Гид по выбору платформы разработки. Одноплатные компьютеры

Отличаются от обычных компьютеров?

Пожалуй, только названием. В то время, как типичные компьютеры диверсифицируют, используя несколько компонентов, подключенных к центральной плате через кабеля, одноплатный компьютер имеет свой микропроцессор со встроенной памятью на одной печатной плате.

Одноплатные компьютеры бывают различных размеров и способны охватывать различные области применения: некоторые совместимы с ПК и имеют совместимость с идентичным типом оборудования, в то время как другие могут иметь узкую специализацию. Некоторые модели одноплатных компьютеров поставляются со встроенными микроконтроллерами. Целый ряд одноплатных компьютеров представляют возможность для расширения заводских установок и реконфигурации, в тоже время - некоторые модели не предлагают никаких вариантов для модификации. В целом, большинство производителей подразумевает стартовый базис, который может быть изменен и дополнен.

Как используются SBC?

Как упоминалось ранее, одноплатные компьютеры имеют ряд приложений. Первый выпуск аналогичных моделей состоялся в 2000 году, а в последнее время такие модели стали набирать темпы в области развития. Они служат в качестве основы для множества проектов с открытым кодом, благодаря своей компактности и дешевизне.

Одноплатные компьютеры используются в сфере образования для преподавания информатики. Ну конечно, большая часть пользователей – это опытные программисты, которые не стали довольствоваться заводскими конфигурациями, а предпочитают самостоятельно приобретать комплектующие для компьютеров и создавать прогрессивные системы.

Само собой разумеется, что ваш выбор SBC будет определяться областью применения. Тем не менее, есть несколько общих соображений, которые следует иметь в виду, если вы намерены приобрести такое устройство.

Мощность

Убедитесь, что характеристики SBC соответствуют вашим заявленным требованиям, а также следует обратить внимание на возможности куллера, которому предстоит защищать вашу систему от перегревов.

Память

Здесь главным критерием опять становятся ваши потребности. Первые устаревшие модели SBC поставлялись только с 512 Мб встроенной памяти, что казалось, совершенно разумным в то время. В наши дни, подобная система должна содержать, по крайней мере, 1 Гб оперативной памяти, а более продвинутые модели будут предлагать 32 ГБ.

Процессор

В настоящее время на рынке представлены три основных варианта: Intel, Power Architecture и ARM. Ваш выбор может руководствоваться требованиями памяти, предыдущим опытом работы с конкретным типом процессора и, конечно, требованиями.

Операционная Система

Типичные операционные системы, доступные на большинстве SBC, - Linux (самый популярный), INTEGRITY, Wind River VxWords, QNX, LynxOS и GreenHills. Большинство процессоров поддерживает Linux, меньшее число будут совместимы с VxWorks или другими инструментов проектирования, поэтому снизится возможность создания безопасных приложений.

Элемент I/O

SBC обеспечивает наличие необходимых элементы ввода/вывода, таких как Ethernet, USB, DIO и других. Если необходимые ввод/вывод не поддерживаются базовой SBC, вам следует узнать о дополнительной поддержки системы.

Исходя из названия, одноплатный компьютер - это компьютер, собранный на одной плате, с полным набором необходимых для полноценного функционирования модулей: процессором, оперативной памятью, видео-процессором, сетевым(и) интерфейсами, системой ввода-вывода и т.д. Такие компьютеры, как правило, имеют очень компактные размеры (с пластиковую карту и даже меньше), низкое энергопотребление, а так же сравнительно невысокую цену. Эта публикация познакомит Вас с некоторыми интересными представителями данного сегмента рынка.

Сфера применения

Для чего же нужны одноплатные компьютеры? Первоначальная сфера применения одноплатников - образовательно-демонстрационная: при помощи данных устройств можно изучать информатику, основы электроники, схемотехнику и программирование. Благодаря наличию универсальных портов (GPIO, UART) для работы с любыми другими устройствами, одноплатные компьютеры могут применяться в робототехнике, в системах "умный дом" и в любых проектах, требующих программного управления электроникой. Одноплатные компьютеры с установленной операционной системой на базе ядра Linux возможно использовать в построении сетевых устройств, маршрутизаторов (роутеров), различных серверов.

На сегодняшний день одноплатные компьютеры стали достаточно производительными, что ещё больше расширило возможности их применения - большинство современных моделей, имеющих на борту 1, 2 Gb и более оперативной памяти, 4-х и даже 8-ми ядерные процессоры, достаточно мощные графические и качественные звуковые подсистемы, могут быть использованы как домашние медиа-центры, в системах видеонаблюдения, а так же как энергоэффективные десктопы, мини-компьютеры под управлением операционных систем на основе ядра Linux - Debian, Ubuntu, Fedora, Android и т.д.

Существует большое количество производителей, выпускающих одноплатники с использованием мобильной архитектуры ARM, мы рассмотрим некоторых, наиболее интересных из них:

Raspberry Pi

Один из первых одноплатных компьютеров на мобильной архитектуре ARM, разработан Raspberry Pi Foundation. В последствии получил большую популярность и породил множество аналогов и клонов, как более производительных и дорогих, так и более дешёвых. Выпускается в нескольких комплектациях, от самой дешёвой (Raspberry PI Zero) с одноядерным процессором и 256 Mb оперативной памяти и до топовой (на момент написания статьи - Raspberry Pi 3 Model B) с 4х ядерным процессором Broadcom BCM2837 и 1Gb оперативной памяти. Во всех версиях имеются USB порты (от 1го до 4х, в зависимости от модели), порт GPIO (general purpose input/output, 26-пиновый или 40-пиновый). Есть модели с сетевым интерфейсом Ethernet, есть с Ethernet + Wi-Fi и Bluetooth, и есть модели вовсе без сетевых интерфейсов (Raspberry Pi 1 Model A). Стоимость данных плат варьируется от $10 до $40

Установка операционной системы производится путём развертывания заранее подготовленного образа (скачивается на официальном сайте) на MicroSD карту, которую нужно покупать отдельно. Поддерживаемые операционные системы: Debian, Fedora, Arch Linux, Gentoo, RISC OS, Android, Firefox OS, NetBSD, FreeBSD, Slackware, Tiny Core Linux, Windows 10 IOT.

