Průmyslové aplikace a výkonná grafické karta / rozhraní. To, co dříve nevyžadovalo velkou pozornost, se v současné sobě stává stále více aktuálním. Detailní grafické zobrazení výrobní linky doplněné aktuálními video záběry z důležitých míst, přesná vizualizace výrobního procesu, monitorování prostor, 3D vizualizace a simulace, grafické zobrazení vývoje a závislostí regulovaných i neregulovaných veličin, ovládací panely, 3D panely apod. ukazují, že kvalitní obraz, zpracování a vizualizace informací je i v průmyslu stále více důležité. Již se nelze spokojit se jednoduchým obrazem nebo v horším případě jen s textovým zobrazením nebo výpisem. Kvalitní grafické zobrazení je daleko přehlednější a dovoluje rychleji se orientovat. Proto je nutné i dnešní průmyslová PC a kartové systémy vybavovat kvalitními grafickými obvody se všemi běžnými grafickými rozhraními.

U průmyslových jednodeskových, vestavných (Embedded) PC a PC pro různé kartové systémy (např. Computer-On-Module = COM) se více méně zaběhlo instalovat grafiku přímo na počítačovou / procesorovou desku, protože pro použití klasické grafické karty, která se obvykle připojuje kolmo na základní desku, je nutné vyhradit dost místa. On-board grafika a grafické rozhraní však z pohledu výrobce neumožňuje implementovat náročnější grafické obvody pro 3D projekce a navíc musí vývojář zas a znova při každém vývoji nového typu PC znovu řešit i zmíněné grafické rozhraní. To zesložiťuje návrh desky plošných spojů. Z pohledu uživatele pak není možné grafiku podle potřeby lehce upgradovat nebo doplnit o nové funkce a přitom ponechat samotný procesor, resp. jeho desku. Doposud tu však nebyly rozšířené žádné standardizované průmyslové grafické karty a rozhraní pro ně.

To se v roce 2007 pokusila změnit společnost Kontron, která iniciovala vznik nového rozhraní a průmyslové grafické karty v podobě platformy s označením UGM = Universal Graphics Module (Univerzální Grafický Modul). O co jde ? Jde o platformu určující rozměr a provedení grafické karty a jejího konektoru, kterým se připojí k procesorové (počítačové) desce / kartě. Například výrobce jednodeskového průmyslového počítače pak může jen od procesoru vyvést signály právě na UGM konektor, kde je již dále na požadovaný formát obrazu zpracuje UGM grafická karta. Stejně tak například zpracuje analogový video vstup a řídícímu procesoru předá již jen tok dat.

Konkrétně co je platforma UGM ?

Universal Graphics Module (UGM) je otevřený standard, který byl navržen pro účely výroby snadno vestavitelných a zaměnitelných grafických modulů velikosti 84 x 95 mm. Primárně je sice koncipovaný pro COM Express počítače a pro celý sortiment různých moderních PCI Express systémů, ale protože jde o otevřený standard, lze jej použít pro jakékoliv systémy. Prakticky jde o první standard pro vestavné grafické karty (embedded graphic cards) reprezentující filozofii "universal graphics-on-module".

UGM specifikace definuje elektrické i mechanické parametry a vlastnosti, včetně rozměrů, provedení konektoru, rozložení jeho vývodů a doporučenou vestavbu pro vývojáře počítačových desek. Tím plně splňuje požadavky na spolehlivost a flexibilní konektorové provedení vyžadované u vestavných a malých SFF platforem (Small Form Factor platform).

Koncept UGM je podobný s konceptem COM Express™. To prakticky deklaruje 220pinový AMP/TYCO konektor UGM modulů, který se využívá i pro moduly COM Express / ETXexpress Computer-On-Modules. S jeho pomocí probíhá komunikace se základní či PC deskou nebo libovolným systémem přes 1, 4, 8 nebo 16 linkovou PCI-Express sběrnici, vysílají se a přijímají video a audio signály, které jsou následně zpracovány grafickou procesorovou jednotkou GPU (graphics processing unit) s nezávislou maticovou pamětí (frame buffer memory). Podporována je i funkce zachytávání videa (video capture) do DRAM paměti. Přes stejný konektor jsou tak zasílány jak data určené ke zpracování a zobrazení, tak i výsledné video/audio signály v požadovaném formátu, které jsou "vráceny" zpět na počítačovou desku. Je to pak na samotném vývojáři počítačové desky, které z nich použije, resp. které z nich budou vyvedeny a dosažitelné na příslušných externích konektorech (např. VGA, S-Video, DVI konektorech apod.). To snižuje nároky na vývoj základní desky nebo jednodeskového počítače, protože grafické procesorové jádro je již plně zpracováno a implementováno na UGM modulu, včetně všech ovladačů, enkodérů a filtrů. UGM moduly / karty se tak od stávajících grafických karet liší tím, že právě všechny signály jsou vyvedeny na konektor, zatímco u jiných karet je se to řeší pomocí nespolehlivých kabelů z důvodu úzkých rozšiřujících slotů karet, které neposkytují dostatek místa pro externí rozhraní. Pro nezávislé ovládání a provozu více jak dvou displejů pak UGM poskytuje sdílení přes PCI Express s několika dalšími moduly.

