Artykuł pochodzi z wydania: Maj 2023
Osoby, które w młodości składały komputery stacjonarne, z pewnością docenią możliwości Raspberry Pi – zwłaszcza w kontekście budowania własnych projektów opartych na relatywnie prostej elektronice. Warto poznać zaskakująco szerokie możliwości tego sprzętu.
Komputer jednopłytkowy (ang. single board computer, SBC) to rodzaj samodzielnego komputera zbudowanego na pojedynczej płytce drukowanej (PCB), wyposażonego we wszystkie podstawowe komponenty występujące w typowych komputerach stacjonarnych, takie jak mikroprocesor, pamięć, interfejsy wejście/ wyjście (I/O) w formie fizycznych złącz oraz ewentualnie pamięć masowa w postaci dysku SSD w formacie M.2 lub podobnym. Obecnie termin ten odnosi się ogólnie do architektury, w której komputer jednopłytkowy jest podłączony do płyty montażowej w celu zapewnienia kart we/wy. W przypadku PC104 magistrala nie jest backplane’em w tradycyjnym sensie, ale jest to seria złączy pinowych umożliwiających układanie kart I/O w stosy. Komputery jednopłytkowe są powszechnie produkowane jako systemy demonstracyjne lub rozwojowe, do systemów edukacyjnych lub do użytku jako kontrolery komputerów wbudowanych, a ze względu na ich niewielkie rozmiary, niski pobór mocy i przystępną cenę w ostatnich latach stały się niezwykle popularne.
> SBC
W przeciwieństwie do stacjonarnych komputerów osobistych komputery jednopłytkowe często nie opierają się na gniazdach rozszerzeń dla urządzeń peryferyjnych lub rozbudowy. Proste konstrukcje, takie jak te budowane przez hobbystów komputerowych, często wykorzystują statyczną pamięć RAM i tanie 32- lub 64-bitowe procesory, np. ARM. Inne typy, takie jak serwery blade, działają podobnie do komputera serwerowego, tylko w bardziej kompaktowym formacie. W niektórych przypadkach można rozszerzyć ich funkcjonalność poprzez przeznaczone do tego karty I/O. Nie zmienia to jednak faktu, że wszystkie elementy mieszczą się na jednej kompaktowej płycie drukowanej. Najpopularniejsze rozmiary miniaturowych komputerów jednopłytkowych to 2,5 oraz 3,5 cala. Jest to więc mały, pełnoprawny komputer, który może pełnić funkcje komputera osobistego, urządzenia multimedialnego lub specjalistycznego komputera przemysłowego – wszystko zależy od programu.
Komputery jednopłytkowe najczęściej spotyka się w zastosowaniach przemysłowych, gdzie są używane w formacie rackowym do kontroli procesu lub wbudowane w inne urządzenia w celu zapewnienia kontroli i interfejsu. Są one wykorzystywane zarówno w badaniach głębinowych w sondach ALICE, jak i w przestrzeni kosmicznej w rakietach Ariane i Pegasus czy promach kosmicznych. Ze względu na bardzo wysoki poziom integracji, zmniejszoną liczbę komponentów i zmniejszoną liczbę złączy komputery jednopłytkowe są często mniejsze, lżejsze, bardziej energooszczędne i bardziej niezawodne niż porównywalne komputery wielopłytkowe.
Wbudowane komputery jednopłytkowe to jednostki zapewniające wszystkie wymagane wejścia/wyjścia bez możliwości podłączenia kart. Zastosowaniem są zazwyczaj gry (automaty do gier, video poker), kioski i automatyka sterująca maszynami. Wbudowane komputery SBC są znacznie mniejsze niż płyty główne typu ATX spotykane w komputerach PC i zapewniają kombinację I/O bardziej ukierunkowaną na zastosowania przemysłowe, takie jak wbudowane cyfrowe i analogowe I/O, mają wbudowaną rozruchową pamięć flash (eliminującą potrzebę stosowania stacji dysków), brak wideo itp. Podstawową zaletą płyty głównej ATX w porównaniu do SBC jest koszt. Płyty główne są produkowane przez miliony dla rynku konsumenckiego i biurowego, pozwalając na ogromny efekt skali. Komputery jednopłytowe stanowią niszę rynkową i są produkowane rzadziej i po wyższych kosztach. Płyty główne i SBC oferują obecnie podobny poziom integracji funkcji, co oznacza, że awaria płyty głównej w obu standardach będzie wymagała równoważnej wymiany.