Banana Pi, Banana Pro

Фактически это клон Raspberry Pi с улучшенными характеристиками, разработан компанией "Lemaker". построен на аппаратной платформе Allwinner A20 SoC (центральный процессор ARM Cortex-A7 dual core + графический процессор ARM Mali400MP2 dual GPU core) и 1GB DDR3 SDRAM. В отличии от Raspberry Pi имеет порт SATA с отдельным разъёмом питания (поддержка жёстких дисков до 4 ТБ), сетевой интерфейс Ethernet 10/100/1000 Mbps (против 10/100 Mbps у Raspberry Pi), возможна установка отдельного Wi-Fi-модуля (USB WiFi Dongle). Так же имеется коннектор для камеры (Camera Serial Interface) и встроенный ИК-порт. Кроме цифрового видеовыхода HDMI есть LVDS connector для сенсорных дисплеев и композитный видеовыход (AV video).

Версия отличается наличием встроенного WiFi 802.11 b/g/n 2.4GHz, шиной расширения на 40 пин. (вместо 26 у Banana Pi), отсутствием композитного видеовыхода.

Так же существует много модификаций данной платы, например:

- на аппаратной платформе Allwinner A31S , с более мощным, 4-ех ядерным процессором (Cortex A7 quad-core) и графическим ядром (PowerVR SGX544MP2).
(версия 1.2) - на аппаратной платформе Allwinner A83T , с 8-ми ядерным процессором (ARM Cortex-A7 octa-core, 1.8 ГГц), графическим ядром (PowerVR SGX544MP1), 2 ГБ LPDDR3 SDRAM оперативной памяти и со встроенной 8G eMMC памятью.
- отличается богатством сетевых интерфейсов: 5 интерфейсов Ethernet 10/100/1000 Mbps, Wi-Fi 802.11 a/b/g/n 2.4 ГГц/5 ГГц, а так же Bluetooth 4.1. Кроме этого, данная модель имеет CSI вход для видеокамеры и встроенный микрофон. Такая конфигурация даёт широкие возможности в построении сетевых шлюзов, маршрутизаторов, беспроводных точек доступа, систем видеонаблюдения и т.д.

Banana Pi M3 (version 1.2)

Доступные для установки операционные системы: Debian, Raspbian, Scratch, Lubuntu, openSUSE, ArchLinux, Bananian Linux, Android, Fedora, Kali Linux. Установка ОС возможна как на TF-карту (MicroSD), так и на внутреннюю eMMC память (для тех моделей, у которых она есть).

Официальный сайт производителя - www.lemaker.org

Orange Pi

Ещё один последователь "Малины" от китайской компании Shenzhen Xunlong Software CO, отличается очень демократичной ценой и неплохими характеристиками. Богатый модельный ряд даёт возможность выбрать одноплатник этого производителя под любые технические требования и любой бюджет: Orange Pi Zero, Orange Pi One, Orange Pi Lite, Orange Pi PC (PC2), Orange Pi PC Plus, Orange Pi Plus 2E, Orange Pi Plus (Plus 2), Orange Pi Zero Plus2, Orange Pi 2G-IOT, Orange Pi Win/ Win Plus, Orange Pi Prime, Orange Pi i96.

Рассмотрим некоторые из них:

Один из самых компактных одноплатников: его размеры составляют всего 48 мм × 46 мм при весе в 26г. Такие габариты позволят использовать эту модель в проектах, требующих от всех компонентов минимальных размеров и минимального энергопотребления. При своих скромных габаритах данная модель имеет неплохие характеристики - на нём используется аппаратная платформа AllWinner H2 SoC (центральный процессор Quad-core Cortex-A7 1,2 GHz + графика Mali400MP2 GPU), 256MB/512MB DDR3 SDRAM оперативной памяти, встроенный сетевой контроллер 10/100M Ethernet RJ45 с PoE (Power over Ethernet - технология, позволяющая устройству получать питание из кабеля витой пары), модуль Wi-Fi 802.11 b/g/n, 26 пиновый порт расширения, 13 пиновый функциональный интерфейс (2xUSB 2.0, ИК вход, вход микрофона и видеовыход), а так же USB OTG (с возможностью получения питания).

Цена этого мини-компьютера на Aliexpress - от $7 за версию с 256Mb оперативной памяти и от $9 за 512Mb.

Orange Pi PC 2 - модель построена на базе AllWinner H5 SoC (Четырёхядерный 64-битный Cortex-A53 + восьмиядерная графика Mali450), имеет 1GB DDR3 оперативной памяти, гигабитный Ethernet-порт, CSI вход для подключения видеокамеры, HDMI-выход, на борту присутсвует звуковая подсистема с 3,5 мм аудиоджеком и встроенным микрофоном. Плата имеет поддержку TF card (до 64Gb), NOR flash (2MB), ИК-приемник, 3 USB 2.0 порта, один USB 2.0 OTG порт. Так же имеется 40-ка пиновый порт расширения (совместимый с Raspberry Pi B+), UART, ground.

