Gli ultimi decenni hanno visto il panorama dell’elettronica hobbistica trasformato da una nuova generazione di computer a scheda singola. Questi dispositivi, come si può immaginare, sono interi computer costruiti su un singolo circuito stampato. A differenza di un moderno computer desktop, un SBC (Single Board Computer) non ha bisogno di memoria o memoria aggiuntiva per l’avvio. Non richiede di infilare cavi di alimentazione in un case già troppo affollato, di collegare la RAM, di collegare le ventole del case o di schiacciare del composto termico sotto un dissipatore di calore. Queste differenze nella costruzione riflettono le diversità dello scopo. Un SBC non può certamente fare molte delle cose che fa un PC moderno ad alte prestazioni. Invece, servono in una gamma di applicazioni educative, commerciali e industriali. Si trovano in un bancomat, nelle slot machine virtuali, in un jukebox, nelle casse automatiche. Insomma, ovunque.
Qual è la differenza tra un SBC e un MCU?
E’ importante tracciare un’importante distinzione tra un SBC e un MCU. Un’unità MCU o microcontroller è una forma di sistema incorporato che integra un intero computer in un singolo chip. Sono presenti un processore, la memoria, lo spazio di archiviazione e pin di input e output programmabili. I microcontroller non sono potenti, né sono facilmente riprogrammabili. Ma poi, non hanno bisogno di esserlo: possono essere fabbricati su enorme scala per pochissimo e possono eseguire una serie di compiti per i quali un computer a tutti gli effetti sarebbe inadatto. Prendiamo come esempio un microcontroller nel telecomando del televisore. Senza un sistema operativo che lo inibisca, né programmi da eseguire, resterà inattivo per giorni o settimane, consumando quasi nulla di energia, fino a quando non si preme un pulsante, generando un segnale su uno dei suoi pin di collegamento e facendo in modo che esso spari immediatamente i segnali appropriati. I microcontroller si trovano in una gamma di computer embedded, che possono essere trovati ovunque, dai computer industriali agli ultimi dispositivi IOT edge.
Raspberry Pi, il più famoso degli SBC.
C’è una buona ragione per cui il Raspberry Pi viene considerato il più famoso. Le generazioni successive di questo computer single-board hanno venduto oltre 19 milioni di unità in tutto il mondo. È stato il lavoro della Raspberry Pi Foundation, che si è ispirata al computer BBC Micro, dopo il quale sono stati nominati i successivi modelli del Raspberry Pi. Questo SBC è stato concepito come uno strumento educativo, ed è ancora principalmente commercializzato presso le classi di aspiranti programmatori. Ma le sue applicazioni vanno ben oltre. Al momento del rilascio, ha attirato l’attenzione della comunità mondiale dell’elettronica, ha riscosso un enorme successo e ha generato un piccolo esercito di imitatori.
Fonte: https://informaticaprod.it
Il Raspberry Pi è un computer a scheda singola a basso costo spesso utilizzato per insegnare informatica.
Computer a scheda singola.
Un computer a scheda singola, noto anche con la sigla SBC (dall'inglese: single-board computer), è un computer completo costruito su una scheda a circuito singolo, con microprocessore (i), memoria, input / output (I / O) e altre funzionalità richieste per un computer funzionale. I computer a scheda singola sono stati realizzati come sistemi dimostrativi o di sviluppo, per sistemi educativi o per l'uso come controller di computer integrati. Molti tipi di computer domestici o portatili integrano tutte le loro funzioni su un singolo circuito stampato. A differenza di un personal computer desktop, i computer a scheda singola spesso non si basano sui canonici slot di espansione per funzioni aggiuntive, ma su connettori specifici (es. GPIO) per interfacciarsi con hardware e circuiti esterni. Inoltre, utilizzano microprocessori a 8 e 16 bit e RAM statica. I modelli più recenti hanno invece capacità simili a quelle di tablet o netbook (es. Raspberry PI e simili) grazie alla presenza di hardware ARM a 32 o 64 bit. Altri tipi ancora, come quelli dedicati a server blade, avrebbero prestazioni simili a un computer server, solo in un formato più compatto. Un computer su modulo è un tipo di computer a scheda singola creato per essere inserito in una scheda di supporto, scheda base o backplane per l'espansione del sistema.
Storia.
Il primo vero computer a scheda singola (vedere il numero di Radio-Electronics del maggio 1976) chiamato "dyna-micro" si basava sull'Intel C 8080 A e utilizzava anche la prima EPROM di Intel, la C1702A. Il dyna-micro è stato rinominato da E&L Instruments di Derby, nel Connecticut, nel 1976 come "MMD-1" (Mini-Micro Designer 1) ed è stato reso famoso come esempio di microcomputer nella famosissima serie 8080 "BugBook" di quel periodo. Anche gli SBC hanno avuto un ruolo importante nella storia dei computer domestici, ad esempio da parte di Acorn Electron e BBC Micro. Altri primi computer a scheda singola tipici come il KIM-1 venivano spesso spediti senza custodia, che dovevano essere aggiunti dal proprietario. Altri esempi sono la Big Board di Ferguson e il Nascom. Con l'aumentare della prevalenza del mercato dei PC, nei computer venivano utilizzati meno SBC. I componenti principali sono stati assemblati su una scheda madre, e componenti periferici quali porte seriali, controller di unità disco e processori grafici erano situati su slot di espansione. La maggior parte delle schede madri per PC ora offre supporto integrato per unità disco tra cui IDE e SATA con RAID, grafica, Ethernet e I / O tradizionali come porte seriali e parallele, USB e supporto tastiera / mouse. Le schede plug-in sono ora più comunemente schede grafiche ad alte prestazioni (in realtà coprocessori grafici), controller RAID di fascia alta e schede I / O specializzate come schede di acquisizione dati e DSP (Digital Signal Processor).
Applicazioni.
I computer a scheda singola sono stati resi possibili aumentando la densità dei circuiti integrati. Una configurazione a scheda singola riduce i costi complessivi di un sistema, riducendo il numero di schede a circuito stampato necessarie ed eliminando i connettori e i circuiti dei driver di bus che verrebbero altrimenti utilizzati. Mettendo tutte le funzioni su una scheda, è possibile ottenere un sistema complessivo più piccolo, come avviene tipicamente nei computer portatili. I connettori sono una fonte frequente di problemi di affidabilità, quindi un sistema a scheda singola elimina questi problemi. I computer a scheda singola sono ora comunemente definiti su due architetture distinte: senza slot e con slot di supporto. Gli SBC incorporati sono unità che forniscono tutti gli I / O richiesti senza predisporre schede plug-in. Le applicazioni sono in genere giochi (slot machine, video poker), chioschi e controllo di automazione delle macchine. Gli SBC incorporati sono molto più piccoli della scheda madre di tipo ATX presente nei PC e forniscono un mix I / O più mirato a un'applicazione industriale, come gli I / O digitali e analogici integrati, la memoria flash di avvio integrata (eliminando il necessità di un'unità disco), nessun video, ecc. Il termine "computer a scheda singola" ora si applica generalmente a un'architettura in cui il computer a scheda singola è collegato a un backplane per fornire schede I / O. Nel caso di PC104, il bus non è un backplane nel senso tradizionale, ma è una serie di connettori a pin che consente di impilare le schede I / O. I computer a scheda singola sono più comunemente utilizzati in situazioni industriali in cui vengono utilizzati in formato rack per il controllo di processo o integrati in altri dispositivi per fornire controllo e interfaccia. Sono utilizzati nell'esplorazione di acque profonde sulle sonde di ALICE in acque profonde e nello spazio, sui razzi Ariane e Pegasus e sullo Space Shuttle. A causa degli altissimi livelli di integrazione, della riduzione dei conteggi dei componenti e della riduzione dei conteggi dei connettori, gli SBC sono spesso più piccoli, più leggeri, più efficienti dal punto di vista energetico e più affidabili rispetto a computer multi-scheda comparabili. Spesso, il vantaggio principale di una scheda madre ATX rispetto a un SBC è il costo. Le schede madri sono prodotte in milioni di pezzi per i mercati dei consumatori e degli uffici, consentendo enormi economie di scala. I computer a scheda singola sono una nicchia di mercato e sono prodotti meno spesso e ad un costo più elevato. Schede madri e SBC ora offrono livelli simili di integrazione delle funzionalità, il che significa che un guasto della scheda madre in entrambi gli standard richiederà una sostituzione equivalente.
Tipi e standard.
Una varietà comune di computer a scheda singola utilizza fattori di forma standardizzati destinati all'uso in un contenitore backplane. Alcuni di questi tipi sono CompactPCI, PXI, VMEbus, VXI e PICMG. Gli SBC sono stati costruiti attorno a varie strutture di elaborazione interne tra cui l'architettura Intel, le architetture multiprocessore e i sistemi di elaborazione a basso consumo come RISC, SPARC e più recentemente ARM. Nel mondo dei PC Intel, i circuiti di intelligence e interfaccia / controllo sono collocati su una scheda plug-in che viene quindi inserita in un backplane passivo (o attivo). Il risultato finale è simile alla creazione di un sistema con una scheda madre, tranne per il fatto che il backplane determina la configurazione dello slot. I backplane sono disponibili con un mix di slot (ISA, PCI, PCIX, PCI-Express, GPIO, ecc.) Alcuni computer a scheda singola dispongono di connettori che consentono di assemblare una pila di schede di circuiti, ciascuna contenente hardware di espansione, senza un backplane tradizionale. Esempi di impilamento di fattori di forma SBC includono PC/104, PC/104-Plus, EPIC ed EBX; questi sistemi sono comunemente disponibili per l'uso in sistemi di controllo integrati. Gli SBC di tipo stack spesso dispongono di memoria fornita su schede plug-in come SIMM e DIMM. Anche i circuiti stampati del disco rigido non vengono conteggiati per determinare se un computer è un SBC o non per due motivi, in primo luogo perché l'HDD è considerato come un'unità di archiviazione a blocco singolo, e in secondo luogo perché l'SBC potrebbe non richiedere affatto un disco rigido, dato che la maggior parte di essi può essere avviato dalla connessione di rete.