> ZARYSY BUDOWY
Tworzenie coraz wydajniejszych SBC stało się możliwe dzięki zwiększeniu gęstości układów scalonych. Konfiguracja jednopłytkowa obniża całkowity koszt systemu dzięki zmniejszeniu liczby wymaganych płytek drukowanych oraz wyeliminowaniu złączy i układów sterujących magistralą, które w przeciwnym razie zostałyby użyte. Umieszczając wszystkie funkcje na jednej płytce, można uzyskać ogólnie mniejszy system, jak np. w notebookach. Złącza są częstym źródłem problemów z niezawodnością, więc system jednopłytkowy eliminuje te problemy. Komputery jednopłytkowe są obecnie powszechnie definiowane w ramach dwóch odrębnych architektur: bez gniazd i z obsługą gniazd.
Część popularnych odmian komputerów jednopłytkowych wykorzystuje znormalizowane właściwości formatu komputera przeznaczone do stosowania w obudowie typu backplane. Niektóre z tych typów to CompactPCI, PXI, VMEbus, VXI i PICMG. Komputery SBC zostały zbudowane wokół różnych wewnętrznych struktur przetwarzania, w tym architektury Intel, architektur wieloprocesorowych i systemów przetwarzania o niższej mocy, takich jak RISC i SPARC. W komputerach PC Intela układy inteligencji i obwody interfejsu/sterowania są umieszczone na płytce wtykowej, którą następnie umieszcza się w pasywnej (lub aktywnej) płycie montażowej. Rezultat jest podobny do posiadania systemu zbudowanego z płyty głównej, z tym że płyta główna określa konfigurację gniazd. Panele tylne są dostępne z mieszanką gniazd (ISA, PCI, PCI-X, PCI-Express itp.), zwykle w sumie 20 lub mniej, co oznacza, że zmieszczą się w obudowie rack 19” (obudowa o szerokości 17”).
Niektóre komputery jednopłytkowe mają złącza, które umożliwiają montaż stosu płytek drukowanych, z których każda zawiera sprzęt rozszerzający, bez tradycyjnej płyty głównej. Przykłady formantów SBC typu stack to PC/104, PC/104-Plus, PCI-104, EPIC i EBX. Systemy te są powszechnie dostępne do użytku w systemach kontroli wbudowanych. Komputery SBC typu stack często wyposażone są w pamięć dostarczaną na kartach wtykowych, takich jak SIMM i DIMM. Płytki obwodów dysku twardego również nie są brane pod uwagę przy określaniu, czy komputer jest jednopłytkowcem, czy nie, z dwóch powodów: po pierwsze dlatego, że dysk twardy jest uważany za pojedynczą jednostkę pamięci masowej, a po drugie dlatego, że SBC może w ogóle nie wymagać dysku twardego, ponieważ większość z nich można uruchomić za pomocą połączeń sieciowych.
[…]
Adam Kamiński – autor jest testerem oprogramowania oraz entuzjastą technologii kwantowych i rozproszonych rejestrów. Redaktor prowadzący „IT Professional”.
Grzegorz Kubera – autor jest założycielem firmy doradczo-technologicznej. Pełnił funkcję redaktora naczelnego w magazynach i serwisach informacyjnych z branży ICT. Dziennikarz z ponad 13-letnim doświadczeniem i autor książek na temat start-upów oraz przedsiębiorczości.