Mezi hlavní vlastnosti UGM modulů patří podpora DirectX10 a OpenGL2.0, dekodéru UVD (high definition Unified Video Decoder) a plně integrovanou podporou HDMI/HDCP včetně 5.1 kanálového vzduchu. Pro zpracování obrazu je samozřejmě vybaven vlastní integrovanou DRAM pamětí GDDR1 / GDDR2 / GDDR3 v pouzdře FBGA (v současné době 128MB až 512 MB). Na instalované Flash / ROM paměti pak je uložen Video BIOS (VBIOS).

Specifikace UGM platformy:

• Označení: UGM = Universal Graphics Module
• Specifikace je otevřený standard (open standard)
• UGM je založen na VGA Chipu (PCI Express Graphic)
• Funkce: jako grafická deska (Graphics board) nebo ADD2 deska
• Rozměry desky modulu (DPS): 84 mm (šířka) x 95 mm (délka) x 1.6 mm (tloušťka)
• Výška modulu: 13mm podle COM Express specifikace
• Max. rozměry GPU: 35 x 35 mm
• Podpora DRAM pamětí GDDR1 / GDDR2 / GDDR3 v pouzdře FBGA
• Max. počet DRAM: 8 ks
• UGM konektor: jeden 2 x 110pinový konektor
• Podpora displejových rohraní:
  • VGA (Dual VGA) pro CRT
  • DVI (Dual DVI)
  • HDMI
  • LVDS (Dual LVDS) pro panelové displeje
  • TMDS výstupy pro DVI / HDMI
  • HDTV
  • TV výstup - Kompozitní video výstup / S-Video / Komponentový video výstup
  • podpora SDVO multifunkčních vývodů
• Podpora video vstupů: Digitální (ITU-656 standard) / Kompozitní / S-Video / ITU 656
• Podpora zvuku:
  • integrovaný HD Audio Controller (Azalia) a kodeky
  • podpora: lineární PCM a Dolby® Digital (5.1) audio formáty pro HDMI výstup
  • podpora pro základní audio (32, 44.1 nebo 48 kHz stereo) a Dolby® Digital nebo DTS
• Všechny video i audio rozhraní jsou vyvedeny přes konektor na základní desku (počítačovou desku)
• Sběrnicové rozhraní: obousměrná PCI Express 1x / 2x / 4x / 8x / 16x
• Konektor modulu AMP/TYCO jako pro COM Express™
• Stejný konektor pro všechny pro všechny UGM karty
• Vzájemná kompatibilita všech UGM karet
• Způsob chlazení: pasivní, tepelnou trubicí nebo větrákem
• Chladící plocha: 74mm (šířka) x 79mm (délka)
• Napájení: 12.0 až 22 VDC
• Spotřeba: 72 W až 132W
• Pro zákaznické řešení a aplikace s větší grafickými požadavky, pro COM počítače

UGM grafické moduly poskytují embedded aplikacím následující výhody:

• Vysoký výkon pro náročné video, grafiku s vysokým rozlišením a 3D vizualizace
• Výrazné snížení zátěže hlavnímu CPU - rychlejší funkce systému
• Obsluha "displejové zdi" - provoz 2 a více displejů
• Zjednodušení návrhu procesorové desky / karty
• Doplňují systémy s COM Express™ moduly
• Snadná změna grafického výkonu ve stávajícím řídícím systému
• UVD Video Engine s podporou BluRay
• Otevřený standard

Závěr

UGM je zajímavý standard, který reprezentuje trošku jiný pohled na provedení grafické karty, než jaký známe z běžných PC, které se pro průmyslové aplikace příliš nehodí. Hlavní rozdíl je v tom, že fyzické "video konektory" nejsou součástí samotné UGM karty, ale jsou přítomny na základní či počítačové desce. Tam jsou pak jen takové konektory, které vývojář uznal za vhodné. UGM tak pracuje jako specializované výpočetní a zpracovatelské jádro pro nahrávané i přehrávané video či audio signály, aby se tím nemusel "obtěžovat" jak řídící procesor, který má jistě mnoho dalších věcí na práci, tak i vývojář / programátor, který se tak může soustředit jen na vývoj řídícího softwaru a nemusí řešit samotné zobrazení informací na displeji, kódování a dekódování videa a zvuku apod. Prostě se jen na správný vývod UGM portu zasílají data a na jiném portu se vrátí již kompletně zakódovaný signál, který stačí již jen vyvést na konektor definovaný příslušným video standardem (signál hardwarově přizpůsobit před vypuštěním do světa).

Více obecných i praktických informací o UGM standardu naleznete na stránkách www.universal-graphic-module.org. UGM však v současnosti není jen standard na papíře, ale jak lze vidět na fotografiích výše, již existují i první UGM modul. Jde o výrobky společnosti Kontron. O nich však více v dalším článku....

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky věnované standardu UGM - www.universal-graphic-module.org
• Domovská stránka společnosti Kontron - www.kontron.com
•  
• Další články o HMI systémech, Embedded PC, systémech PLC a PAC či průmyslové komunikaci najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz