Одноплатные компьютеры: история и современность

Введение

Компьютер, компоненты которого расположены на одной печатной плате.

Одноплатный компьютер (SBC) – это полноценный компьютер, собранный на одной плате, включающий в себя микропроцессор(ы), память, вводы/выводы (I/O) и другие функции, необходимые для работы компьютера. Одноплатные компьютеры часто используются в качестве демонстрационных или опытных образцов, в образовательных системах или в качестве встроенных 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 требуют слотов расширения для периферийных устройств или увеличения функциональности. Одноплатные компьютеры создавались на базе широкого спектра микропроцессоров. Простые конструкции, например, создаваемые энтузиастами, часто используют статическую оперативную память и недорогие 32- или 64-битные процессоры, такие как ARM. Другие типы, такие как блейд-серверы, по производительности сопоставимы с серверными компьютерами, но имеют более компактный форм-фактор. Компьютер на модуле – это тип одноплатного компьютера, предназначенный для подключения к материнской плате, базовой плате или задней панели для расширения системы.

История

Первый настоящий одноплатный компьютер был основан на Intel C8080A, также использовавший первую EPROM от Intel, C1702A. Схемы машины, названной "dyna micro", были опубликованы 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 назвала систему "Mini Micro Designer 1", рассчитывая использовать её как программируемый микроконтроллер для прототипирования электронных устройств. MMD 1 прославился как пример микрокомпьютера в популярной серии учебных материалов по 8080 того времени. Ранние одноплатные компьютеры сыграли важную роль в ранней истории домашних компьютеров, таких как Acorn Electron и BBC Micro, также разработанных Acorn. Другие типичные ранние одноплатные компьютеры, такие как KIM 1, часто поставлялись без корпуса, который необходимо было добавить владельцу. Другими ранними примерами являются Ferguson Big Board, Ampro Little Board и Nascom. Многие домашние компьютеры 1980-х годов были одноплатными компьютерами, а некоторые даже поощряли владельцев припаивать обновлённые компоненты непосредственно к предварительно отмеченным точкам на плате. По мере распространения ПК доля одноплатных компьютеров на рынке снизилась из-за их ограниченной расширяемости. Быстрое внедрение стандартов IBM для периферийных устройств и стандартизация шины PCI в 1990-х годах сделали материнские платы и совместимые компоненты и периферию дешёвыми и повсеместными, в то время как развитие мультимедийных платформ, таких как CD-ROM и Sound Blaster, начало опережать темпы, с которыми пользователям требовалось заменять свои персональные компьютеры. Эти две тенденции не стимулировали развитие одноплатных компьютеров, а вместо этого способствовали распространению материнских плат, которые обычно размещали процессор и другие основные компоненты, а периферийные компоненты, такие как контроллеры жёстких дисков и графические процессоры, и даже некоторые основные компоненты, такие как модули оперативной памяти, располагались на дочерних платах. В 2000-х годах компьютеры начали возвращаться к меньшему количеству плат. Поскольку новые стандарты, такие как USB, значительно сократили разнообразие периферийных стандартов, которые требовалось поддерживать материнским платам, достижения в производстве интегральных схем предоставили новые чипсеты, которые могли обеспечить функциональность многих дочерних плат, особенно ввода-вывода, в одном чипе. К концу десятилетия материнские платы ПК предлагали встроенную поддержку дисковых накопителей, включая IDE, SATA, NVMe, RAID, интегрированный GPU, Ethernet и традиционные интерфейсы ввода-вывода, такие как последовательный и параллельный порты, USB и поддержку клавиатуры/мыши. Плагиновые "карты" сохранили свою важность как высокопроизводительные компоненты, такие как физически большие и сложные графические сопроцессоры, высокопроизводительные RAID-контроллеры и специализированные карты ввода-вывода, такие как платы сбора данных и DSP. 2010-е годы характеризовались быстрым и устойчивым ростом одноплатных компьютеров, что во многом стало возможным благодаря достижениям в технологиях производства интегральных схем, которые впервые позволили разместить большинство или все основные компоненты материнской платы на одной интегральной схеме. Одним из наиболее известных одноплатных компьютеров десятилетия был Raspberry Pi, построенный на базе специализированного SoC Broadcom с драйверами с открытым исходным кодом. Изначально предназначенный для образования, Raspberry Pi содержал ряд функций, таких как оптимизированная поддержка Linux и программируемые GPIO-пины, которые также были очень привлекательны для любителей, которые использовали Pi и другие сопоставимые одноплатные компьютеры для проектов, таких как автоматизация дома, эмуляция видеоигр, потоковое вещание мультимедиа и другие эксперименты. В промышленности быстрый рост смартфонов и других устройств малого масштаба побудил производителей оборудования чаще использовать SoC и уменьшать размеры, расширяемость и сложность материнских плат, в то время как распространение Интернета вещей увеличило спрос на небольшие и дешёвые компоненты, которые позволили бы нетрадиционным устройствам получать доступ к Интернету. Оба этих фактора значительно 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 умные устройства, работают на одноплатных компьютерах, использующих продвинутые SoC (System on a Chip). Хотя это значительно повысило производительность и энергоэффективность, это вызвало опасения, что одноплатные компьютеры, особенно построенные на базе SoC, сложнее ремонтировать и могут быть менее дружелюбны к попыткам мониторинга или изменения инструкций, запрограммированных производителями.

