Миникомпьютер

Разбираемся в моделях и способах применения современных одноплатных компьютеров и одноплатных аппаратных платформ.

За появление сегодняшней статьи мне в самом начале хотелось бы поблагодарить одного из наших подписчиков по имени Савелий. Именно он обратил моё внимание на такое явление как миникомпьютеры и даже передал мне Raspberry Pi 3! Правда, пока я "малинку" ещё не получил (она находится у моего родственника в Германии, который приедет в наши края лишь к Новому году), но зато у меня появился стимул разобраться с тем, что же такое эти системы на кристалле и как их можно использовать.

Если Вам тоже интересно, что может компьютер размером с кредитку ценой в $35 или универсальный микроконтроллер с относительно слабенькой микросхемой вместо полноценного процессора всего за $5, предлагаю вникнуть в нижеприведённую выжимку из моих почти двухнедельных исканий на данную тему.

Зачем нужен мини ПК

Компьютерная техника всегда стремилась к миниатюризации. Сегодня, например, никого уже не удивишь мощным смартфоном, который легко помещается на ладони. Однако, телефон, хоть и "смарт", является эдакой "вещью в себе", к которой Вы далеко не всегда можете подключить что-нибудь (при отсутствии функции OTG для разъёма microUSB Вы не сможете подключить к своему телефону или планшету даже обычную клавиатуру).

Концепция же полноценного компьютера подразумевает взаимодействие с различной периферией, а также определённую свободу в выборе операционной системы. Кроме того, многими он рассматривается ещё и как платформа для программирования. Всё это в совокупности задаёт ряд критериев, которыми должен обладать компьютер:

• наличие центрального процессора (или чипа микросхемы), способного выполнять нужные для работы ОС (или собираемого устройства) наборы команд;
• поддержку запоминающих устройств для долговременного хранения информации;
• наличие базовых стандартизированных интерфейсов ввода-вывода;
• поддержку дополнительных плат расширения;
• возможность самостоятельного программирования требуемых функций для взаимодействия с нестандартной периферией.

Очевидно, что смартфоны в данном случае удовлетворяют только первым двум пунктам списка. Даже для интеграции хотя бы нескольких базовых интерфейсов ввода-вывода (видеовыход, сетевой разъём и пара USB-портов) пришлось бы существенно увеличивать размеры устройства (подобная начинка есть в некоторых больших планшетах). С поддержкой же плат расширения и программированием в стане современных Android-устройств вообще туго.

Традиционные ПК (как бы ни пророчили им скорую "кончину") всё же покрывают все требования любых групп пользователей. Они имеют модульную архитектуру, так что Вы сами можете выбирать комплектующие своей системы, проводя апгрейд и повышая производительность. Для нестандартных же проектов существует COM-порт, к которому можно подключать собственноручно собранную периферию и программировать её работу!

Однако, в силу своей модульности традиционный компьютер имеет довольно крупные размеры. Поэтому и назрела необходимость в ПК с малыми габаритами. И здесь развитие, можно сказать, пошло двумя путями, оба из которых объединяют под общим названием "система на кристалле" (SoC – сокр. англ. "System-on-a-Chip").

Суть таких систем в том, что в пределах одной микросхемы распаивается весь необходимый минимум компонентов, которые могут работать совместно, реализовать функции компьютера и имеют дополнительные универсальные разъёмы для работы с различной периферией. И вот здесь начинается разделение устройств на одноплатные компьютеры и одноплатные аппаратные платформы:

Одноплатные компьютеры при максимальном уменьшении физических размеров стараются сохранить в себе все функции традиционных ПК. На их карты памяти можно установить различные операционные системы. К ним можно подключить стандартные монитор, клавиатуру и мышь. Кроме того, по проводам или без, всё это можно подсоединить к Интернету. А при необходимости в свободные USB-порты легко подключается нужная офисная периферия (принтеры, сканеры и т.п.).