Модель с 2Gb оперативной памяти и аппаратной платформой AllWinner H3 SoC (четырёхядерный Cortex-A7 1,6 Ghz + Mali400MP2 GPU). Отличается наличием встроенной eMMC флеш-памяти объёмом 16GB, которая имеет большее быстродействие чем TF-карты памяти, а так же наличием интерфейса SATA 2.0 для подключения магнитных жестких дисков (HDD) и твердотельных дисков (SSD) и наличием встроенного Wi-Fi модуля. Остальные характеристики практически повторяют предыдущую модель за исключением наличия 4-ёх портов USB вместо 3-ёх у Orange Pi PC 2.

Данная модель имеет на борту встроенный GSM/GPRS-модуль с поддержкой SIM-карт мобильных операторов, встроенный микрофон и аудиовыход, встроенный модуль Wi-Fi и Bluetooth, вход для аккумуляторных батарей, CSI вход для видеокамеры, а так же выход для подключения LCD. Остальные характеристики достаточно скромны: аппаратная платформа RDA8810 SoC (центральный процессор ARM Cortex-A5 32bit и графический процессор Vivante"s GC860), 256Mb оперативной памяти, один USB 2.0 порт и один USB OTG 2.0 порт, поддержка карт-памяти и встроенные 500Mb SLC Nand Flash.

Такая конфигурация делает возможным построение на её базе различных систем мониторинга и безопасности, с возможностью автономного питания (при использовании аккумулятора).

Операционные системы, доступные для установки: Android, ArchLinux, Armbian, Ubuntu, Lubuntu, Debian, Rasbian, OpenSuse, Fedora, Kali Linux.

Cubieboard

Cubieboard - имеет в модельном ряду одни из самых производительных конфигураций на рынке одноплатников. На сегодня выпускаются такие модели: Cubieboard 1, Cubieboard 2, Cubieboard 3 (Сubietruck), Cubieboard 4 (CC-A80), Cubieboard 5 (Сubietruck Plus), CubieAIO-A20.

Самая младшая модель в линейке Cubieboard имеет совсем не такие уж и малые характеристики: аппаратная платформа Allwinner A10 SoC (ARM Cortex A8 @ 1 ГГц процессор, с Mali 400MP GPU и CedarX VPU), 1Gb DDR3 памяти, 4 Гб встроенной NAND Flash, 1x MicroSD слот, 1x SATA порт, HDMI выход, разъем сетевого интерфейса 10/100 Ethernet, 2x USB порта, 1x USB OTG порт, ИК-приёмник, 96-ти контактный порт расширения (I²C, SPI, LVDS, CSI/TS, FM-IN, ADC, CVBS, VGA, SPDIF-OUT, R-TP)

Модель на базе Allwinner A20 с огромным количеством портов расширения: разъём miniPCIE с поддержкой модулей 3G/4G, интерфейс SATA 2.0 с поддержкой mSATA, 6xUSB портов, 1 x OTG порт, 1 x Toslink (SPDIF оптический), 54 пиновый порт расширения включающий UART, LineIN, MicIn, PWM, Low Resolution ADC, SPI, I2C, LCD, GPIO, CCIR656, MIPI_CSI, I2S, сеть 100M/1000M Ethernet RJ45, встроенные 4/8GB TSD/emmc памяти, 1GB DDR3 оперативной памяти, встроенный модуль Wi-fi и Bluetooth 4.0.

Cubieboard 5 (Cubietrack Plus) - топовая модель на момент написания статьи, имеет внушительные характеристики, немалые размеры и цену (как для одноплатных компьютеров). Построена на базе аппаратной платформы AllWinner H8 (восьмиядерный ARM Cortex A7 с максимальной частотой 2.0 Ghz и графикой PowerVR 544), имеет 2Gb DDR3 оперативной памяти, гигабитную сеть, встроенный Wi-Fi модуль, работающий в двух диапазонах (2,4 и 5 Ghz), Bluetooth, встроенные 8Gb eMMC памяти, интерфейс SATA 2.0, традиционный слот для microSD карт, выход HDMI, аналоговый аудио выход 3,5 мм, встроенный микрофон, 2 USB 2.0 порта, 1 USB OTG порт, 70-ти пиновый порт расширения, а так же встроенный аккумулятор RTC (CMOS) на 40 mAh. На плате присутствует распайка для литиевых аккумуляторов - возможно подключение автономного питания. Кстати о питании: для полноценной работы Cubieboard 5 рекомендуется блок питания не меньше 2,5A при 5 вольтах (12,5 Вт). Плата имеет достаточно большие размеры (опять же, как для одноплатных ПК) - 112мм х 82мм и немалую цену - в комплектации со всеми шнурами и кейсом около $90. Данная конфигурация имеет достаточные параметры для использования Cubieboard 5 как обычного десктопа (или мини-компьютера) под управлением Linux.

Официальный сайт одноплатника - cubieboard.org

Odroid

Odroid - серия одноплатников от южнокорейской компании Hardkernel Co. От предыдущих рассматриваемых моделей отличаются использованием аппаратной платформы Amlogic SoC (для младших моделей) и Samsung Exynos SoC (для старших моделей) вместо более дешёвого Alwinner. На сегодня модельный ряд состоит из: ODROID-C0, ODROID-C1+, ODROID-C2, ODROID-XU4, ODROID-XU4Q.

