Spis treści:
Moduły SBC znajdują dziś zastosowanie w tysiącach aplikacji komercyjnych, przemysłowych, a także… projektach DIY. O tym, co warto o nich wiedzieć, przeczytasz w dzisiejszym wpisie.
Elektronika jest dziedziną techniki, która najsilniej uległa trendom wszechobecnej miniaturyzacji. Nic zresztą dziwnego – rosnąca gęstość upakowania tranzystorów w półprzewodnikowych strukturach układów scalonych prowadzi do wzrostu mocy obliczeniowej zarówno małych mikrokontrolerów, jak i wydajnych procesorów komputerowych (CPU) oraz koprocesorów graficznych (GPU), a większe możliwości w zakresie przetwarzania dużych ilości danych napędzają rozwój kolejnych obszarów technologii. Ta „spirala” rozkręca się coraz mocniej, zmieniając obraz rynku urządzeń elektronicznych, na bieżąco dostosowując się do potrzeb użytkowników, a w wielu wypadkach wręcz kształtując ich preferencje zakupowe. Postęp nie ominął także komputerów, które – za sprawą nowoczesnych układów typu SoC (ang. System-on-Chip) mogą mieć dzisiaj wymiary… karty kredytowej. Dziś przedstawimy tę właśnie kategorię komputerów, określaną mianem SBC.
Co to jest SBC?
Minikomputer jednopłytkowy (ang. Single-Board Computer, czyli właśnie SBC) to kompletny komputer, zintegrowany na jednej płytce drukowanej (PCB).
Z reguły takie urządzenia są wyjątkowo kompaktowe (ich rozmiary nie przekraczają zwykle kilkunastu centymetrów w najdłuższym wymiarze, choć niektóre modele mają np. zaledwie 40×40 mm!), energooszczędne i zaprojektowane tak, by było możliwe ich zastosowanie w szerokim zakresie rozmaitych aplikacji. Dzięki swojej prostocie (oczywiście tylko pod względem użytkowym, gdyż „pod maską” kryją najnowsze zdobycze technologii półprzewodnikowej) oraz niewielkim wymiarom, są one często używane w komercyjnych systemach wbudowanych, prototypowaniu, automatyce przemysłowej, edukacji oraz w niezliczonych projektach DIY.
Anatomia minikomputera jednopłytkowego
Podstawowym elementem architektury minikomputera jednopłytkowego jest najczęściej układ SoC, który zawiera jedno- lub wielordzeniowy procesor, dodatkowy koprocesor graficzny GPU, liczne interfejsy GPIO (linie wejścia-wyjścia, znane także z prostszych mikrokontrolerów) oraz rozmaite kontrolery komunikacji szeregowej: SPI, UART, I2C, czy też I2S.
Obok SoC umieszczane są wszystkie niezbędne bloki peryferyjne: pamięć RAM, obwody zasilania i resetu, interfejsy warstwy fizycznej (PHY) dla łącza Ethernet, moduły komunikacji radiowej WiFi/Bluetooth, sloty kart microSD, a nierzadko także wbudowana pamięć Flash typu eMMC.
Większość minikomputerów SBC oferuje również różne złącza i porty, znane z klasycznych komputerów (USB, HDMI, wejścia/wyjścia audio), a także specjalne gniazda do podłączania modułów kamer (CSI), wyświetlaczy LCD (DSI) oraz – co stało się już swego rodzaju standardem – gniazda goldpin, udostępniające linie GPIO oraz szyny zasilania.
Te ostatnie są (obok niewielkich rozmiarów) jednym z najważniejszych czynników, odróżniających SBC od konwencjonalnych komputerów – złącza GPIO umożliwiają bowiem bezpośredni dostęp do linii wejścia/wyjścia procesora, co pozwala na proste sterowanie zewnętrznymi układami elektronicznymi (np. przekaźnikami czy wyświetlaczami LED), a także podłączanie dodatkowych czujników – dokładnie w taki sam sposób, jaki znany jest m.in. z popularnych płytek Arduino.
Malina i kapelusze – ekosystem Raspberry Pi
Nie da się ukryć, że ekspansja minikomputerów jednopłytkowych nastąpiła w dużej mierze za sprawą serii płytek Raspberry Pi. Te wydajne moduły, oparte na zaawansowanych procesorach SoC marki Broadcom, podbiły serca użytkowników za sprawą doskonałego wsparcia od strony programowej (do wyboru jest wiele systemów operacyjnych, głównie dystrybucji Linuksa, a także tysiące skompilowanych pakietów bibliotecznych, programów użytkowych, narzędzi i toolchainów), jak i rozbudowanego ekosystemu sprzętowego.
Ten ostatni opiera się na złączu GPIO, mającym postać 40-pinowego, męskiego gniazda goldpin w rastrze 2.54 mm – do niego właśnie podłączane są nakładki funkcjonalne, określane wspólnym mianem Raspberry Pi Hat. I te właśnie „kapelusze” – wśród których można znaleźć moduły telekomunikacyjne (GPS, GSM, LoRA, etc.), sterowniki silników, wyświetlacze, moduły czujnikowe i przekaźnikowe oraz setki innych – stanowią o ogromnej elastyczności platformy Raspberry Pi.
Dzięki nakładkom z serii RPi HAT, każdy – nawet osoba niezaznajomiona z elektroniką i programowaniem – może zbudować własny system wbudowany, realizujący określone funkcje, np. sterownik inteligentnego domu.
Inne rodziny minikomputerów SBC
Na rynku dostępne są także inne rodziny minikomputerów jednopłytkowych, zarówno mniej lub bardziej zbliżone do Raspberry Pi, jak i całkowicie odróżniające się od konkurencji, np. za sprawą zintegrowanych koprocesorów AI (wspierających efektywne wykonywanie obliczeń w algorytmach sztucznej inteligencji), rozbudowanych zestawów interfejsów wejścia/wyjścia, dodatkowych slotów dla pamięci RAM DDR4, czy też interfejsów SATA, wspierających podłączanie standardowych dysków twardych.
Do najpopularniejszych i najbardziej zaawansowanych rodzin minikomputerów SBC – obok Raspberry Pi – należą m.in.: Odroid, NanoPi, Pine64, LattePanda, UP board, Khadas VIM, Sparky, BeagleBone, Odyssey, CubieBoard, Asus Tinker Board, Google Coral czy wreszcie Nvidia Jetson – jeżeli jesteś zainteresowany zarówno modułami głównymi, jak i kompatybilnymi akcesoriami, koniecznie zapoznaj się z ofertą dostępną w sekcji Minikomputery w sklepie dla robotyków Botland!
Do czego można wykorzystać minikomputer jednopłytkowy?
Zastosowania minikomputerów jednopłytkowych są niezwykle szerokie. Do najczęściej spotykanych (zwłaszcza w świecie DIY) należą m.in. domowe serwery HTTP i NAS, customowe routery sieciowe, inteligentne roboty mobilne, stacje pogodowe, systemy automatyki domowej, konsole gier czy też systemy media center. Duże możliwości modułów SBC sprawiają, że największym ograniczeniem jest w rzeczywistości… pomysłowość konstruktora.
