Технология UGM: стандартизованная графика для современных встраиваемых систем

Разработчики встраиваемых систем, длительное время страдавшие от отсутствия унифицированных графических продуктов, подходящих для применения в задачах класса Embedded, получили первый «специализированный» графический стандарт. Характеризуясь большими объемами видеопамяти, повышенной механической надежностью и длительными сроками доступности, модули стандарта UGM (Universal Graphics Module) хорошо адаптированы для использования во встраиваемых системах самого различного целевого назначения.

Традиционно реализация передовой графической функциональности во встраиваемых системах была сопряжена со значительными трудностями как технического, так и маркетингового характера. Наиболее прямой путь, состоящий в поиске подходящей видеокарты на массовом рынке, редко приводил к успеху. Прежде всего, видеокарт со сколько-нибудь длительными сроками доступности на массовом рынке просто-напросто нет. Высокие темпы развития офисных и персональных компьютеров приводят к тому, что многие продукты здесь снимаются с производства, едва появившись. Данная ситуация совершенно неприемлема для большинства приложений класса Embedded, где нужны комплектующие с гарантией поставок на протяжении нескольких лет. Ирония заключается в том, что если материнские платы, процессоры и ряд других массовых комплектующих существуют в специальных «промышленных» версиях, для которых гарантируется доступность в долгосрочной перспективе, в сегменте видеокарт ничего подобного не наблюдается.

К сожалению, сроки доступности – это лишь один из пунктов в длинном списке проблем, подстерегающих разработчиков встраиваемых систем в процессе поиска адекватных графических решений на массовом рынке. Применение в Embedded-проекте любого мало-мальски сложного продукта, адресованного ПК или ноутбукам, неизбежно сопряжено со значительными издержками на техническую поддержку конечного решения. Применительно к обслуживанию графической подсистемы издержки эти складываются из расходов на обновление драйверов, на организацию изощренных схем охлаждения (энергопотребление современных видеокарт может достигать 150 Вт) и на замену вентиляторов, которые имеют свойство очень быстро ломаться. Хуже того: для многих встраиваемых систем графические карты с массового рынка нередко оказываются слишком велики по своим физическим размерам.

Естественной альтернативой поиску готового продукта с требуемыми характеристиками является самостоятельная разработка соответствующего узла или подсистемы. Однако в случае встраиваемой графики и этот путь тернист. Нет никаких гарантий того, что, когда конечная система появится, наконец, на рынке, видеопроцессоры и иные компоненты, на базе которых она построена, еще будут выпускаться. Ситуация осложняется значительными затратами и высокими рисками, сопряженными с интеграцией современных графических процессоров и поддерживающей их логики на уровне платы.

Благодаря открытой спецификации UGM (Universal Graphics Module), представленной компаниями Kontron и XGI в феврале 2007 года, все перечисленные проблемы могут стать достоянием истории. UGМ – это первый промышленный стандарт на высокопроизводительные графические модули, учитывающий специфику индустрии встраиваемых систем. Спецификация UGM определяет печатные платы размерами 84 x 95 мм, способные обеспечить вывод сложной графики на дисплеи всех основных типов, как популярных, так и перспективных. В отличие от традиционных видеокарт, которые вставляются в слоты расширения под углом 90 градусов, модули UGM устанавливаются параллельно плате-носителю. Это дает востребованную во многих Embedded-приложениях экономию свободного пространства и обеспечивает необходимую степень надежности. Еще одно преимущество стандарта UGM, которое для многих разработчиков станет решающим, заключено в том, что минимальные сроки доступности UGM-модулей составляют от трех до пяти лет. Модули UGM комплектуются качественными драйверами и дополнительным ПО, обеспечивающим простоту реализации в конечных системах тех или иных графических функций. Видеосигналы и данные шины PCI Express (1, 4, 8 или 16 каналов) поступают на модуль UGM через 220-контактный разъем того же типа, что используется на одноплатных компьютерах COM Express / ETXexpress, обрабатываются и через тот же разъем возвращаются на базовую плату. Графический процессор модуля UGM поддерживается локальной видеопамятью объемом до 1 Гбайт. Спецификация UGM 1.0 допускает наличие на одном модуле двух каналов LVDS, двух портов DVI и двух выходов VGA.

Рис.1. Функциональные блоки графического модуля UGM.

Пользователю UGM нужно лишь выбрать те комбинации сигналов, которые наилучшим образом отвечают специфике его задач, и реализовать на базовой плате соответствующие физические интерфейсы. Например, комбинацию из порта USB, выхода DVI и стандартных звуковых портов можно воплотить на базе интерфейса HDMI. Чтобы сделать UGM доступным для подключения к внешним устройствам и средствам отображения, остается разместить на базовой плате соответствующую логику, физические компоненты и компоненты, реализующие дополнительные функции (например, технологию HDCP, защищающую видео высокого разрешения от нелегального копирования). Графическая часть системы, каковой является модуль UGM, уже полностью готова, не нуждается ни в каких доработках и обеспечена должной программной поддержкой.

Спецификация UGM не предполагает организации каких-либо дополнительных кабельных соединений внутри корпуса. В данном отношении модули UGM также выгодно отличаются от современных массовых видеокарт, чья передняя панель зачастую слишком узка для реализации всех необходимых портов, и потому их производители вынуждены пользоваться кабелями-врезками. Напряжение питания в стандарте UGM заключено в пределах от 12 до 22 В, потребляемый ток может достигать 6 А, что дает максимальную мощность модуля в 132 Вт – цифра, вполне достаточная для нормальной работы современных графических алгоритмов. Иными словами, модули UGM способны обеспечить высокую производительность даже в самых современных играх и в самых высоких разрешениях.