Одноплатные же платформы изначально пошли путём не только уменьшения, но и максимального упрощения. Здесь, обычно, вместо полноценного процессора стоит чип микросхемы с частотой всего в пару десятков мегагерц и не всегда есть даже LAN-разъём (не говоря уже о USB-портах и выходе на монитор). Зато имеется достаточно универсальных контактов ввода-вывода, к которым можно подключить готовые или самодельные модули расширений!

Очевидно, что одноплатные компьютеры можно использовать в качестве недорогой замены офисного ПК, тогда как аппаратные платформы больше подходят для реализации различных электронных самоделок. Однако, при желании, миникомпьютер можно приспособить, например, для управления самодельным роботом. А одноплатную платформу дополнить нужными платами расширений и превратить в практически полноценный компьютер. Всё это возможно за счёт наличия в обеих устройствах GPIO...

GPIO

GPIO (сокр. англ "general-purpose input/output") расшифровывается как "интерфейс ввода/вывода общего назначения". По факту – это ряд контактов в виде штырьков или гнёзд под них, которые могут быть задействованы для подключения дополнительных устройств. Такие контакты обычно объединяются в блоки для более компактного расположения на небольших площадях печатных плат:

Преимущество GPIO перед другими универсальными разъёмами (например, USB) в том, что большинство их контактов заранее не имеют специального назначения и могут напрямую передавать сигналы между процессором или микросхемой и подключённым устройством. Это позволяет, во-первых, программировать передачу команд, а, во-вторых, выполнять их без непосредственного участия операционной системы (если такая имеется), что существенно снижает скорость ответа и требования к мощности аппаратной составляющей.

Несмотря на то, что GPIO сейчас в основном ассоциируется с одноплатными платформами, подобные разъёмы вполне можно встретить и в обычных системных блоках и даже на материнских платах ноутбуков. Например, похожая технология часто используется для внутреннего подключения к аудиочипу с целью вывести нужные аудиоразъёмы на фронтальную панель системника или задействовать дополнительные функции аудиокодеков:

Особенностью GPIO на миникомпьютерах является то, что только часть контактов можно программировать. Некоторые из них изначально выполняют ту или иную функцию (питание с определённым напряжением, приём или передача заранее определённых типов данных). Соответственно, данный факт нужно учитывать, рассматривая имеющееся количество свободных линий обмена сигналами.

GPIO на одноплатных устройствах обычно сгруппированы таким образом, чтобы к ним можно было подключать готовые стандартизированные платы расширения. Эти платы называются "шилдами" (от англ. "shield" – "щиток", "платформа") или "шляпами" (от англ "HAT" – "Hardware Attached on Top" – досл. "Устройства, прикреплённые сверху"). Шилды можно купить в готовом виде или спаять самостоятельно по имеющимся в Интернете схемам. Подключив нужный шилд и добавив микропрограмму к нему, Вы сможете добавить расширить возможности своего устройства:

Стоит учитывать, что шилды для одноплатных компьютеров и аппаратных платформ изначально несовместимы между собой. Однако, используя GPIO, Вы можете при желании и должной сноровке "подружить" их и даже подключить не только готовые платы, но и устройства собственного изготовления. Это могут быть как попытки сделать управляемый светодиод, так и сложные проекты из сферы робототехники!

Всё, что Вам нужно – понимать основы радиоэлектроники, уметь обращаться с паяльником и знать распиновку GPIO конкретно на Вашем миникомпьютере. Последнюю довольно легко найти в Интернете, поэтому дело остаётся лишь за осваиванием паяльника:

Ну а теперь, когда мы знаем об общих принципах работы миникомпьютеров и представляем, чем они могут быть полезны, давайте пройдёмся по самым популярным моделям в категориях одноплатных ПК и аппаратных платформ.