Fonte: https://it.wikipedia.org
Uno dei primi 10 MMD-1, un'unità prototipo, prodotta da E&L Instruments nel 1976. "Dyna-micro" / "MMD-1" è stato il primo vero computer a scheda singola al mondo. L'MMD-1 aveva tutti i componenti su un singolo circuito stampato, inclusi memoria, I / O, dispositivo di input dell'utente e display. Nulla di esterno alla singola scheda tranne l'alimentazione era necessaria per entrambi i programmi previsti. Il design originale di MMD-1 era chiamato "dyna-micro", ma fu presto rinominato "MMD-1".
Un SBC 486 basato su socket 3 con alimentatore e schermo piatto.
Single Board Computer (SBC).
SBC è una scheda elettronica ad alte prestazioni, fornisce potenze di calcolo ottimizzate a fronte di bassi costi e livelli minimi di assorbimento di energia elettrica. Molto spesso sono montati su rack con fattori di forma e standard del settore industriale specifico, quali per esempio COM Express, VME. Diverse applicazioni SBC includono il controllo di aeromobili e la navigazione, radar, telecomunicazioni in generale, l’imaging medico e il controllo industriale. Queste applicazioni utilizzano processori a 32 bit per il calcolo di algoritmi vettoriali di high-end e lavorano con sistemi operativi real time embedded. Le prestazioni del processore possono variare da 400 a ben 20000 MIPS. Memoria a disposizione di solito maggiore di 256 kbyte di cache L2. Idealmente la SBC viene utilizzata quando il livello di design del componente è abbastanza complicato e non può essere prodotto localmente da un team di ingegneri. Così come i processori sono diventati più veloci (ARM, Intel) anche le SBC sono diventate più potenti con costi ridotti. La crescente economicità di questi prodotti ha motivato la progettazione di nuove SBC di diversi produttori. Alcuni esempi sono: Raspberry, Hackberry. La SBC incorpora CPU, controller di I/O e tutti i connettori standard su un’unica piccola piastra. Se tutte queste funzionalità vengono implementate su un unico chip, allora si parla di System on Chip (SoC). Oltre all’architettura PC, altri standard dominano il mercato dell’embedded. PC/104 definisce una form factor per la scheda e per il bus ISA, che permettono di superare i limiti di spazio e consumo imposti da altri sistemi e continuare, quindi, a utilizzare le architetture PC anche nei device embedded. EBX definisce le posizioni sulla piastra per componenti standard, compreso il bus PC/104-Plus, ma non definisce un nuovo bus di sistema. Oltre alle CPU Intel IA32 (x86), sono diffuse ARM, Power PC, MIPS. Le Single Board Computer in formato PC/104 si caratterizzano in particolare per la loro compattezza e per la considerevole diffusione dello standard.
Software/Hardware per SBC.
Fin dalla sua nascita, l’architettura standard delle SBC era Intel x86 per le sue elevate prestazioni con il sistema operativo Microsoft. Più di recente, Linux ha guadagnato molto sostegno per essere altrettanto potente ma soprattutto open-source. Uno studio afferma che Linux rappresenta il sistema operativo maggiormente utilizzato dagli ingegneri embedded. Alcuni produttori di SBC hanno anche realizzato un proprio sistema operativo, un esempio è NI Real-Time (RTOS). Sistemi operativi come RTOS differiscono da quelli più generali, in quanto sono progettati per eseguire le applicazioni con tempistiche e gradi di affidabilità molto efficienti. Processi in real time possono essere identificati in due gradi di robustezza: soft e hard. Solo quest’ultimo garantisce assolutamente le massime prestazioni. Tuttavia, processi in real time richiedono la realizzazione sia di sistemi operativi real-time sia di software. SBC moderni offrono la possibilità di un integrato schermo Touch. Un esempio è il touch NI Touch Panel Module, che è in grado di lavorare su LabVIEW della SBC con sistema operativo Windows CE. Planar offre una selezione di oltre 16 Touch screen con ingressi digitali che possono essere adattati ad ogni SBC.