Рис.2. Профиль графического модуля UGM.

Продукт UGM-M72 производства Kontron стал первым реально существующим продуктом стандарта UGM, изменившим представления разработчиков о возможностях встраиваемой графики. Графический процессор M72S компании ATI, на котором построен данный модуль, устанавливается сегодня на самые передовые видеокарты для настольных и мобильных систем. В целях оптимизации энергопотребления текущая версия UGM-M72 оснащается мобильным вариантом процессора M72S, который не дотягивает по производительности до своего десктопного аналога, однако для встраиваемого графического модуля и это уже огромное достижение. Следует помнить и о том, что, как говорилось выше, продукт UGM-M72 не будет снят с производства через несколько месяцев после появления, и потому разработчики, ориентирующиеся на долгосрочную перспективу, могут смело включать его в свои планы и роадмапы. Частота видеопроцессора M72S варьируется в пределах от 450 до 700 МГц в зависимости от нагрузки. По сравнению с теми графическими ядрами, что интегрируются в чипсеты, модуль UGM-M72 обеспечивает значительно более высокую производительность, подкрепленную энергосберегающими функциями и гарантиями долгосрочной доступности. Продукт UGM-M72 показан к применению во встраиваемых и защищенных мобильных системах, чувствительных к срокам вывода на рынок.

Рис.3. Первым продуктом стандарта UGM стал модуль UGM-M72 холдинга Kontron, имеющий до 512 Мбайт видеопамяти и выполненный на графическом процессоре ATI M72S.

Модуль UGM-M72 способен обеспечить быструю работу интерфейса Windows Vista Aero и других современных приложений, использующих самые передовые 3D-функции. Поддерживая алгоритмы DirectX 10 и последние версии технологии Shader Model, графический модуль UGM-M72 способен осуществлять визуализацию в разрешениях вплоть до Full HD (1920 x 1080) со сглаживанием поверхностей, при этом картинка, отображаемая на подключенном к нему мониторе, будет резкой и насыщенной. Аппаратное кодирование видеопотоков поддержано 128-разрядной памятью GDDR3 объемом до 512 Мбайт, работающей на частотах от 500 до 800 МГц (первые версии продукта UGM-M72 имели 256 Мбайт 64-разрядной видеопамяти GDDR3). Продукт потребляет не более 25 Вт, имеет ряд энергосберегающих режимов и поддерживает технологию управления питанием Powerplay 7.0, повышающую производительность на ватт потребляемой мощности и продлевающую время работы без подзарядки в мобильных приложениях.

Из общих соображений можно предположить, что основную массу первых пользователей UGM образуют те клиенты, кто уже знаком с одноплатными компьютерами типа COM (Сomputer On Module – компьютер на модуле), но желают иметь графику более высокого уровня, нежели чипсетная. По прогнозам специалистов холдинга Kontron, ядром этой клиентской группы будут являться сторонники популярного стандарта COM Express, курируемого консорциумом PICMG и поддерживаемого в настоящее время десятком ведущих поставщиков встраиваемых компьютерных модулей. Однако уже вскоре ряды пользователей UGM пополнят и те разработчики, которые ранее не применяли готовые модули-компьютеры по причине отсутствия на последних интегрированных видеоподсистем достаточной степени мощности. Устанавливая на базовую плату два модуля, один из которых несет ЦП с чипсетом и оперативной памятью (COM), а второй – высокопроизводительный графический процессор с видеопамятью большого объема, разработчики могут действовать весьма гибко и в сжатые сроки создавать решения для самых различных прикладных задач. Некоторые клиенты предпочтут реализовывать процессор, чипсет и память на базовой плате, а покупные модули использовать лишь для добавления мощной графики. Не исключено также, что изделия UGM будут использоваться производителями видеокарт потребительского формата. В настоящее время холдинг Kontron изучает емкость этого потенциального рыночного сегмента и возможность включения в орбиту своего влияния тех OEM-клиентов, которые готовы выпускать типовые видеокарты с интерфейсом PCI Express и длительными сроками доступности.

Стандарт UGM позволяет разработчикам навсегда забыть о низкоуровневых графических проблемах как аппаратного, так и программного свойства, поскольку все вопросы такого рода решаются производителями UGM-модулей. Модули UGM комплектуются необходимыми драйверами и представляют собой законченные встраиваемые видеоподсистемы, готовые к немедленному использованию.

Стандарт UGM эффективно учитывает особенности приложений класса Embedded, позволяет интегрировать в них самые передовые графические технологии и пользуется активной поддержкой со стороны компаний-производителей встраиваемых компьютерных модулей. В свете этих обстоятельств рыночные перспективы UGM видятся вполне радужными. Изделия стандарта UGM востребованы в современной медицинской технике типа сканеров и томографов, где нужны большие объемы видеопамяти, в передовых промышленных компьютерах, специализированных операторских дисплеях, игровых приставках и автоматах, торговых и информационных терминалах, а также в разнообразных рекламно-информационных дисплеях, которые устанавливаются в зданиях, в общественном транспорте и на улицах.

Статья публиковалась в журнале Компоненты и технологии 9/2007 и на сайте rtsoft.ru
Помещена в музей с разрешения редакции 15 июля 2018