Raspberry Pi и аналоги

В качестве эталона одноплатных компьютеров обычно везде упоминается проект, который стоял у истоков данного направления – Raspberry Pi. Первые разработки прототипов этого миникомпьютера датируются ещё 2008 годом. Однако, публичный выпуск и продажи первой законченной версии стартовали только в 2012 году. Это были Raspberry Pi Model A и Model B, отличающиеся наличием дополнительных USB-портов (1 против 2-х у Model B), LAN-порта и объёмом встроенной оперативной памяти (256 и 512 МБ, соответственно):

Эти модели можно встретить в продаже и сегодня в варианте A+ и B+ (количество GPIO-контактов увеличено с 26 до 40) по ценам в $15-20. Актуальной же на данный момент является 3-я версия. Raspberry Pi 3 Model B+ построена на базе 4-ядерного процессора ARM Cortex-A53 x64 с частотой 1.4 ГГц, имеет 1 ГБ оперативной памяти, обладает встроенными модулями Wi-Fi стандарта 802.11.b/g/n/ac и Bluetooth 4.2, имеет 4 USB-порта, колодкой GPIO на 40 пинов:

В основе Raspberry Pi лежит ARM-процессор, поэтому, к сожалению, запустить на нём полноценную версию Windows, которая требует платформы x86-64, не получится. В 3-ей версии, правда, появилась поддержка Windows 10 IoT, но в ней нет полноценной поддержки привычного пользователям "Окошек" софта (Microsoft Office и т.п.).

Что интересно, полноценной реализации Android, несмотря на схожесть платформ, для Raspberry Pi тоже нет (в силу отсутствия аппаратного ускорения и средств виртуализации). Зато, существует более 30 различных дистрибутивов Linux, которые отличаются пониженным потреблением ресурсов и полностью совместимы с аппаратной частью Raspberry Pi. Основным же и официальным из них является Raspbian (Raspberry+Debian), который Вы можете загрузить с официального сайта:

Устанавливается система на SD-карту памяти (рекомендуется от 4 ГБ стандарта class 10 и более) через специальный инструмент под названием NOOBS (сокр. англ. "New Out Of the Box Software" – досл. "Новое программное обеспечение из коробки"). Он уже содержит все необходимые для запуска Raspbian файлы, поэтому достаточно просто перетащить содержимое архива на SD-карту (или купить флешку с предустановленной системой), а затем вставить её в Вашу "малинку".

Для установки альтернативных систем рекомендуется использовать инструмент Etcher. Чтобы развернуть операционную систему с его помощью Вам потребуется только выбрать ISO-образ нужной ОС, указать путь к SD-карте или USB-флешке (начиная с версии Raspberry Pi 3 поддерживается загрузка системы через USB-порт) и нажать кнопку "Flash" для прошивки выбранной системы на носитель:

Для начала работы с новоустановленной системой на Raspberry Pi достаточно подключить к Вашему миникомпьютеру через HDMI-выход монитор, а также клавиатуру и мышь через USB-порты и подать на плату питание. Всё! Ваша "малинка" работает и Вы готовы покорять премудрости её использования.

Однако, за последнее время Raspberry Pi обзавёлся рядом подражателей, которые за те же $35 (или немного дороже) предоставляют нам довольно интересные альтернативы микрокомпьютеров, которые могут кое в чём даже превосходить "малинку". Рассмотрим кратко некоторые из них и сравним конкурентов.

Orange Pi

Называть миникомпьютеры названиями фруктов на волне популярности "малинки" стали многие разработчики. Одними из подобных устройств стали одноплатные компьютеры Orange Pi (в простонародье – "Апельсин"). В модельном ряду этих устройств есть как небольшие малопроизводительные платы, вроде Orange Pi Zero, так и флагманские девайсы, такие как Orange Pi RK3399:

В первую очередь, стоит отметить наличие на большинстве устройств Orange Pi отдельного видеоядра (которое, правда, выкачивает память из "оперативы"), что позволяет полноценно запускать ОС Android. Кроме того, "Апельсин" имеет большее количество распаянных на плате интерфейсов. Например, в топовой на сегодня модели Orange Pi RK3399, кроме стандартных для "малинки" разъёмов, имеется:

