Бір тақтадағы компьютерлер

Кіріспе

Компьютер, оның компоненттері бір ғана баспа схема тақтасында орналасқан.

Бір тақталы компьютер (SBC) – микропроцессор(лар)ы, жадысы, кіріс/шығыс (I/O) және толыққанды компьютер үшін қажетті басқа да мүмкіндіктері бар, бір схема тақтасында құрылған толық компьютер. Бір тақталы компьютерлер көбінесе демонстрациялық немесе әзірлеу жүйелері, білім беру жүйелері ретінде немесе кіріктірілген компьютерлік басқарушы ретінде қолданылады. Көптеген үй компьютерлерінің немесе портативті компьютерлердің түрлері барлық функцияларын бір ғана баспа схема тақтасына біріктіреді. Үстелдік дербес компьютерлерден айырмашылығы, бір тақталы компьютерлер көбінесе шеткі құрылғылардың функциялары немесе кеңейту үшін кеңейту слоттарына тәуелді болмайды. Бір тақталы компьютерлер микропроцессорлардың кең ауқымын пайдалана отырып жасалған. Компьютер хоббистері жасаған қарапайым конструкциялар көбінесе статикалық жад және ARM сияқты төмен бағалы 32 немесе 64 биттік процессорларды қолданады. Басқа типтер, мысалы, блейд-серверлер, серверлік компьютер сияқты жұмыс істейді, бірақ ықшам форматта. Модульдік компьютер – жүйелік кеңейту үшін тасымалдағыш тақтаға, негізгі тақтаға немесе артқы панельге қосылатын бір тақталы компьютердің түрі.

Тарих

Бірінші нағыз бір тақталы компьютер Intel C8080A негізінде жасалған, сонымен қатар Intel-дің алғашқы EPROM-ы, C1702A да қолданылған. "dyna micro" деп аталған машинаның схемасы 1976 жылдың мамыр айында "Radio Electronics" журналында жарияланды. Сол жылы E&L Instruments компаниясы, Коннектикут штатының Дерби қаласында орналасқан компьютер өндірушісі, жүйенің өндірісін бастады және оны "Mini Micro Designer 1" деп атады. Ол электрондық өнімдердің прототиптерін жасау үшін бағдарламаланатын микробасқарушы ретінде қолдануға арналған еді. MMD 1 сол кездегі танымал 8080 нұсқаулар сериясындағы үлгілік микрокомпьютер ретінде танымал болды. Ертедегі SBC-лер Acorn Electron және BBC Micro сияқты үй компьютерлерінің бастапқы тарихында маңызды рөл атқарды, олар да Acorn компаниясымен әзірленген. KIM 1 сияқты басқа да ерте бір тақталы компьютерлер көбінесе иесі қосуға тиіс корпуссыз жеткізілді. Басқа ерте үлгілерге Ferguson Big Board, Ampro Little Board және Nascom кіреді. 1980 жылдары көптеген үй компьютерлері бір тақталы компьютерлер болды, ал кейбіреулері иелерін жаңартылған компоненттерді тақтадағы белгіленген орындарға тікелей дәнекерлеуге шақыратын. PC кеңінен таралған сайын, SBC-нің нарықтық үлесі төмендеді, себебі олардың кеңейту мүмкіндігі шектеулі болды. 1990 жылдары IBM-нің шеткі құрылғылар стандарттарын қабылдауы және PCI шинасының стандартталуы аналық платаларды және олармен үйлесімді компоненттерді және шеткі құрылғыларды арзан және қолжетімді етті. CD ROM және Sound Blaster карталары сияқты мультимедиалық платформалардың дамуы пайдаланушылардың жеке компьютерлерін жаңарту жиілігін арттырды. Бұл екі фактор бір тақталы компьютерлерге деген қызығушылықты төмендетіп, аналық платалардың көбеюіне әкелді, олар әдетте процессор және басқа негізгі компоненттерді, сондай-ақ қатты дискі контроллерлері және графикалық процессорлар сияқты шеткі құрылғыларды қамтыды, тіпті RAM модульдері сияқты кейбір негізгі компоненттер де қосалқы платаларда орналастырылды. 2000 жылдары компьютерлер тақталардың санын азайтуға көшті. USB сияқты жаңа стандарттар аналық платалар қолдауы тиіс шеткі стандарттардың түрлерін қысқартқандықтан, интегралды схемаларды өндірудегі жетістіктер көптеген қосалқы платалардың функционалдығын, әсіресе I/O, бір чипте біріктіретін жаңа чипсеттерді ұсынды. Онжылдықтың соңына қарай PC аналық платалары IDE, SATA, NVMe, RAID, интеграцияланған GPU, Ethernet және сериялық порт, параллель порт, USB және пернетақта/тәуірлегіш қолдауы сияқты дискілерді қолдауды ұсынды. Плагиндік "карталар" жоғары өнімділік компоненттері ретінде маңыздылығын сақтап қалды, мысалы, физикалық жағынан үлкен және күрделі графикалық копроцессорлар, жоғары деңгейдегі RAID контроллерлері және деректерді жинау және DSP тақталары сияқты мамандандырылған I/O карталары. 2010 жылдар бір тақталы компьютерлердің жылдам және тұрақты өсуімен сипатталды, бұл интегралды схемаларды өндірудегі жетістіктердің арқасында мүмкін болды. Бұл жетістіктер алғаш рет аналық платаның көптеген немесе барлық негізгі компоненттерін бір интегралды схемалық кристалға біріктіруге мүмкіндік берді. Онжылдықтың ең танымал бір тақталы компьютерлерінің бірі Raspberry Pi болды, ол ашық бастапқы драйверлермен бірге арнайы Broadcom SoC негізінде құрылған. Бастапқыда білім беру үшін жасалған Raspberry Pi, Linux қолдауын және бағдарламаланатын GPIO тіліктерін қамтиды, бұл оны хоббистерге де тартымды етті. Олар Pi және басқа да ұқсас SBC-лерді үйді автоматтандыру, бейне ойын эмуляциясы, медиа ағыны және басқа да эксперименттер үшін пайдаланды. Өнеркәсіпте смартфондар мен басқа да кішкентай құрылғылардың жылдам өсуі аппараттық өндірушілерді SoC-терді жиі пайдалануға және аналық платалардың көлемін, кеңейту мүмкіндігін және күрделілігін азайтуға итермеледі. Ал заттар интернетінің кеңінен таралуы Интернетке қол жеткізуге мүмкіндік беретін шағын, арзан компоненттерге деген сұранысты арттырды. Бұл екі фактор да онжылдық бойы бір тақталы компьютерлердің өндірісін күрт арттырды. 2010 жылдардың соңы мен 2020 жылдардың басында смартфондар, планшеттік компьютерлер, ноутбуктер және басқа да смарт құрылғылардың көптеген түрлері озық SoC (System on a Chip) пайдаланатын бір тақталы компьютерлермен жұмыс істейді. Бұл өнімділікті және энергия тиімділігін арттырғанмен, SoC-ге негізделген бір тақталы компьютерлерді жөндеу қиынға түсетіні және өндірушілер тақталарға бағдарламаланған нұсқауларды бақылауға немесе өзгертуге тырысуға оңай еместігі туралы алаңдаушылықтар тудырды.