Рассмотрим некоторые из них:

Младшая модель в линейке, использует Amlogic S805 (четырёхядерный Cortex-A5(ARMv7) 1.5Ghz и графика Mali-450 MP2). На борту 1Gb DDR3 SDRAM оперативной памяти, слот для подключения eMMC памяти, слот для microSD карт, 40 + 7 пиновый порт GPIO, 2 порта USB 2.0, ИК приёмник, зарядка для литиевых аккумуляторов. Плата имеет весьма компактные размеры (65х56 мм) и позиционируется производителем как платформа для создания роботов и дронов (квадрокоптеров).

Платформа этой модели - Amlogic S905 SoC (четырёхядерный ARM Cortex-A53 (ARMv8) 1.5GHz и ARM Mali-450), модель имеет 2Gb DDR3 SDRAM, модуль для подключения eMMC памяти объёмом от 8 до 64 Gb и слот для подключения карт памяти MicroSD (до 128 Gb), 4 порта USB2.0, порт USB2.0 OTG, сеть 10/100/1000Mbps Ethernet, видеовыход HDMI 2.0, аудио вход, разъём для подключения видеокамеры, слот расширения 40pin (GPIO / UART / I2C / ADC) и 7pin port (I2S).

ODROID-XU4 / ODROID-XU4Q

Обе модели построены на базе Samsung Exynos5422 (Cortex-A15 2Ghz и Cortex-A7 восьмиядерный процессор + Mali-T628 MP6), 2Gb LPDDR3 оперативной памяти, модуль подключения чипов памяти eMMC (которая гораздо быстрее чем microSD карты), слот для MicroSD карт памяти, сеть 10/100/1000Mbps Ethernet, HDMI выход, 2 порта USB 3.0 и 1 порт USB 2.0 возможность подключения через USB Serial ATA3 адаптера для HDD или SDD дисков.

В аппаратной платформе Samsung Exynos5422 применена технология ARM big.LITTLE , которая предполагает совмещение на одном ядре нескольких высокопроизводительных процессоров и нескольких энергоэффективных. Данная технология призвана снизить энергозатраты при выполнении операций не требующих всей мощности, путём использования в таких задачах только энергоэффективных ядер, и наоборот, когда системе нужны все ресурсы в работу включаются высокопроизводительные ядра.

Различие у этих двух моделей в системе охлаждения - у XU4 она активная (радиатор + кулер), а у XU4Q пассивная (только радиатор), что, по тестам производителя, ведет к 10% потере мощности при максимальной нагрузке (а следовательно максимальном тепловыделении), зато такая система полностью бесшумна. Впрочем, кулер у модели XU4 работает не всё время, а только при достижении процессором определённого температурного предела.

Дополнительные модули и аксессуары

Купив одноплатный компьютер Вам понадобится также приобрести минимально необходимый набор аксессуаров для его работы: блок питания, microSD карту памяти или модуль памяти eMMC (если у модели нет встроенной памяти) для установки операционной системы, радиатор охлаждения (если он необходим). Данный набор может поставляться как в комплекте с платой, так и отдельно. Об этих и других аксессуарах поговорим далее:

Блоки питания

При покупке отдельно блока питания для одноплатного компьютера следует поинтересоваться у продавца (или производителя) какой мощности он должен быть для стабильной работы платы и всей периферии, подключенной к ней. Для большинства одноплатников подходят блоки питания 5В при 2-2,5А (10-12,5 Вт), но есть модели требующие большей мощности от блока питания (например ODROID XU4 необходимо 5В и 4А - 20 Вт). Так же следует обратить внимание на тип вилки, и просить у продавца евро-вилку, чтобы потом не пришлось покупать переходники с китайского или американского стандарта.

Система охлаждения и корпуса

Если в комплекте поставки отсутствует охлаждение для чипов и памяти, советуем приобрести его сразу, не зависимо от того, какая нагрузка планируется на процессор одноплатника. Подобрать по размеру алюминиевый радиатор пассивного охлаждения на простой липучке не составляет особого труда, а стоит он копейки.

Дополнительные модули, дисплеи

Практически ко всем одноплатником существует возможность подключения дополнительных модулей (плат расширения), которые служат для получения функционала, отсутствующего в базовой комплектации, например:

Платы расширения GPIO - служат для значительного расширения стандартного GPIO порта, подключения большего количества устройств.
Различные датчики: инфракрасные датчики, датчики приближения, датчики температуры и влажности, датчики звука, сейсмодатчики, фото датчики, датчики огня, газовые датчики, датчики шума, ультразвука и т.д., что позволяет использовать одноплатный компьютер в самых разнообразных проектах. Такие датчики, как правило, продаются комплектами и стоят в пределах $5 - $12.
Дополнительные контроллеры: SATA-контроллеры, контроллеры USB, аудиоконтроллеры и т.д.
Видеокамеры
Дополнительные радиомодули: Wi-Fi и Bluetooth (для плат, у которых их нет в базе), GSM и т.д.
LCD-мониторы (для плат, на которых есть выход для подключения LCD) с сенсорными экранами от 3 до 10 дюймов

Другие производители одноплатных компьютеров

Рынок одноплатных компьютеров достаточно велик и в данной статье рассмотрена лишь небольшая его часть, с целью познакомить читателя с основными характеристиками и возможностями одноплатников. Кроме описанных в статье производителей, существует и множество других, чьи модели представляют не меньший интерес. Если Вас заинтересовали данные устройства и Вы уже придумали как бы могли их использовать для воплощения своих идей в жизнь, возможно Вы захотите поискать в интернете, для сравнения, и другие модели от других производителей. Вот неполный их список: Arduino, Arndale Board, BeagleBone, Cotton Candy, Cubox, Gumstix, Hawkboard, Hummingboard, IGEPv2, PandaBoard, Parallella, Rascal, Rockchip, Roseapple Pi, Snowball, Stick PC, UDOO, Virt2Real.