• дополнительный HDMI-вход (не только выход!);
• miniPCIe и mSATA-порт для подключения SSD;
• SPDIF-выход;
• разъём USB Type-C;
• разъём под батарею;
• разъём под SIM-карту;
• 2 ГБ оперативной памяти;
• 6-ядерный процессор Rockchip RK3399 на 2 ГГц;
• видеоускоритель Mali-T860;
• eMMC-модуль памяти на 16 ГБ;
• ряд сенсоров (микрофон, гироскоп, ИК-порт, компас, датчик освещения и т.д.);
• несколько физических кнопок (включение, сброс, восстановление, регулировка звука и т.д.).

Ко всему этому можно добавить, что Orange Pi RK3399 имеет полностью совместимую с шилдами Raspberry Pi 40-пиновую GPIO-колодку, а в придачу ещё 5 программируемых GPIO-контактов и 7 специальных!

Минусами такого богатого набора возможностей является увеличенная плата миникомпьютера (99 мм на 129 мм), повышенное энергопотребление (12 Вольт), потребность в дополнительном охлаждении и цена почти в 3 раза выше, чем у "малинки" ($110).

Banana Pi

Ещё один "фруктовый" конкурент "малины" – устройства Banana Pi. Как и в случае с "апельсином", модельный ряд "бананов" весьма широк. Флагманом здесь является Banana Pi M3:

Особенностью этого миникомпьютера является мощнейший на сегодня 8-ядерный процессор Allwinner A83T ARM Cortex-A7 с частотой 1.8 ГГц и полноценный видеоускоритель PowerVR SGX544MP1, который в сочетании с 2 ГБ оперативной памяти позволяет без проблем запускать на базе Banana Pi M3 любой Android. Кроме того, "банан" может похвастаться:

• 8 ГБ встроенной eMMC-памяти;
• полноценным SATA-портом;
• встроенным ИК-портом и микрофоном;
• дополнительным разъёмом под внешнюю Wi-Fi-антенну;
• дополнительными кнопками включения и сброса;

Набор интерфейсов дополнен совместимой с Raspberry Pi 40-пиновой GPIO-колодкой, что обеспечивает поддержку дополнительных шилдов. По мощности Banana Pi M3, пожалуй, лучший на сегодня миникомпьютер, но по оснащению он находится между оригинальной "малиной" и навороченным "апельсином". Размеры у него чуть больше, чем у оригинальной Raspberry Pi (92 на 60 мм, против 85 на 56 мм). Зато средняя цена выше почти в 3 раза ($95).

ASUS Tinker Board

Если Вам для каких-либо проектов покажется мало мощностей оригинальной Raspberry Pi, но Вы никак не захотите жертвовать линейными размерами миникомпьютера, то Вашим выбором может стать идентичная по габаритам плата ASUS Tinker Board S:

В модельном ряду миникомпьютеров от ASUS имеется всего два устройства. Tinker Board S отличается от прошлогодней платы без буквенного индекса только наличием распаянной eMMC-памяти на 16 ГБ. Кроме того, на плате компьютера имеется:

• 4-ядерный процессор ARM Cortex-A17 на 1.8 ГГц;
• 2 ГБ двухканальной памяти LPDDR3, которая по заверениям разработчиков на 30% быстрее одноканальных модулей у конкурентов;
• видеоускоритель Mali-T764, поддерживающий воспроизведение видео стандарта UHD (4k);
• беспроводные модули Wi-Fi 802.11n и Bluetooth 4.0;
• 4 USB-порта и 1 LAN (как в оригинальном Raspberry Pi).

Ещё одним незначительным, но интересным и полезным ноу-хау ASUS Tinker Board являются цветные пины совместимой с шилдами Raspberry Pi GPIO-колодки. Они позволяют энтузиастам быстрее запомнить назначение всех 40 контактов и облегчить подключение к ним нужных устройств. Что же касается цены, то за старшую модель со встроенной памятью придётся выложить $90...

