Одноплатный компьютер ( SBC ) — это законченный компьютер, построенный на одной печатной плате , с микропроцессором (ами), памятью , вводом/выводом (I/O) и другими функциями, необходимыми для функционального компьютера. Одноплатные компьютеры обычно изготавливаются в качестве демонстрационных или опытно-конструкторских систем, образовательных систем или для использования в качестве встроенных компьютерных контроллеров . Многие типы домашних или портативных компьютеров объединяют все свои функции на одной печатной плате .
В отличие от настольного персонального компьютера , одноплатные компьютеры часто не используют слоты расширения для периферийных функций или расширения . Одноплатные компьютеры были построены с использованием широкого спектра микропроцессоров . Простые конструкции, например, созданные компьютерными любителями, часто используют статическое ОЗУ и недорогие 32- или 64-разрядные процессоры, такие как ARM . Другие типы, такие как блейд-серверы , будут работать аналогично серверному компьютеру, только в более компактном формате.
Компьютер -на-модуле — это тип одноплатного компьютера, предназначенный для подключения к несущей плате, основной плате или объединительной плате для расширения системы. [2] [3]
Первый настоящий одноплатный компьютер был основан на процессоре Intel C8080A , в котором также использовалась первая СППЗУ Intel — C1702A. Схема машины, получившей название «dyna-micro», была опубликована в журнале Radio-Electronics в мае 1976 года. Позже в том же году производство системы началось компанией E&L Instruments, производителем компьютеров из Дерби, штат Коннектикут, которая маркировала систему как «Mini Micro Designer 1», предназначенный для использования в качестве программируемого микроконтроллера для прототипирования электронных продуктов. [4] [5] MMD-1 прославился как пример микрокомпьютера в популярной серии инструкций 8080 того времени. [6]
Ранние SBC играли важную роль в ранней истории домашних компьютеров , таких как Acorn Electron и BBC Micro , также разработанные Acorn. Другие типичные ранние одноплатные компьютеры, такие как KIM-1, часто поставлялись без корпуса , который должен был быть добавлен владельцем. Другими ранними примерами являются Ferguson Big Board , Ampro Little Board [7] и Nascom . Многие домашние компьютеры в 1980-х годах были одноплатными, а некоторые даже поощряли владельцев припаивать обновленные компоненты непосредственно к заранее отмеченным точкам на плате.
По мере того, как ПК стали более распространенными, доля SBC на рынке уменьшилась из-за их низкой расширяемости. Быстрое принятие стандартов IBM для периферийных устройств и стандартизация шины PCI в 1990-х годах сделали материнские платы, совместимые компоненты и периферийные устройства дешевыми и повсеместными, в то время как развитие мультимедийных платформ, таких как CD -ROM и карты Sound Blaster , начало быстро опережать темпы развития. скорость, с которой пользователям приходилось заменять свои персональные компьютеры. Эти две тенденции лишили стимулов одноплатные компьютеры и вместо этого способствовали распространению материнских плат , на которых обычно размещались центральный процессор и другие основные компоненты, с периферийными компонентами, такими как контроллеры жестких дисков и графические процессоры, и даже с некоторыми основными компонентами, такими как модули оперативной памяти . расположен на дочерних платах .
В 2000-х годах компьютеры начали возвращаться к меньшему количеству плат. Поскольку новые стандарты, такие как USB, резко сократили разнообразие периферийных стандартов, которые должны были поддерживать материнские платы, достижения в производстве интегральных схем привели к появлению новых наборов микросхем, которые могли обеспечить функциональность многих дочерних плат, особенно ввода-вывода , в одном чипе. К концу десятилетия материнские платы для ПК предлагали встроенную поддержку дисковых накопителей, включая IDE , SATA , NVMe , RAID , встроенный графический процессор , Ethernet и традиционные устройства ввода-вывода, такие как последовательный порт и параллельный порт , USB и клавиатуру/мышь. поддерживать. Сменные «карты» сохранили свое значение в качестве высокопроизводительных компонентов, таких как физически большие и сложные графические сопроцессоры , высокопроизводительные RAID-контроллеры и специализированные карты ввода-вывода, такие как платы сбора данных и платы DSP .
2010-е годы ознаменовались быстрым и устойчивым ростом производства одноплатных компьютеров, во многом благодаря достижениям в технологиях производства интегральных схем, которые впервые позволили разместить большую часть или все основные компоненты материнской платы на одном кристалле интегральной схемы . . Одним из наиболее известных одноплатных компьютеров десятилетия был Raspberry Pi , построенный на базе специальной SoC Broadcom с драйверами с открытым исходным кодом . Первоначально предназначенный для образования, Raspberry Pi содержал ряд функций, таких как оптимизированная поддержка Linux и программируемые контакты GPIO , которые также были очень привлекательны для любителей , которые использовали Pi и другие аналогичные SBC для таких проектов, как домашняя автоматизация , видео эмуляция игр , потоковая передача мультимедиа и другие эксперименты. [8] В промышленности быстрый рост смартфонов и других небольших устройств побудил производителей оборудования перейти к более частому использованию SoC и уменьшению размера, расширяемости и сложности материнских плат, в то время как распространение Интернета вещей увеличило спрос. для небольших и дешевых компонентов, которые позволят нетрадиционным устройствам получать доступ к Интернету. Оба этих фактора резко увеличили производство одноплатных компьютеров на протяжении десятилетия.
