Одноплатный компьютер ( SBC ) — это полноценный компьютер , построенный на одной печатной плате , с микропроцессором (ами), памятью , вводом/выводом (I/O) и другими функциями, требуемыми от функционального компьютера. Одноплатные компьютеры обычно изготавливаются как демонстрационные или опытные системы, для образовательных систем или для использования в качестве встроенных компьютерных контроллеров . Многие типы домашних компьютеров или портативных компьютеров интегрируют все свои функции на одной печатной плате .
В отличие от настольного персонального компьютера , одноплатные компьютеры часто не полагаются на слоты расширения для периферийных функций или расширения . Одноплатные компьютеры были построены с использованием широкого спектра микропроцессоров . Простые конструкции, такие как те, которые построены компьютерными любителями, часто используют статическую оперативную память и недорогие 32- или 64-битные 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, предназначенного для подключения к несущей плате, базовой плате или объединительной плате для расширения системы. [2] [3]
Первый настоящий одноплатный компьютер был основан на Intel C8080A , также с использованием первой EPROM Intel , C1702A. Схемы для машины, названной "dyna-micro", были опубликованы в журнале Radio-Electronics в мае 1976 года. Позже в том же году производство системы началось E&L Instruments, производителем компьютеров из Дерби, Коннектикут , который назвал систему "Mini Micro Designer 1", намереваясь использовать ее в качестве программируемого микроконтроллера для прототипирования электронных продуктов. [4] [5] MMD-1 стал известен как пример микрокомпьютера в популярной серии инструкций 8080 того времени. [6]
Ранние одноплатные компьютеры 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. Другие ранние примеры — Ferguson Big Board , Ampro Little Board [7] и Nascom . Многие домашние компьютеры в 1980-х годах были одноплатными компьютерами, а некоторые даже поощряли владельцев припаивать обновленные компоненты непосредственно к предварительно размеченным точкам на плате.
По мере того, как ПК становились все более распространенными, доля рынка одноплатных компьютеров уменьшалась из-за их низкой расширяемости. Быстрое принятие стандартов IBM для периферийных устройств и стандартизация шины PCI в 1990-х годах сделали материнские платы и совместимые компоненты и периферийные устройства дешевыми и повсеместными, в то время как развитие мультимедийных платформ, таких как карты CD-ROM и Sound Blaster, начало быстро опережать темпы, с которыми пользователям требовалась замена персональных компьютеров. Эти две тенденции дестимулировали одноплатные компьютеры и вместо этого способствовали распространению материнских плат , которые обычно размещали ЦП и другие основные компоненты, с периферийными компонентами, такими как контроллеры жестких дисков и графические процессоры , и даже некоторыми основными компонентами, такими как модули ОЗУ , расположенными на дочерних платах .
Компьютеры начали возвращаться к меньшему количеству плат в 2000-х годах. Поскольку новые стандарты, такие как USB, значительно сократили разнообразие периферийных стандартов, которые должны были поддерживать материнские платы, достижения в производстве интегральных схем предоставили новые чипсеты, которые могли обеспечить функциональность многих дочерних плат, в частности ввода-вывода , в одном чипе. К концу десятилетия материнские платы ПК предлагали встроенную поддержку для дисковых накопителей, включая IDE , SATA , NVMe , RAID , интегрированный графический процессор , Ethernet и традиционный ввод-вывод, такой как последовательный порт и параллельный порт , USB и поддержка клавиатуры/мыши. Подключаемые «карты» сохранили свое значение как высокопроизводительные компоненты, такие как физически большие и сложные графические сопроцессоры , высокопроизводительные RAID-контроллеры и специализированные платы ввода-вывода, такие как платы сбора данных и DSP .
2010-е годы были отмечены быстрым и устойчивым ростом одноплатных компьютеров, во многом обусловленным достижениями в области технологий производства интегральных схем, которые впервые позволили включить большинство или все основные компоненты материнской платы на одном кристалле интегральной схемы . Одним из наиболее известных одноплатных компьютеров десятилетия был Raspberry Pi , который был построен на основе пользовательской 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 сопоставимые одноплатные компьютеры для таких проектов, как домашняя автоматизация , эмуляция видеоигр , потоковая передача мультимедиа и другие эксперименты. [8] В промышленности быстрый рост смартфонов и других малогабаритных 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 на небольшие, дешевые компоненты, которые позволили бы нетрадиционным устройствам получать доступ к Интернету. Оба эти фактора резко увеличили производство одноплатных компьютеров в течение десятилетия.
