bg2.jpg
electronicsafterhours.com

Minikomputery

Minikomputery

Łączenie komputerów z samodzielnie zaprojektowaną elektroniką ma niemal tak długą historię, jak obecność komputerów osobistych w domach ich użytkowników. Jeszcze na początku tego stulecia największe możliwości integracji własnych układów elektronicznych z komputerem dawały porty równoległe (LPT) oraz szeregowe (COM). Dziś mało kto pamięta o poczciwych portach drukarkowych, a i szeregowe porty (stosowane dawniej do podłączania modemów czy nawet myszy komputerowych) są spotykane już praktycznie tylko w rozwiązaniach przemysłowych czy laboratoryjnych. Zmieniły się czasy, zmieniła się też technologia – komputery uległy miniaturyzacji, oprócz klasycznych „pecetów” i laptopów do powszechnego użytku weszły też smartfony, tablety, smartwatche i… minikomputery jednopłytkowe. I właśnie te ostatnie święcą tryumfy popularności wśród amatorów elektroniki oraz makerów. W tym artykule nakreślimy najważniejsze cechy stosowanych obecnie minikomputerów oraz pokażemy najciekawsze przykłady takich produktów.

Minikomputer jednopłytkowy, czyli małe jest piękne

Minikomputer jednopłytkowy, czyli małe jest piękne Minikomputer jednopłytkowy (ang. Single Board Computer, SBC), jak sama nazwa wskazuje, ma z założenia formę pojedynczej płytki drukowanej, integrującej wszystkie niezbędne układy elektroniczne, które pozwalają na uruchamianie systemów operacyjnych, renderowanie wysokiej jakości grafiki czy też łączność z sieciami komputerowymi oraz urządzeniami mobilnymi. Mamy tu więc do czynienia z wbudowanymi procesorami jedno- lub wielordzeniowymi, pamięcią RAM, pamięcią Flash – te trzy komponenty tworzą serce każdego komputera i stanowią o jego wydajności obliczeniowej, szybkości i uniwersalności. Aby (mini)komputer mógł „kontaktować się” ze światem zewnętrznym, konieczne są rzecz jasna liczne porty i interfejsy. W urządzeniach klasy SBC mamy więc do czynienia zarówno z typowymi portami komputerowymi (USB, Ehternet, HDMI, audio), jak i ze złączami GPIO (ang. General Purpose Input-Output, czyli wejściami-wyjściami ogólnego przeznaczenia). Te ostatnie odróżniają minikomputery od klasycznych komputerów osobistych, które z zasady nie są wyposażone w tego typu łącza.

Wykorzystanie portów GPIO minikomputera we własnych projektach

Porty GPIO pozwalają na łączenie zewnętrznej elektroniki bezpośrednio z procesorem, co sprawia, że moduły SBC stanowią rozwiązanie pośrednie pomiędzy komputerem, a… mikrokontrolerem. W istocie, układy SoC (ang. System-on-Chip), najczęściej stosowane w minikomputerach jednopłytkowych, są tak naprawdę bardzo wydajnymi mikrokontrolerami (w 99% przypadków opartymi na rdzeniach ARM), obudowanymi różnego rodzaju blokami peryferyjnymi (np. koprocesorami do przetwarzania grafiki czy wykonywania operacji sterujących w czasie rzeczywistym). Bezpośredni dostęp do linii procesora pozwala na prostą, efektywną obsługę zewnętrznych czujników, modułów wejściowych (np. klawiatur, joysticków czy przełączników), sterowanie układami wyjściowymi (np. przekaźnikami, wyjściami tranzystorowymi czy też kontrolerami silników). Zdecydowana większość minikomputerów pracuje w tzw. domenie napięciowej 3,3 V co oznacza, że sygnały wejściowe podawane na GPIO modułu SBC nie powinny mieć amplitudy większej, niż 3,3 V, a z kolei układy otrzymujące dane z SBC powinny poprawnie pracować z napięciami z zakresu 0 V (stan niski) do 3,3V (stan wysoki).

Minikomputery

Raspberry Pi – klasyk na rynku minikomputerów jednopłytkowych

Obecnie na rynku można znaleźć dziesiątki rodzin minikomputerów, z których każda zawiera przynajmniej kilka zróżnicowanych modeli SBC. Bodaj najpopularniejsza jest seria modułów Raspberry Pi – pierwsza rodzina minikomputerów jednopłytkowych, która odniosła prawdziwy komercyjny sukces i (co również ważne) zdołała utrzymać prowadzenie w ciągu 8 lat po premierze. Najnowszy model, Raspberry Pi 4 Model B, jest oparty na czterordzeniowym procesorze BCM2711, pracującym z częstotliwością 1,5 GHz oraz współpracującym z wbudowaną pamięcią RAM o pojemności do 8 GB – pod tym względem „malina” (bo tak jest pieszczotliwie nazywana z uwagi na owoc, który trafił do logotypu marki) nie ustępuje wielu standardowym komputerom. Co ciekawe, RPi 4B posiada aż dwa wbudowane porty micro HDMI, dzięki czemu może obsługiwać aż dwa pełnowymiarowe monitory jednocześnie.

Pozostałe popularne minikomputery

Inną popularną rodziną minikomputerów jest seria Banana Pi. Moduły te nawiązują konstrukcją, wymiarami oraz układem wyprowadzeń złącza GPIO do „maliny”, jednak posiadają szereg odmiennych rozwiązań konstrukcyjnych – jednym z nich jest obecność wbudowanej pamięci eMMC, która niweluje konieczność stosowania karty pamięci microSD jako nośnika systemu operacyjnego i danych użytkownika (jak ma to miejsce w Raspberry Pi oraz wielu alternatywnych modelach minikomputerów). Innym znanym, bezpośrednim konkurentem Raspberry Pi oraz Banana Pi są płytki Asus Tinker Board – to jeden z przykładów obecności na rynku SBC firm, które są już przecież potentatami na polu „prawdziwych” komputerów. Bardzo ciekawe rozwiązania zastosowali też konstruktorzy płytek BeagleBone – te niewielkie moduły, oparte na wydajnych procesorach Sitara firmy Texas Instruments – oferują znacznie wyższą liczbę linii GPIO w porównaniu do opisanych wcześniej minikomputerów, a niektóre modele są dedykowane nawet do aplikacji w trudnych warunkach przemysłowych (dzięki zwiększonemu zakresowi temperatur pracy).

Podsumowanie

Minikomputery jednopłytkowe należą dziś do podstawowego arsenału narzędzi zawodowych elektroników i programistów systemów wbudowanych. Atrakcyjne ceny oraz duże możliwości pozwalają także na wykorzystanie tych uniwersalnych i wydajnych modułów w projektach amatorskich czy studenckich. Umiejętność programowania jest wprawdzie niezbędna do wykorzystania pełni możliwości komputerów SBC, jednak ogromna dostępność darmowych narzędzi programistycznych pozwala na szybkie rozpoczęcie pracy nawet osobom, którym do tej pory było nie po drodze z tworzeniem własnego oprogramowania. Minikomputery takie, jak Raspberry Pi, Banana Pi, BeagleBone czy też Asus Tinker Board kuszą szybkimi procesorami, dużą pojemnością pamięci RAM, a nade wszystko – łatwością, z jaką można połączyć je z samodzielnie opracowaną elektroniką. To właśnie jest droga do tworzenia projektów, dla których ograniczeniem zdaje się być już tylko wyobraźnia.