К концу 2010-х и началу 2020-х годов многие устройства, включая смартфоны, планшетные компьютеры , ноутбуки и другие интеллектуальные устройства, оснащены одноплатными компьютерами, в которых используются усовершенствованные SoC. Хотя это значительно повысило производительность и энергоэффективность, это вызвало обеспокоенность по поводу того, что одноплатные компьютеры, особенно построенные на базе SoC, сложнее ремонтировать и они могут быть менее дружелюбны к попыткам отслеживать или изменять инструкции, запрограммированные производителями в платы. [9]
Одноплатные компьютеры стали возможными благодаря увеличению плотности интегральных схем . Одноплатная конфигурация снижает общую стоимость системы за счет уменьшения количества необходимых печатных плат и устранения разъемов и схем драйверов шины, которые в противном случае использовались бы. Поместив все функции на одну плату, можно получить меньшую по размеру систему, например, как в ноутбуках. Разъемы являются частым источником проблем с надежностью, поэтому одноплатная система устраняет эти проблемы. [10]
Одноплатные компьютеры теперь обычно разделяются на две различные архитектуры: без слотов и с поддержкой слотов.
Встроенные SBC — это устройства, обеспечивающие все необходимые операции ввода-вывода без возможности установки сменных карт. Приложениями обычно являются игры (игровые автоматы, видеопокер), киоски и автоматизация управления машинами . Встроенные SBC намного меньше, чем материнская плата типа ATX, используемая в ПК, и обеспечивают сочетание ввода-вывода, более ориентированное на промышленное приложение, например, встроенный цифровой и аналоговый ввод-вывод, встроенную загрузочную флэш-память (устраняя нужен дисковод ), нет видео и т.д.
Термин «Одноплатный компьютер» теперь обычно применяется к архитектуре, в которой одноплатный компьютер подключается к объединительной плате для размещения карт ввода-вывода. В случае PC104 шина не является объединительной платой в традиционном смысле этого слова, а представляет собой серию штыревых разъемов, позволяющих объединять платы ввода-вывода друг в друга.
Одноплатные компьютеры чаще всего используются в промышленности, где они устанавливаются в стойку для управления процессами или встраиваются в другие устройства для обеспечения управления и взаимодействия. Они используются в глубоководных исследованиях на глубоководных зондах ALICE и в космическом пространстве, на ракетах Ariane и Pegasus и Space Shuttle . [11] Из-за очень высокого уровня интеграции, меньшего количества компонентов и разъемов SBC часто меньше, легче, энергоэффективнее и надежнее, чем сопоставимые многоплатные компьютеры. [12]
Основным преимуществом материнской платы ATX по сравнению с SBC является стоимость. Материнские платы производятся миллионами для потребительского и офисного рынков, что обеспечивает огромную экономию за счет масштаба . Одноплатные компьютеры занимают рыночную нишу и производятся реже и имеют более высокую стоимость. Материнские платы и SBC теперь предлагают одинаковый уровень интеграции функций, а это означает, что сбой материнской платы в любом стандарте потребует эквивалентной замены.
Линейка одноплатных компьютеров включает Raspberry Pi , BeagleBoard и Nano Pi . [13] [14] [15]
В одной из распространенных разновидностей одноплатных компьютеров используются стандартизированные форм-факторы компьютеров , предназначенные для использования в корпусе объединительной платы . Некоторые из этих типов — CompactPCI , PXI , VMEbus , VXI и PICMG . SBC построены на основе различных внутренних структур обработки, включая архитектуру Intel, многопроцессорные архитектуры и системы обработки с низким энергопотреблением, такие как RISC и SPARC. В мире ПК Intel интеллектуальные схемы и схемы интерфейса/управления размещаются на съемной плате, которая затем вставляется в пассивную (или активную) объединительную плату. Результат аналогичен системе, построенной на материнской плате , за исключением того, что объединительная плата определяет конфигурацию слотов. Объединительные платы доступны с различными слотами (ISA, PCI, PCI-X, PCI-Express и т. д.), обычно их всего 20 или меньше, что означает, что они помещаются в корпус для монтажа в 19-дюймовую стойку (шасси шириной 17 дюймов).
Некоторые одноплатные компьютеры имеют разъемы, которые позволяют собирать стопку печатных плат, каждая из которых содержит оборудование расширения, без традиционной объединительной платы. Примеры форм-факторов стекирования SBC включают PC/104 , PC/104- Plus , PCI-104 , EPIC и EBX ; эти системы обычно доступны для использования во встроенных системах управления.
SBC стекового типа часто имеют память на сменных картах, таких как SIMM и DIMM . Печатные платы жесткого диска также не учитываются при определении того, является ли компьютер SBC или нет, по двум причинам: во-первых, потому что жесткий диск рассматривается как единое блочное запоминающее устройство, а во-вторых, потому что SBC может вообще не требовать жесткого диска, как в большинстве случаев. могут загружаться из своих сетевых подключений.