The first true single board computer was based on the Intel C8080A, also using Intel's first EPROM, the C1702A. Schematics for the machine, called the "dyna micro" were published in Radio Electronics magazine in May 1976. Later that year, production of the system began by E&L Instruments, a Derby, Connecticut based computer manufacturer, which branded the system as the "Mini Micro Designer 1", intending it for use as a programmable microcontroller for prototyping electronic products. The MMD 1 was made famous as an example microcomputer in popular 8080 instruction series of the time. Early SBCs figured heavily in the early history of home computers, such as the Acorn Electron and the BBC Micro, also developed by Acorn. Other typical early single board computers like the KIM 1 were often shipped without enclosure, which had to be added by the owner. Other early examples are the Ferguson Big Board, the Ampro Little Board, and the Nascom. Many home computers in the 1980s were single board computers, with some even encouraging owners to solder upgraded components directly to pre marked points on the board. As the PC became more prevalent, SBCs decreased in market share due to their low extensibility. The rapid adoption of IBM's standards for peripherals and the standardization of the PCI bus in the 1990s made motherboards and compatible components and peripherals cheap and ubiquitous, while the development of multimedia platforms such as the CD ROM and Sound Blaster cards had begun to fast outpace the rate at which users needed to replace their personal computers. These two trends disincentivized single board computers, and instead encouraged the proliferation of motherboards, which typically housed the CPU and other core components, with peripheral components such as hard disk drive controllers and graphics processors, and even some core components such as RAM modules, located on daughterboards. Computers began to move back towards fewer boards in the 2000s. As new standards like USB dramatically reduced the variety of peripheral standards motherboards were expected to support, advances in integrated circuit manufacturing provided new chipsets which could provide the functionality of many daughterboards, particularly I/O, in a single chip. By the end of the decade, PC motherboards offered on board support for disk drives including IDE, SATA, NVMe, RAID, integrated GPU, Ethernet, and traditional I/O such as serial port and parallel port, USB, and keyboard/mouse support. Plug in "cards" retained their importance as high performance components, such as physically large and complex graphics coprocessors, high end RAID controllers, and specialized I/O cards such as data acquisition and DSP boards. The 2010s were defined by rapid and sustained growth in single board computers, enabled largely by advances in integrated circuit production techniques that made it possible for the first time to include most or all of the core components of a motherboard on a single integrated circuit die. One of the more well known single board computers of the decade was the Raspberry Pi, which was built around a custom Broadcom SoC with open source drivers. Originally intended for education, the Raspberry Pi contained a number of features, such as optimized Linux support and programmable GPIO pins, that were also greatly appealing to hobbyists, who used the Pi, and other comparable SBCs, for projects such as home automation, video game emulation, media streaming, and other experimentation. In industry, the rapid growth of smartphones and other small scale devices encouraged hardware manufacturers to move towards more frequent use of SoCs and the reduction of motherboards in size, extensibility and complexity, while the proliferation of the Internet of Things increased demand for small, cheap components that would allow unconventional devices to access the Internet. Both of these factors dramatically increased production of single board computers throughout the decade. By the end of the 2010s and the early 2020s, many devices, including smartphones, tablet computers, laptops and other smart devices, are powered by single board computers which utilize advanced SoCs (System on a Chip). While this has greatly increased performance and power efficiency, it has raised concerns that single board computers, particularly those built around SoCs, are harder to repair and may be less friendly to attempts to monitor or modify instructions programmed into the boards by manufacturers.