К концу 2010-х и началу 2020-х годов многие устройства, включая смартфоны, планшетные компьютеры , ноутбуки и другие интеллектуальные устройства, питаются от одноплатных компьютеров, которые используют передовые SoC ( системы на кристалле ). Хотя это значительно повысило производительность и энергоэффективность, это вызвало опасения, что одноплатные компьютеры, особенно построенные на основе SoC, сложнее ремонтировать и они могут быть менее дружелюбны к попыткам контролировать или изменять инструкции, запрограммированные в платы производителями. [9]
Одноплатные компьютеры стали возможны благодаря увеличению плотности интегральных схем . Одноплатная конфигурация снижает общую стоимость системы, уменьшая количество требуемых плат и устраняя разъемы и схемы драйверов шины, которые в противном случае использовались бы. Поместив все функции на одну плату, можно получить меньшую общую систему, например, как в ноутбуках. Разъемы являются частым источником проблем с надежностью, поэтому одноплатная система устраняет эти проблемы. [10]
Одноплатные компьютеры в настоящее время обычно подразделяются на две различные архитектуры: без слотов и с поддержкой слотов.
Встроенные одноплатные компьютеры — это устройства, обеспечивающие все необходимые входы/выходы без возможности установки сменных карт. Обычно они применяются в играх (слот-машины, видеопокер), киосках и автоматизации управления машинами . Встроенные одноплатные компьютеры намного меньше, чем материнская плата типа ATX, используемая в ПК, и обеспечивают набор входов/выходов, более ориентированный на промышленное применение, например, встроенные цифровые и аналоговые входы/выходы, встроенную загрузочную флэш-память (устраняющую необходимость в дисководе ), отсутствие видео и т. д.
Термин «одноплатный компьютер» теперь обычно применяется к архитектуре, где одноплатный компьютер подключается к объединительной плате для обеспечения плат ввода-вывода. В случае PC104 шина не является объединительной платой в традиционном смысле, а представляет собой ряд штыревых разъемов, позволяющих объединять платы ввода-вывода.
Одноплатные компьютеры чаще всего используются в промышленных ситуациях, где они используются в стоечном формате для управления процессами или встроены в другие устройства для обеспечения управления и сопряжения. Они используются в глубоководных исследованиях на глубоководных зондах ALICE и в открытом космосе на ракетах Ariane и Pegasus и Space Shuttle . [11] Из-за очень высокого уровня интеграции, уменьшенного количества компонентов и уменьшенного количества разъемов, одноплатные компьютеры часто меньше, легче, более энергоэффективны и более надежны, 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 позволяет добиться огромной экономии масштаба . Одноплатные компьютеры занимают рыночную нишу и производятся реже и по более высокой цене. Материнские платы и SBC теперь предлагают схожие уровни интеграции функций, что означает, что отказ материнской платы в любом стандарте потребует эквивалентной замены.
Ассортимент одноплатных компьютеров включает Raspberry Pi , BeagleBoard и Nano Pi . [13] [14] [15]
Одной из распространенных разновидностей одноплатных компьютеров являются стандартизированные форм-факторы компьютеров, предназначенные для использования в корпусе объединительной платы . Некоторые из этих типов — CompactPCI , PXI , VMEbus , VXI и PICMG . Одноплатные компьютеры были построены вокруг различных внутренних структур обработки, включая архитектуру Intel , многопроцессорные архитектуры и системы обработки с низким энергопотреблением, такие как RISC и SPARC . В мире ПК Intel интеллект и интерфейс/схема управления размещаются на съемной плате, которая затем вставляется в пассивную (или активную) объединительную плату. Результат аналогичен системе, построенной с материнской платой , за исключением того, что объединительная плата определяет конфигурацию слотов. Объединительные платы доступны с набором слотов ( ISA , PCI, PCI-X , PCI-Express и т. д.), обычно в количестве 20 или меньше, что означает, что они поместятся в 19-дюймовый корпус для монтажа в стойку (шасси шириной 17 дюймов).
Некоторые одноплатные компьютеры имеют разъемы, которые позволяют собирать стек плат, каждая из которых содержит аппаратное обеспечение расширения, без традиционной задней панели. Примерами стековых форм-факторов SBC являются 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, предоставляемую на подключаемых картах, таких как SIMM и DIMM . Платы жестких дисков также не учитываются при определении того, является ли компьютер SBC или нет, по двум причинам: во-первых, потому что HDD рассматривается как одноблочное запоминающее устройство, а во-вторых, потому что SBC может вообще не требовать жесткого диска, поскольку большинство из них можно загрузить с помощью сетевых подключений.