Raspberry e Hackberry.
Raspberry è un SBC di dimensioni tipo carta di credito, sviluppata in Inghilterra da Raspberry Pi Foundation con l’intento di stimolare l’insegnamento di informatica di base nelle scuole. Il Raspberry PI ha una broadcom BCM2835 system (SoC), che comprende un ARM1176JZF-S 700 Mhz, VideoCore IV GPU e originariamente fornito con 256 Mbyte di RAM, successivamente aggiornata a 512 Mbyte. ARM11 è un’architettura ARM a 32 bit RISC che ha introdotto le architetture aggiuntive ARMv6. Questi includono le istruzioni SIMD media, supporto multiprocessore e un architettura di nuova cache. L’implementazione permette un deciso miglioramento delle pipeline di elaborazione delle istruzioni, rispetto alle precedenti ARM9 e ARM10. Utilizzato principalmente negli Smartphone di Apple e Nokia. La scheda Raspberry non include un built-in del disco rigido ma utilizza una scheda SD per la memorizzazione a lungo termine. Il firmware include una serie di tool che permette all’utente di raggiungere velocità di clock fino a 1 Ghz. La Fondazione fornisce Debian Linux come sistema operativo e strumenti per lo sviluppo di applicativi in Python. Hackberry è basato sul popolare ARM10 a 1.2 Ghz Allwinner con supporto Linux (e anche Android). La scheda possiede il protocollo Wi-Fi ed Ethernet per la comunicazione via web con l’accelerazione hardware 3D e un GPU Mail400 garantisce una decodifica video full HD. Il dispositivo offre una vasta gamma di opzioni di connettività. USB, audio in o out, uscita HDMI e AV nonché l’accesso a basso livello tramite RS232 che consente al dispositivo di agevolare il debug per chi è interessato a creare proprie immagini del sistema operativo per farle funzionare sulla scheda.
Power Management nelle SBC.
Tecniche di analisi di potenza sono state proposte per i sistemi embedded, basate sulla caratterizzazione a livello di istruzioni e simulazioni hardware. Il Dynamic Power Management ha dimostrato di essere particolarmente efficace per ridurre la dissipazione di potenza in tali sistemi. Incorporare un sistema dinamico di potenza è un processo difficile che richiede molte iterazioni di design e un attento debug. L’obiettivo di una politica di gestione dinamica di alimentazione è ridurre il consumo di energia di un sistema elettronico per mettere i componenti del sistema in diversi stati, ciascuno che rappresenta una certa prestazione con determinati livelli di energia. La politica determina il tipo e il timing delle transizioni basate sulla storia del sistema, carico di lavoro e prestazioni. Gli elementi principali di un micro-computer sono il microprocessore, memoria e bus di comunicazioni dedicati a fornire i mezzi di comunicazione per i dati. Questi canali tendono a sostenere del traffico “pesante” e costituiscono spesso il collo di bottiglia delle prestazioni in molti sistemi. Allo stesso tempo la dissipazione di energia per bus di accesso alla memoria è piuttosto elevata, che a sua volta limita l’efficienza in termini energetici dell’intero sistema. Tecniche di low power bus encoding vengono utilizzate per far fronte a questo tipo di problemi.
Android e SBC.
APC Android è un micro-computer di dimensioni piccolissime, circa 17 * 8 cm. Il cuore della Single Board Computer APC è un ARM11, con 512 MB di memoria DDR3 e 2 GB di memoria flash. Il chip supporta riproduzione video HD 1080p con codifica video H.264 e grafica OpenGLES 2.0. Il processore è simile a quello che si ha con il Raspberry Pi. Non sarà il chip più veloce al mondo, ma è sufficiente a supportare la versione di Android 2.3. Ciò che contraddistingue l’APC da Raspberry è la vasta gamma di porte incluse. Dispone di porte VGA e HDMI, 4 porte USB 2.0, Ethernet 10/100 e slot per MicroSD. L’unica cosa che manca è il protocollo Wi-Fi, ma si dovrebbe essere in grado di aggiungerlo attraverso la porta USB. Una Single Board Computer che può definirsi la rivale di Raspberry è Gooseberry. Le caratteristiche principali possono essere riassunte di seguito: processore 1 Ghz, 512 MB di RAM, storage interno di 4 GB, Wi-Fi, 1 porta USB. La versione attuale può montare solo il sistema operativo Android; ma sviluppi futuri su questa scheda porteranno all’utilizzo di altre distribuzioni operative commerciali tra i quali Linux. Con la Goosberry, Android è sempre più presente nel mondo embedded.
Fonte: http://elettronica-plus.it
