daher benötigen COM-Module ein Trägerboard, welches das Modul mit entsprechenden Anschlüssen versorgt.

Solche Carrier Boards (auch: „Trägerplatine“ oder „Baseboard“) bilden die Basis für die aufsteckbaren Rechner. Die vordefinierten Pin-Belegungen ermöglichen die einfache Austauschbarkeit des COM-Moduls auf der Trägerplatine. Durch den Austausch des Moduls innerhalb desselben Standards können z.B. die Prozessoren geupdated werden, sodass die Skalierbarkeit der Rechenleistung bzw. des Preises möglich ist. So können Sie am technischen Fortschritt partizipieren, ohne die Funktionen des kundenspezifischen Carrier Boards erneuern zu müssen.

COM Express Modul neben dem Carrier Board
Click & Connect: Die austauschbaren COM-Module bieten eine Skalierbarkeit der Rechenleistung

Vorteile der Computer-on-Modules

Dank ihrer geringen Größe und dem niedrigen Stromverbrauch lassen sich COM-Module ideal in Embedded Systeme integrieren. Darüber hinaus bieten die kompakten Rechner weitere Vorteile:

  • Austauschbarkeit
  • Flexibilität
  • Geringe Entwicklungszeit
  • Skalierbarkeit von Preis & Leistung
  • Risikoreduzierung aufgrund zertifizierter Module
  • Kompakte Abmessung
  • Geringer Stromverbrauch
  • Schnelle Verfügbarkeit von Second Source

Insbesondere die zuletzt genannte Verfügbarkeit über Zweitlieferanten stellt einen großen Vorteil dar. Bei den derzeitigen Lieferengpässen im Elektronikmarkt kommt dieser Eigenschaft aktuell eine besondere Bedeutung zu.

Die COM-Standards im Überblick

Das Prinzip des COM-Moduls ist nicht neu. Seit bereits über 20 Jahren existieren die Rechnermodule und werden seit jeher weiterentwickelt. Über die Zeit hinweg haben sich unterschiedliche COM-Standards auf dem Elektronikmarkt etabliert. Dazu zählen bspw.:

  • COM Express
  • Qseven
  • SMARC
  • ETX
  • XTX
  • PMC

Die Modulstandards unterscheiden sich hinsichtlich ihres Formfaktors, den verfügbaren Schnittstellen sowie ihrer Leistungsfähigkeit.

COM Express Modul: Hochleistungsfähig mit modernen & Legacy-Schnittstellen

Das COM Express Modul, kurz COMe, gehört zur Oberklasse der Aufsteckstandards. Die hochintegrierte Superkomponente vereint Legacy-Schnittstellen und moderne differentielle Signale, welche auf der Trägerplatine umgesetzt werden. Beim COM Express handelt es sich um eine x86er basierte Spezifikation.

Das Modul ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Der Formfaktor der COMe Standards unterscheidet sich wie folgt:

  • Mini: 84×55 mm²
  • Compact: 95×95 mm²
  • Basic: 95×125 mm²
  • Extended: 155×110 mm²
COM Express Größen: Mini, Compact, Basic, Extended
Die COM-Express Formfaktoren im Vergleich (Quelle: Kontron, CC BY-SA 3.0)

Neben den unterschiedlichen Größen existieren verschiedene Typen. Beispielhaft genannt seien hier Type 6, Type 7 und Type 10:

Typ Größe Anwendung
Type 6 Compact
Basic
Performance
Type 7 Basic Extended Server-Applikation
Type 10 Mini Low Power

Ein bis zwei 220-polige Steckverbinder verbinden das Modul mit der Trägerplatine und versorgen diese mit bis zu 440 Signalpins. Über COMe lassen sich moderne Schnittstellen wie z.B. PCIe, Gigabit Ethernet und PEG realisieren, aber auch Legacy-Schnittstellen wie VGA und DVI.

Schnittstellen des COMe Type 6

Gigabit Ethernet
LPC
8x PCIe
HDA
LVDS / eDP
Express Card
4x SATA
8x USB 2.0
4x USB 3.0
PEG x16
8x GPIO / SDIO
2x SER / CAN
SPI & I2C
2x DDI
Power
COM Express Type 6 auf Trägerplatine
COMe Type 6, Formfaktor Compact: Performance mit zahlreichen Grafik Interfaces

Das Hauptmerkmal von Type 6 sind die zahlreichen Grafik-Schnittstellen mit einer Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten. Welche Funktionen auf den Grafikports letztendlich zur Verfügung zur stehen, ist von der speziellen Ausführung des COMe-Moduls des Herstellers abhängig.

Qseven: Quadratisch, praktisch, stromsparend

Der COM-Standard Qseven ist seit 2008 auf dem Markt und zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus. Der Formfaktor beträgt 70×70 mm². Daher rührt auch der Name – Q für quadratisch und „seven“ für 7×7 cm². Aufgrund des flachen, kompakten Designs eignet sich dieser Standard besonders für mobile Applikationen.