Қолданбалар

Бір платалы компьютерлер интегралдық схемалардың тығыздығының артуының нәтижесінде пайда болды. Бір платалық конфигурация жүйе құнының төмендеуіне мүмкіндік береді, себебі ол қажетті платалардың санын азайтады, сондай-ақ, әдетте қолданылатын коннекторлар мен шина драйверлерінің схемаларын жояды. Барлық функцияларды бір платаға біріктіру арқылы, мысалы, ноутбуктердегідей, жалпы жүйенің көлемін кішірейте аласыз. Коннекторлар жиі сенімділік мәселелеріне себеп болады, сондықтан бір платалы жүйе осы мәселелерді жояды. Бір платалы компьютерлер қазіргі таңдағыда екі ерекше архитектура бойынша анықталады: слоттарсыз және слоттарды қолдаумен. Кірістірілген SBC-лер – бұл барлық қажетті I/O интерфейсін ұсынатын, бірақ қосымша карталарды қосу мүмкіндігі жоқ құрылғылар. Олар көбінесе ойын автоматтары, видеопокер, киосктар және машиналарды басқаруды автоматтандыру сияқты салаларда қолданылады. Кірістірілген SBC-лер компьютерлердегі ATX типті аналық платалардан әлдеқайда кішідірек және өндірістік қолдануға бағытталған I/O интерфейсінің жиынтығын ұсынады, мысалы, бортындағы аналогтық және цифрлық I/O, бортындағы жүктемелі флэш-жад (дискіге қажеттілікті жояды), бейне интерфейсінің болмауы және т.б. «Бір платалы компьютер» термині қазіргі таңдағыда, I/O карталарын қосу үшін бір платалы компьютердің артқы панеліне қосылатын архитектураны білдіреді. PC104 жағдайында шина дәстүрлі мағынадағы артқы панель емес, ол I/O платаларын тіктеп орнатуға мүмкіндік беретін штырлық коннекторлардың тізбегі болып табылады. Бір платалы компьютерлер ең көп кездесетін орталық – өнеркәсіптік сала, онда олар процестерді басқару үшін стойкаға орнатылатын форматта немесе басқа құрылғылардың құрамында басқару және интерфейс беру үшін қолданылады. Олар ALICE теңіз зондтарында терең теңізді зерттеуде, сондай-ақ ғарышта, Ariane және Pegasus ракеталарында және Space Shuttle-да қолданылады. Интеграцияның жоғары деңгейі, компоненттер мен коннекторлардың азайтылуының арқасында SBC-лер әдетте салыстырмалы көп платалы компьютерлерге қарағанда кішідірек, жеңіл, энергияны тиімдірек және сенімді болады. ATX аналық платасының SBC-ге қарағандағы басты артықшылығы – құны. Аналық платалар тұтынушылар мен кеңселер нарығы үшін миллиондаған данада өндіріледі, бұл үлкен экономияға мүмкіндік береді. Бір платалы компьютерлер – бұл нарықтағы тар ниша, сондықтан олар сирек және қымбат өндіріледі. Аналық платалар мен SBC-лер қазіргі таңдағыда ұқсас деңгейдегі мүмкіндіктерді біріктіреді, яғни егер екі стандарттың бірінде де ақаулық туындаса, оны алмастыру қажет болады.