Компьютеры размером с кредитную карту (бывают модели и больше и меньше, но это своеобразный стандарт) уже довольно известны. Их изучили, их применяют, они работают на благо сообщества.

Что это?

Это устройство, у которого на одной плате собрано всё минимально необходимое для работы. Как правило, это CPU, GPU, их обвязка и, возможно, USB и сетевые интерфейсы - как проводные, так и беспроводные. Видеовыходы могут быть разные: от устаревшего VGA или композитного видео до вполне современного HDMI - лишь бы встроенное видеоядро поддерживало. Питаются они, как правило, от разъёма USB и требуют ток в диапазоне 500-1500 мА. То есть их можно питать при помощи обычного зарядного устройства для мобильного телефона или (лучше) планшета.

Зачем это нужно?

Количество задач, с которыми справится такой компьютер, довольно велико. Список начинается домашним компьютером и заканчивается роутерами и модемами. Например, на такое устройство можно без проблем установить почти полный Linux, превратив его в неплохую машинку для работы с документами, веб-сёрфинга, прослушивания музыки и других несложных задач. Некоторые модели способны переварить даже проигрывание видеороликов вплоть до 1080р! И всё это - с привычным графическим интерфейсом. Единственное место, где могут возникнуть проблемы, - это другая архитектура. Как правильно, многие приложения имеют версию для ARM-архитектуры, а если нет - легко найти аналог, но специфический софт на этой платформе всё ещё попадается редко.

Другая сторона медали - автоматизация и узкая специализация. Так, для того же Raspberry Pi существуют прошивки, позволяющие превратить его в Wi-Fi роутер, сетевое хранилище данных или беспроводной сетевой плеер. Очень часто такие решения являются максимально завершенными и требуют минимальной возни, требуя от устанавливающего лишь записать нужный образ на носитель данных (чаще всего - карту памяти) и указать необходимые настройки. Возможности поистине безграничны - вы можете соорудить целый умный дом, используя лишь пару-тройку таких плат. Конечно, ради этого придётся попотеть с настройкой всех таких устройств, но даже тут существуют готовые решения, требующие лишь минимальной прямоты рук.

Не стоит также забывать о набирающем популярность явлении под названием «интернет вещей» (IoT). Например, Microsoft собирается выпустить специальную версию Windows 10 IoT Edition. Устройство, использующее специальные протоколы (и сборку софта, разработанную ими же), сможет взаимодействовать даже с телефонами Lumia! С точки зрения развития идей одноплатных компьютеров это действительно шаг вперёд: до этого управление можно было осуществлять лишь через маршрутизатор. Сейчас это звено исчезает, позволяя устройствам общаться напрямую, да ещё и используя привычные для этого методы - например, для взаимодействия с Arduino используется известный и популярный во всём мире C#.

Главная вещь, позволяющая одноплатным компьютерам общаться с окружающим миром - порты GPIO. Это порты, которые могут быть и входами и выходами, позволяя устройству взаимодействовать на уровне “включил-выключил”. Такая простота идеи позволяет, например, включать или выключать лампочку, при получении электронного письма с соответствующей командой. Типичный одноплатный компьютер оснащается 5-10 портами GPIO, но их количество можно расширить разными путями.

Вместо итога

На сегодняшний день существует достаточно много разных одноплатных компьютеров и компьютеров-стиков. Настолько много, что даже рамки этого термина иной раз смываются, теряя точность: например, иногда даже Arduino называют таковым. Мы в этом материале постарались охватить самые популярные и распространённые варианты, а уж что из них выбрать и тем более что на их основе построить - это уже ваше решение.

P.S. Вот собраны сравнительные характеристики 44 таких компьютеров.

Компания Khadas является партнёром Amlogic. Она проектирует платы с SoC от Amlogic (и не только) для других производителей, например, для некоторых производителей Android-боксов. Но у неё ещё есть собственные продукты. Серии одноплатных компьютеров: VIM и Edge. VIM на Amlogic, а новенькие Edge на Rockchip.

Khadas VIM2 Max для обзора предоставлен магазином Gearbest . В Gearbest можно купить не только сам одноплатный компьютер за , но и к нему.

Технические характеристики

Формально есть 4 модели VIM2: Max, Pro, Basic и Lite. Max, Pro, Basic отличаются объёмом ОЗУ и флеш-памяти. Модель Lite на S905D так и не появилась в продаже. У меня в обзоре версия Max.

Модель	VIM2 Max
SoC	Amlogic S912 8 ядер ARM Cortex-A53 до 1,5 ГГц GPU ARM Mali-T820MP3
ОЗУ	3 Гбайт DDR4
Флеш-память	64 Гбайт (eMMC)
USB	2 x USB A 2.0, 1 x USB Type-C (2.0, OTG)
Поддержка карт памяти	microSD
Сетевые интерфейсы	Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac, 2,4 ГГц и 5 ГГц, MIMO 2x2 Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с)
Bluetooth	Bluetooth v4.2
Видеовыходы	HDMI 2.0a (до 3840x2160@60 Гц)
Аудиовыходы	HDMI
GPIO	40 контактов
Пульт	Двухканальный ИК-приёмник (ИК-пульт поставляется отдельно)
Питание	5 В / 2 А (USB Type-C или через коннектор VIN)

Комплектация

Компьютер поставляется в маленькой картонной коробке.

Внутри только компьютер или кабель USB A <> USB Type-C в нейлоновой оплётке.

Внешний вид и аппаратное устройство

Корпус компьютера выполнен из пластика. Размер 96 x 70 x 23 мм.

Сверху заглушка 40-контактного разъёма GPIO.