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.

Приложения

Компьютеры на одной плате стали возможны благодаря увеличению плотности интегральных схем. Конфигурация на одной плате снижает общую стоимость системы за счет уменьшения количества необходимых печатных плат и исключения разъемов и схем управления шиной, которые в противном случае потребовались бы. Размещение всех функций на одной плате позволяет получить более компактную систему, например, как в ноутбуках. Разъемы часто являются причиной проблем с надежностью, поэтому система на одной плате устраняет эти проблемы. Компьютеры на одной плате сейчас обычно классифицируются по двум различным архитектурам: без слотов расширения и с поддержкой слотов. Встраиваемые SBC – это устройства, обеспечивающие весь необходимый ввод-вывод без возможности установки дополнительных карт. Типичные области применения – игровые автоматы (игровые слоты, видеопокер), киоски и автоматизация управления станками. Встраиваемые SBC значительно меньше материнских плат формата ATX, используемых в персональных компьютерах, и предлагают набор интерфейсов ввода-вывода, более ориентированный на промышленные приложения, например, встроенные цифровые и аналоговые входы-выходы, встроенную загрузочную флэш-память (исключающую необходимость в дисководе) и отсутствие видеовыхода. Термин "Single Board Computer" (компьютер на одной плате) теперь обычно применяется к архитектуре, в которой компьютер на одной плате подключается к материнской плате (backplane) для обеспечения работы карт ввода-вывода. В случае PC104 шина не является материнской платой в традиционном понимании, а представляет собой серию штыревых разъемов, позволяющих объединять платы ввода-вывода в стек. Компьютеры на одной плате наиболее часто используются в промышленных условиях, где они применяются в стойковом исполнении для управления технологическими процессами или встраиваются в другие устройства для обеспечения управления и интерфейса. Они используются при глубоководных исследованиях на глубоководных аппаратах ALICE и в космосе – на ракетах Ariane и Pegasus, а также на космических челноках. Благодаря высокой степени интеграции, уменьшению количества компонентов и разъемов, SBC часто оказываются меньше, легче, более энергоэффективными и надежными, чем сопоставимые компьютеры на нескольких платах. Основное преимущество материнской платы ATX по сравнению с SBC – это стоимость. Материнские платы производятся миллионами штук для потребительского и офисного рынков, что позволяет добиться значительной экономии за счет масштаба производства. Компьютеры на одной плате занимают нишевый рынок и производятся реже и дороже. Материнские платы и SBC теперь предлагают сопоставимый уровень интеграции функций, что означает, что выход из строя материнской платы в любом из этих стандартов потребует ее эквивалентной замены.

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

Типы, стандарты

В линейку одноплатных компьютеров входят Raspberry Pi, BeagleBoard и Nano Pi. Один из распространенных типов одноплатных компьютеров использует стандартизированные форм-факторы, предназначенные для использования в платой основе (backplane). Некоторые из этих типов – CompactPCI, PXI, VMEbus, VXI и PICMG. Одноплатные компьютеры создавались на основе различных внутренних вычислительных архитектур, включая архитектуру Intel, многопроцессорные архитектуры и энергоэффективные системы, такие как RISC и SPARC. В мире Intel PC вычислительные и интерфейсные/управляющие схемы размещаются на подключаемой плате, которая затем вставляется в пассивную (или активную) плату-основу. Результат аналогичен системе, построенной на материнской плате, за исключением того, что конфигурацию слотов определяет плата-основа. Платы-основы доступны с различными комбинациями слотов (ISA, PCI, PCI X, PCI Express и т.д.), обычно в количестве 20 или меньше, что позволяет разместить их в 19-дюймовом серверном корпусе (шасси шириной 17 дюймов). Некоторые одноплатные компьютеры имеют разъемы, позволяющие собирать стек печатных плат, каждая из которых содержит расширяющее оборудование, без использования традиционной платы-основы. Примеры форм-факторов одноплатных компьютеров со стековой архитектурой включают PC/104, PC/104 Plus, PCI 104, EPIC и EBX; эти системы обычно используются во встраиваемых системах управления. Одноплатные компьютеры стекового типа часто оснащаются памятью на подключаемых модулях, таких как SIMM и DIMM. Платы жестких дисков также не учитываются при определении, является ли компьютер одноплатным, по двум причинам: во-первых, жесткий диск рассматривается как единый блок хранения данных, а во-вторых, одноплатному компьютеру может вообще не требоваться жесткий диск, поскольку большинство из них могут загружаться по сети.