Single board computers were made possible by increasing the density of integrated circuits. A single board configuration reduces a system's overall cost, by reducing the number of circuit boards required, and by eliminating connectors and bus driver circuits that would otherwise be used. By putting all the functions on one board, a smaller overall system can be obtained, for example, as in notebook computers. Connectors are a frequent source of reliability problems, so a single board system eliminates these problems. Single board computers are now commonly defined across two distinct architectures: no slots and slot support. Embedded SBCs are units providing all the required I/O with no provision for plug in cards. Applications are typically gaming (slot machines, video poker), kiosk, and machine control automation. Embedded SBCs are much smaller than the ATX type motherboard found in PCs, and provide an I/O mix more targeted to an industrial application, such as on board digital and analog I/O, on board bootable flash memory (eliminating the need for a disk drive), no video, etc. The term "Single Board Computer" now generally applies to an architecture where the single board computer is plugged into a backplane to provide for I/O cards. In the case of PC104, the bus is not a backplane in the traditional sense but is a series of pin connectors allowing I/O boards to be stacked. Single board computers are most commonly used in industrial situations where they are used in rackmount format for process control or embedded within other devices to provide control and interfacing. They are used in deep sea exploration on the ALICE deep sea probes and in outer space, on the Ariane and Pegasus rockets and Space Shuttle. Because of the very high levels of integration, reduced component counts and reduced connector counts, SBCs are often smaller, lighter, more power efficient and more reliable than comparable multi board computers. The primary advantage of an ATX motherboard as compared to an SBC is cost. Motherboards are manufactured by the millions for the consumer and office markets allowing tremendous economies of scale. Single board computers are a market niche and are manufactured less often and at a higher cost. Motherboards and SBCs now offer similar levels of feature integration meaning that a motherboard failure in either standard will require equivalent replacement

Түрлері, стандарттары

Бір платалы компьютерлердің қатарына Raspberry Pi, BeagleBoard және Nano Pi кіреді. Бір платалы компьютердің кең таралған түрі стандартталған компьютерлік форма факторларын пайдаланады, олар артқы панельге орнатуға арналған. Осы типтердің кейбіреулері CompactPCI, PXI, VMEbus, VXI және PICMG болып табылады. SBC-лер Intel архитектурасы, мультипроцессорлық архитектуралар және RISC және SPARC сияқты төмен қуатты өңдеу жүйелері сияқты әртүрлі ішкі өңдеу құрылымдары негізінде құрылған. Intel PC әлемінде, интеллект және интерфейс/басқару тізбегі қосымша платаға орналастырылып, содан кейін пассивті (немесе белсенді) артқы панельге енгізіледі. Нәтижесі аналық платамен құралған жүйеге ұқсас, бірақ артқы панель слоттардың конфигурациясын анықтайды. Артқы панельдер ISA, PCI, PCI X, PCI Express және т.б. слоттармен қол жетімді, әдетте олардың саны 20-дан аспайды, бұл оларды 19 дюймдік тіреуге орнатуға арналған корпусқа (17 дюймдік кең шасси) сыйдыруға мүмкіндік береді. Кейбір бір платалы компьютерлерде кеңейтім жабдықтарын қамтитын схемалық платалардың үймелерін дәстүрлі артқы панельсіз құрастыруға мүмкіндік беретін коннекторлар бар. Үймелі SBC форма факторларының мысалдары: PC/104, PC/104 Plus, PCI 104, EPIC және EBX; бұл жүйелер көбінесе кіріктірілген басқару жүйелерінде қолданылады. Үймелі типтегі SBC-лерде көбінесе SIMM және DIMM сияқты қосымша карталарда жад көзделген. Қатты дискінің схемалық платалары компьютердің SBC екенін анықтау үшін екі себептен есепке алынбайды: біріншіден, HDD бір блок сақтау құрылымы ретінде қарастырылады, екіншіден, SBC-ге мүлдем қатты диск қажет болмауы мүмкін, өйткені көпшілігі желілік қосылымдарынан жүктеле алады.