Справа три кнопки: Power, Function, Reset.

Сзади: два порта USB A 2.0, USB Type-C (USB 2.0), порт HDMI, слот microSD, Ethernet. Питание осуществляется через порт USB Type-C любым подручным блоком питания с интерфейсом USB (с максимальной силой тока не менее 2 А).

Снизу железная пластина для устойчивости. Она же служит в роли ножек.

Необходимость в корпусе зависит от того, как вы планируете использовать компьютер. В любом случае вам придётся его разобрать, чтобы установить систему охлаждения. Откручиваете 4 винта винта и снимаете верхнюю крышку.

Откручиваете ещё 4 винта и вынимаете плату.

Плата очень миниатюрная - 82 x 57 мм.

На верхней стороне находятся: SoC Amlogic S912, два модуля DDR4 от Samsung, eMMC от Samsung (KLMCG8WEBC-B031), контроллер Gigabit Ethernet на базе Realtek RTL8211FDI, контроллер Wi-Fi и Bluetooth на базе Ampak AP6359SA, IPEX-коннекторы антенн, коннектор питания VIN (можно использовать вместо USB Type-C), коннектор для батарейки (для часов в выключенном состоянии), коннектор для вентилятора, коннектор FPC (для подключения сенсорных панелей и пр.), два светодиода, два ИК-приёмника, разъём GPIO (40 контактов). Антенны очень маленькие, выполнены на текстолите.

На нижней стороне: два модуля DDR4 от Samsung, программируемый контроллер STM8S003, Pogo-площадки GPIO (20 контактов), Pogo-площадки питания.

Контроллер STM8S003 отвечает за управление питанием, Wake-on-LAN и пр. Вся документация по плате, в том числе и схема платы, доступны на сайте Khadas в разделе Docs .

Контакты GPIO не совпадают с Raspberry Pi 3. На форуме было предложение готовых плат-переходников, если необходимости возникнет.

Охлаждение

Amlogic S912 - очень «горячая» SoC. Формально вы можете использовать VIM2 без дополнительного охлаждения, но температура SoC при нагрузках быстро поднимается до 80 °C и начинается троттлинг (такое ограничение прописано в DTB системы). Нормальной такую работу не назовёшь, так что система охлаждения для VIM2 является обязательной. Если вы хотите сохранить корпус (верхнюю крышку) и аккуратный внешний вид, то самый простой вариант - докупить и от Khadas.

Режим работы вентилятора настраивается как в Android, так и в Linux. Можно выбрать статические режимы или автоматический, зависящий от температуры SoC.

Если вы можете пренебречь верхней крышкой или корпусом целиком, то проще и дешевле установить любой подходящий радиатор. Для идеального пассивного охлаждения (чтобы S912 невозможно было увести в троттлинг ни при каких нагрузках) нужен радиатор, который способен хорошо рассеивать 10 Вт. Я использовал радиатор размером 40x40x30 мм через тонкую термоподложку. Такая система охлаждения справлялась идеально при любых нагрузках без троттлинга.

Аксессуары

Для VIM2 есть официальные аксессуары от Khadas и неофициальные, предлагаемые на форуме в виде готовых решений или схем. Перечислю основные официальные аксессуары.

Корпуса.

Радиатор и вентилятор. Я их уже упоминал.

Рис. 1. Внешний вид компьютера РС/104 с дочерними платами

Сегодня вычислительные системы проникли во все сферы жизнедеятельности человека: высокопроизводительные встраиваемые системы используются в абсолютно разных областях, начиная от управления производственными линиями и заканчивая медицинским оборудованием. Чтобы сделать грамотный выбор в пользу той или иной встраиваемой системы, необходимо прежде всего проанализировать такие показатели, как производительность и архитектура процессора, реализованные интерфейсы, потребляемая энергия, используемое программное обеспечение (ПО), стоимость и время разработки.

Понятно, что процесс проектирования становится все более сложным. Используемые встраиваемые системы часто должны поддерживать определенные интерфейсы, требуемые ПО конечного пользователя, работать при экстремальных температурах и обеспечивать низкое энергопотребление с высокой производительностью в удаленном и необслуживаемом оборудовании с соответствующей надежностью.

Разработчики должны ориентироваться в технических и организационно-коммерческих вопросах, влияющих на проектирование, чтобы выбрать оптимальное решение. Правильно оценив все требования к разработке, инженеры в конечном итоге отдают предпочтение наиболее подходящему форм-фактору для создания системы. Технические и организационно-коммерческие нюансы могут иметь одинаковый приоритет при определении алгоритма проектирования системы, поэтому они должны рассматриваться разработчиком в комплексе: так, например, нужно одинаково учитывать и производительность процессора, и набор интерфейсов, и время разработки, повторяющиеся и единовременные затраты на инженерные работы, возможность обновления, а также иные факторы. Отметим, что подробное техническое задание поможет значительно снизить количество возможных вариантов разработки системы в каждом конкретном случае.

Какой форм-фактор лучше всего подходит для разрабатываемой системы?

Одноплатные компьютеры и процессорные модули могут предложить сходные возможности, предполагая при этом совершенно различные пути разработки для достижения требуемой производительности. Долгосрочное влияние принятого решения является существенным и связывает выбранный форм-фактор с жизненным циклом продукта. Выбор форм-фактора для создания системы может сильно ограничить требование по совместимости с существующими системами, в отличие от того, если бы система создавалась с чистого листа.

