Одноплатные компьютеры для создания эффективных вычислительных систем

Одноплатный компьютер (Single Board Computer — SBC) представляет собой устройство, собранное на одной печатной плате, на которой размещены микропроцессор, графический чип, оперативная память, порты для подключения внешних устройств, сетевых интерфейсов, IDE и SATA для подключения жестких дисков, стандартные шины расширения и порт Ethernet. Виды одноплатных компьютеров с расширенными функциями содержат разъёмы для карт памяти, промышленные интерфейсы, цифровые и аналоговые порты (GPIO) ввода-вывода и несколько Ethernet-портов, а также порты для подключения накопителей.

Одноплатный компьютер имеет компактный размер (чуть меньше пластиковой карты), низкое энергопотребление и относительно низкую стоимость.

Сфера применения

Одноплатные компьютеры используют в образовательно-демонстрационных целях для изучения:

• Информатики;
• Основ электроники;
• Схемотехники;
• Программирования;
• Системы «умный дом»;
• Робототехники.

Также они применяются в роли систем для разработчиков и в качестве встраиваемых или промышленных компьютеров. Наличие многофункциональных GPIO и UART портов позволяет одноплатникам участвовать в проектах для программного управления микроэлектроникой. В одноплатных компьютерах установлена универсальная операционная система на основе ядра Linux, которая позволяет использовать их в построении сетевого оборудования, роутеров (маршрутизаторов) и различных серверов.

Не менее значимым применением современных одноплатных компьютеров, с максимальным объёмом оперативной памяти 64 Гб, быстрой скоростью чтения и записи данных, имеющую мощную интегрированную графику и качественный звуковой чип, является их участие в:

• домашних медиацентрах;
• в охранных системах видеонаблюдения;
• энергоэффективных десктопов;
• mini-ПК под управлением операционных систем на базе ядра Linux - Debiаn, Ubuntu, Fedora, Android;
• медицинском оборудовании;
• измерительных приборах;
• диагностических устройствах;
• IP-телефонии;
• наземном транспорте;
• авиации;
• приборостроении.

В условиях, когда для решения разных задач необходимы разные активные мощности и разнообразные наборы интерфейсов, производители выпускают огромное количество моделей одноплатных компьютеров. И обеспечивают их стандартными шинами расширения для увеличения функциональных возможностей. Системным программистам остаётся только подготовить специальное программное обеспечение и дополнить одноплатные компьютеры требуемыми интерфейсами.

Значимые требования к одноплатному компьютеру

SBC это уникальное микропроцессорное устройство, очень легко адаптируемое для решения разных задач, но с учетом существенных требований при выборе вычислительного ядра:

• Размер очень важен во многих случаях, особенно для мобильных применений.
• Энергопотребление связано с допустимым пределом температурного режима и обеспечением понижения тактовой частоты (Core Speed) многоядерного процессора при перегреве.
• Устойчивость к механическим повреждениям для систем с соотношением большого количества компонентов, подключенных на плату с минимальным количествам разъёмов, которые чувствительны к вибрации и ударам.
• Возможность эксплуатации в широком температурном режиме.
• Устойчивость к электромагнитным помехам (рядом с генераторами, моторами и другими источниками электростатических и электромагнитных полей).
• Надежность и ремонтопригодность - МТТR (Меаn Time То Repair) определённая конструкция, которая позволяет производить оперативную замену некорректно работающих компонентов.
• Гибкость - возможность варьировать и наращивать функции системы путём сочетания одноплатного компьютера с платами расширения. Гибкость является главным критерием выбора SBC, т.к. предоставляет возможность быстро адаптироваться к требованиям пользователя.
• В перспективе, возможность улучшения главных характеристик вычислительного ядра (upgrade) для приложений, в которых нагрузка на SBC может в течение времени повышаться.

Типоразмеры одноплатных компьютеров

Учитывая многообразие факторов, от стоимости до устойчивости к температурным и механическим воздействиям, необходимо ориентироваться в сегодняшних тенденциях рынка SBC для выбора вычислительного ядра микропроцессорной системы. Итак, основные характеристики стандартных одноплатных компьютеров:

• PC/104 - плата размером 90х96мм. Платы соединяются по принципу этажерки с 4-мя угловыми стойками и проходными разъемными шинами РС/104.
• PC/104+ - идентичен по размерам с PC/104, имеет добавочную проходную шину аналогичную РСI.
• MicroРС - размер платы 114х124, ножевой разъём идентичен 8-разрядной шине ISA.
• 3,5” - форм-фактор 3,5 дюймового накопителя, размером 148х95мм, который наращивается модулями РС/104.
• 5,25’’ - форм-фактор 5-дюймого накопителя, размером 203х145мм, наращиваемый с помощью модулей РС/104 или РС/104+.
• ЕВХ - аналогичен 5,25’’ форм-фактору, только другие размеры платы (203х146мм) и расположение крепежных отверстий, поддерживает РС/104+.

В торговых терминалах встречаются большие размеры плат. Например, Flех АТХ (229х191), Мicro АТХ (244х244мм), Мini АТХ (284х208мм), LРХ (235х220мм). 

Одним из последних из представленных одноплатных компьютеров является ПК Odroid-C4, разработанный корейской компанией Hardkernel. Имея четырехъядерный процессор ARM Cortex A55 (с чипом Amlogic S905X3, весом 59г.) и размером платы 85х56мм, SBC снабжён пассивной системой охлаждения и двухъядерной интегрированной видеокартой Mali-G31 MP2 с рабочей частотой 650 МГц. Данные параметры позволяют Odroid-C4 считаться самым компактным на рынке одноплатных компьютеров.

Ещё одну новинку в конце 2020г. представляет Boardcon EMH6 одноплатный компьютер с 4-х ядерным процессором Allwinner H6, 64-разрядной архитектурой и 1 Гб оперативной памяти LPDDR3. На основе данного устройства могут создаваться Smart TV приставки, электронные устройства для видеоигр и оборудование с возможностью проводного и беспроводного обмена данными.

Источник - Axonim