Qseven COM-Standard
Der COM-Standard Q7 zeichnet sich durch seinen kompakten, quadratischen Formfaktor aus (Quelle: VIA QSM-8Q90 Module – Module Angle)

Das sparsame COM-Modul verfügt über eine hohe Rechenleistung bei einer maximalen Power von 12 Watt. Neben x86 unterstützt Qseven auch eine Low-Power ARM-Architektur. Der COM-Standard nutzt den gleichen Steckverbinder wie MXM2 (Mobile PCI Express Module). Er verfügt über 230 Pins und ist auf serielle Schnittstellen wie PCIe und SATA spezialisiert – Legacy-Schnittstellen gibt es keine.

Qseven Schnittstellen

Gigabit Ethernet
LPC
4x PCIe
LVDS 2×24 / eDP
2x MIPI CSI (Flatfoil)  
DDI
2x SATA
8x USB 2.0
2x USB 3.0
8x GPIO / SDIO
2x SER / CAN
SPI / I2C
Power  

SMARC: Multimedia-Schnittstellen für IoT-Lösungen

SMARC (Smart Mobility Architecture) positioniert sich zwischen dem hochleistungsfähigen COM Express und dem kompakten Qseven. Der Standard ermöglicht mobile Embedded-Lösungen und eignet sich insbesondere für industrielle Anwendungen in rauer Umwelt. Dabei kombiniert das Modul modernste Multimedia- und IoT-Schnittstellen mit geringem Platzbedarf und stromsparender Prozessortechnologie.

Verfügbar ist SMARC mit zwei Formfaktoren:

  • 82×50 mm²: Kreditkartengröße für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch
  • 82×80 mm²: für leistungsfähige SoCs mit erhöhtem Kühl- und Platzbedarf
Full und Short Size des SMARC Moduls
SMARC Größen: Full Size und Short Module (Quelle: Kontron AG, Lizenz)

Das Computer-on-module wird über 314 Pins von einem Konnektor aufgenommen, welcher auch für MXM3 genutzt wird. Optimiert ist SMARC für die x86 Technologie. SMARC zielt im Gegensatz zu COMe auf das Low-Power-Prozessorsegment ab, bietet dafür aber mehr Schnittstellen als Qseven. Insbesondere Multimedia Interfaces wie Grafik, Audio und Kamera sind über SMARC umsetzbar.

SMARC 2.1 Interfaces

4x Gigabit Ethernet
eSPI / QSPI
4x PCIe
HDA / 2x I2S
LVDS 2×24 / eDP / MIPI DSI
4x MIPI CISI
HDMI & DP++
1x SATA
6x USB 2.0
2x USB 3.0
14x GPIO / SDIO
4x SER / CAN
SPI / I2C
Power

Kein COM-Modul ohne anwendungsspezifische Trägerplatine

Voraussetzung für ein COM-Modul ist ein Carrier Board, welches über die anwendungsspezifischen Schnittstellen verfügt. Auf dem Markt existieren verschiedene Anbieter, welche vorgefertigte Trägerplatinen anbieten. Wer jedoch auf der Suche nach einem Baseboard mit individuellen Interfaces ist, ist mit einem Full-Custom-Design am besten bedient.

Bei HEINEN Elektronik stehen Ihnen unsere erfahrenen Entwickler zur Seite, um Sie umfassend zu beraten. Gemeinsam überprüfen wir, welcher COM-Standard für Ihre Anwendung geeignet ist und welche Schnittstellen umgesetzt werden können. Senden Sie uns gerne eine Anfrage!

FAQ COM-Module

„COM“ ist die Abkürzung für „computer-on-module“. Dabei handelt es sich um komplette Embedded-Rechner, welche auf eine Platine aufgesteckt werden. Zwar bieten die COMs Interfaces für zahlreiche Anwendungen wie Peripherie, Netzwerk und Grafik, jedoch verfügen sie nicht selbst über diese Schnittstellen. Daher benötigen die Computer-on-Modules ein Carrier Board, welches das Modul mit entsprechenden Anschlüssen versorgt.

Auf dem Markt existieren verschiedene COM-Standards, darunter:

  • COM Express
  • Qseven
  • SMARC
  • ETX
  • XTX
  • PMC

Die Modulstandards unterscheiden sich hinsichtlich ihres Formfaktors, den verfügbaren Schnittstellen sowie ihrer Leistungsfähigkeit.

Zahlreiche Multimedia-Schnittstellen für mobile IoT-Anwendungen bietet der COM-Standard SMARC.

Dabei kombiniert das Modul modernste Multimedia- und IoT-Schnittstellen mit geringem Platzbedarf und stromsparender Prozessortechnologie.

Auf dem Markt existieren verschiedene Anbieter, welche vorgefertigte Trägerplatinen anbieten. Wer jedoch auf der Suche nach einem Baseboard mit individuellen Interfaces ist, ist mit einem Full-Custom-Design am besten bedient.

Bei HEINEN Elektronik stehen Ihnen unsere erfahrenen Entwickler zur Seite, um Sie umfassend zu beraten. Gemeinsam überprüfen wir, welcher COM-Standard für Ihre Anwendung geeignet ist und welche Schnittstellen umgesetzt werden können.

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