Одноплатные компьютеры - это готовое решение, которое позволяет исключить этап разработки и производства в случае применения процессорных модулей для создания несущей платы, следовательно, разработчики системы концентрируются только на программных вопросах. Это решение позволяет максимально быстро вывести продукцию на рынок, однако оно обладает и более высокой стоимостью. Так как одноплатные компьютеры выпускаются с учетом максимально возможного удовлетворения всех требований заказчика, то здесь не избежать избыточности по поддерживаемым интерфейсам: их количеству, объему установленной памяти и т. п. Также надо учитывать, что жизненный цикл системы будет ограничен сроком производства конкретного одноплатного компьютера, используемого в этой системе. При его снятии с производства придется обновлять и свою систему с учетом отличий нового компьютера от устаревшего, например, иное расположение разъемов интерфейсов на плате компьютера. На рынке встраиваемых систем получили широкое распространение следующие форм-факторы одноплатных компьютеров: 3,5″ (146×102 мм), 2,5″(100×72 мм, альтернативное название Pico ITX) и РС/104 (96×90 мм).

Особое внимание стоит уделить одноплатным компьютерам стандарта РС/104. Дочерние платы, или модули расширения для компьютеров РС/104, имеют те же размеры 96×90 мм, что и плата компьютера, и объединяются с ней жестко определенными стандартом интерфейсами (рис. 1) PCI, PCI Express (PCIe) и ISA (в более ранних версиях). Таким образом, стандарт РС/104 позволяет избежать необходимости в собственной разработке несущей платы и более оптимально сконфигурировать компьютер, используя модули различных производителей. Следует отметить, что за долгое время существования стандарта РС/104 множество производителей разработало огромное количество различных по назначению и выполняемым функциям модулей. Дополнительная свобода от конкретной платы компьютера обеспечивается тем, что в РС/104 разъемы интерфейсов на корпусе соединены с платой компьютера или модулем расширения с помощью кабелей. Ограничением в применении одноплатных компьютеров РС/104 является использование процессоров небольшой мощности. Потребляемая мощность одноплатного компьютера РС/104 должна быть не более 25 Вт, и связано это с ограничением по нагрузке используемых межплатных разъемов в стандарте РС/104 . Еще одной сложностью является то, что используются процессоры в основном архитектуры х86 из-за применяемых в стандарте РС/104 интерфейсов. Совсем недавно в ARM-процессорах стали использовать PCIe интерфейс, а ранее для применения ARM в одноплатных компьютерах РС/104 приходилось использовать дополнительные микросхемы для реализации интерфейсов PCI, PCIe и ISA .

Процессорные модули (рис. 2) как компоненты, устанавливаемые на печатную плату, оптимально устраняют избыточность системы. Разработчик может максимально точно следовать требованиям технического задания, учитывая размер печатной платы, ее форму, размещение интерфейсов и типы используемых разъемов, и применить при этом только ту периферию на несущей плате, которая необходима для данной системы. Благодаря стандартизации модулей существует возможность простой модификации системы путем замены модулей на несущей плате. Таким образом, можно осуществить более тонкую настройку системы под требования заказчика и выпускать версии системы с более или менее производительными процессорами или даже менять архитектуру процессора путем простой замены модуля. Благодаря взаимозаменяемости модулей обеспечивается легкое обновление системы при появлении новых процессоров, а это также продлевает жизненный цикл изделия, делает его свободным от устаревания и снятия с производства конкретного модуля и устраняет зависимость от одного производителя.

Рис. 2. Виды процессорных модулей

Так же, как и у одноплатных компьютеров стандарта РС/104, для процессорных модулей учитываются ограничения по мощности. Для модулей COM Express жестких стандартов не установлено, но значение потребляемой мощности определяется характеристиками межплатных разъемов. Оно соответствует примерно 50 Вт для модулей Type 2, Type 6 и Type 7 и 25 Вт для Type 10 (Mini COM Express), так как данный тип модулей использует только один разъем в отличие от предыдущих . Строго ограничивают потребляемую модулем мощность стандарты Qseven - до 12 Вт и SMARC (Smart Mobility ARChitecture) - до 15 Вт. .

Насколько низким должно быть энергопотребление разрабатываемой системы?

Производительность процессора напрямую связана с энергопотреблением: процессоры с более низкой производительностью требуют меньше энергии. Кроме того, выбор процессора зависит также от системы охлаждения. Меньше ограничений накладывает активная система охлаждения, позволяя выбрать процессор необходимой производительности. Когда же система ограничена пассивным безвентиляторным охлаждением, в приоритете будут процессоры с низким энергопотреблением, и жертвовать придется производительностью процессора из-за ограничений по массо-габаритным параметрам системы охлаждения.

В области малой мощности CISC (complex instruction set computer, компьютер с полным набором команд) платформа x86 исторически проигрывала архитектуре RISC (reduced instruction set computer, компьютер с сокращенным набором команд), на которой построены процессоры ARM. Более простая архитектура ARM имеет небольшую площадь кристалла и существенно меньше потребляет энергию. Это преимущество позволило данным процессорам занять ведущее место среди форм-факторов с минимальными размерами. Стандарты Qseven и SMARC изначально разрабатывались с учетом особенностей архитектуры ARM. Тем не менее развитие платформы x86 продолжается, и сегодня разработчики имеют доступ к малопотребляющим x86 моделям. Новые процессоры обеспечивают более высокую производительность, чем у предыдущего поколения x86, при этом потребляя менее 10 Вт. Это позволило использовать новые малопотребляющие процессоры x86 в модулях Qseven и SMARC и создать новый модуль COM Express Mini (Type 10), который обеспечивает преемственность стандарта COM Express в меньшем по размеру модуле.

Выбор операционной системы и ПО

На выбор архитектуры процессора, установленного на модуле или в одноплатном компьютере, влияет операционная система. И наоборот, если инженер ограничен в выборе операционной системы, это может повлиять на выбор используемого процессора.

Linux - наиболее универсальная операционная система. Она поддерживает как x86, так и ARM процессоры. Традиционно при применении ARM использовались Linux и построенная на ее основе Android. И только совсем недавно Microsoft портировала Windows для архитектуры ARM. Многие производители одноплатных компьютеров и процессорных модулей с процессорами ARM ограничиваются поддержкой Linux, что накладывает ограничения на используемую операционную систему. В рассматриваемом случае более универсальными оказываются x86 процессоры. Они поддерживаются и Linux, и Windows, а при необходимости использовать VxWorks или QNX чаша весов будет склоняться в сторону x86 процессоров, так как эти операционные системы поддерживают только некоторые ядра архитектуры ARM. В пользу Windows, даже при том, что она увеличивает стоимость системы, говорит огромный объем ПО, системы разработки и отладки, написанные под эту ОС, и профессиональная поддержка.

Факторы, влияющие на стоимость системы

Стоимость системы формируется сложным многообразием факторов. Например, можно предположить, что стоимость зависит от размера модуля или одноплатного компьютера, мотивируя это тем, что на меньшей печатной плате установлено меньше компонентов. Тем не менее в действительности меньший модуль может быть дороже, чем модуль большей площади. Технические характеристики, модель с одноядерным или четырехъядерным процессором и реализованные интерфейсы ввода/вывода являются теми условиями, которые будут определять общую стоимость платы.

Ресурсы, потраченные на разработку и отладку, стоимость используемого ПО и оборудования - все это, в свою очередь, скажется на стоимости решения. Рассмотрим модули COM Express Basic, Compact и Mini форм-факторов с одним и тем же установленным процессором. У модуля Mini меньше площадь печатной платы, но могут потребоваться те же функции, что в Basic и Compact модулях. Чтобы их эффективно реализовать, понадобятся дополнительные слои печатной платы, а это дорогостоящая и кропотливая инженерная работа, увеличивающая время разработки и, соответственно, стоимость производства.

Инженерные затраты обычно выстраиваются таким образом: наиболее дорогостоящими являются полностью сформированные, готовые к использованию одноплатные компьютеры PC/104 (из-за плотности монтажа на печатной плате), затем идут одноплатные компьютеры 3,5″ и Pico ITX, близко по стоимости к ним находятся модули стандарта COM Express. Модули SMARC и Qseven имеют меньше компонентов и, как правило, имеют более низкую функциональность, чем COM Express, что заметно уменьшает их стоимость.

Для оценки полной стоимости системы нельзя оставлять без внимания ресурсы, потраченные на разработку, отладку и тестирование несущей платы для решения на процессорных модулях. Данное решение (несущая плата + процессорный модуль) начинает выигрывать по стоимости после превышения определенного количества изделий, когда стоимость разработки и отладки несущей платы начинает компенсироваться более дешевым производством несущей платы из-за более простой структуры и меньшим количеством реализованных интерфейсов по сравнению с одноплатным компьютером.

Нельзя забывать и о рабочем температурном диапазоне модулей и одноплатных компьютеров. Использование компонентов с так называемым индустриальным температурным диапазоном –40…+85 °С и последующие температурные тесты могут увеличить стоимость в 1,5 раза по сравнению с коммерческими моделями 0…+70 °С. Поэтому нельзя пренебрегать возможностью смягчить требования к рабочему температурному диапазону даже на 10…20 °С: так, рабочий температурный диапазон –20…+75 °С значительно снизит стоимость решения по сравнению с –40…+85 °С. Также стоит обратить внимание, что минусовой диапазон –40…–20 °С больше влияет на стоимость, чем плюсовой диапазон +60…+85 °С.

Выбор оптимального варианта

При жестких сроках сдачи работы, когда, например, на реализацию проекта дается не более полугода и времени на разработку несущей платы не остается, возникает необходимость использовать одноплатный компьютер. Одноплатный компьютер - это фактически готовая система, от вас требуется только добавить питание, подключить нужные интерфейсы, установить и отладить ПО.

Такое же решение в пользу одноплатного компьютера, очевидно, принимается при небольших количествах разрабатываемой системы - (например, 100 шт.), когда затраты на разработку и производство несущей платы явно превысят выгоду от применения процессорного модуля по сравнению с одноплатным компьютером.

Если необходимо обеспечить длительное время использования системы, например от 10 лет, то решение с большой вероятностью будет принято в пользу применения процессорного модуля. Жизненный цикл одноплатного компьютера напрямую зависит от жизненного цикла важнейших компонентов, установленных на плате компьютера, снятие с производства которых делает нецелесообразным модификацию машины и, следовательно, также ведет к снятию ее с производства. Такими важнейшими компонентами являются чипсет и процессор. Для примера, максимальный период производства серии Embedded компании Intel составляет всего 7 лет. Длительный жизненный цикл системы обеспечивается простой заменой устаревших процессорных модулей на разработанной вами несущей плате.

Еще сложнее сделать выбор между х86 процессорами и ARM. Как было рассмотрено ранее, немаловажную роль здесь сыграет применяемое ПО и энергопотребление системы. Windows и отсутствие жестких ограничений говорит о целесообразности использования х86 процессоров, а Linux и экстремально низкое энергопотребление - об ARM.

Итак, как было продемонстрировано выше, обычно у разработчика имеется несколько работоспособных вариантов создания системы. Целью же данной статьи было обратить внимание на основные факторы и помочь расставить правильные приоритеты для выбора наиболее оптимального варианта решения.