ODROID

Для тех, кто уже не чувствует себя новичком в сфере миникомпьютеров и хочет попробовать что-нибудь новое и мощное, можно посоветовать приглядеться к корейскому проекту ODROID. Флагманом здесь является модель 2018 года выпуска ODROID-XU4:

При цене в $59 (что не сильно выше, чем у Raspberry Pi 3) мы получаем миникомпьютер по габаритам даже чуть меньший "малинки" (83 на 58 мм), но по производительности круче в 5-6 раз! Всё это благодаря:

• 8-ядерному процессору Samsung Exynos5422 Cortex-A15 на 2 ГГц;
• 2 ГБ двухканальной памяти LPDDR3;
• видеоускорителю Mali-T628 MP6;
• встроенному скоростному модулю памяти eMMC v5 на 16 ГБ;
• 3 портам USB 3.0 и 1 LAN-порту.

Кроме габаритов, ODROID-XU4 отличается от большинства аналогов отсутствием совместимости GPIO с шилдами Raspberry Pi. Здесь основная колодка имеет 30 штырьковых пинов, а также имеется дополнительная колодка ещё на 12 контактов. Кроме того, при всей мощности начинки в миникомпьютере нет встроенных модулей беспроводной связи и аудиоразъёма стандарта Jack 3.5, а потребляет устройство ток на 5В 4-6А, поэтому требует покупки специального блока питания, который не входит в комплект поставки и приобретается за отдельную плату ($12).

Сравнение миникомпьютеров

Характеристики	Raspberry Pi 3 Model B+	Orange Pi RK3399	Banana Pi M3	ASUS Tinker Board S	ODROID-XU4
Процессор	4x ARM Cortex-A53 x64 1.4 ГГц	6x ARM Rockchip RK3399 x64 2 ГГц	8x ARM Allwinner A83T Cortex-A7 2 ГГц	4x ARM Cortex-A17 1.8 ГГц	8x Samsung Exynos5422 Cortex-A15 2 ГГц
ОЗУ	1 ГБ	2 ГБ	2 ГБ	2 ГБ	2 ГБ
Видеоускоритель	-	Mali-T860	PowerVR SGX544MP1	Mali-T764	Mali-T628 MP6
Флеш-память	-	16 ГБ eMMC	8 ГБ eMMC	16 ГБ eMMC	16 ГБ eMMC v5
Порты	4xUSB 2.0, HDMI-out, 100 Mbps LAN, MicroUSB Host (5V 2.1A), Audio Jack 3.5, CSI (для камеры), DSI (для дисплея), GPIO 40 pin	4xUSB 2.0, USB Type C Host, HDMI-out, HDMI-in, mSATA, 1000 Mbps LAN, SPDIF, Audio Jack 3.5, I2S, микрофон, гироскоп, компас, датчик освещения, CSI, DSI, GPIO 40 pin, 4xI2C , SPI, 2xUART, +5xGPIO	2xUSB 2.0, MicroUSB Host (5V 2A), HDMI-out, SATA, 1000 Mbps LAN, Audio Jack 3.5, микрофон, CSI, DSI, GPIO 40 pin	4xUSB 2.0, HDMI-out, 100 Mbps LAN, MicroUSB Host (5V 2.5A), Audio Jack 3.5, CSI, DSI, GPIO 40 pin	2xUSB 3.0, USB 2.0, HDMI-out, 1000 Mbps LAN, CSI, DSI, GPIO 30 pin + 12 pin
Беспроводные интерфейсы	Wi-Fi b/g/n/ac, Bluetooth 4.2	Wi-Fi b/g/n/ac, Bluetooth 4.1, ИК-порт	Wi-Fi b/g/n, Bluetooth 4.0, ИК-порт	Wi-Fi b/g/n, Bluetooth 4.0	-
Размеры	56x85 мм	99x129 мм	60x92 мм	56x85 мм	58x83 мм
Потребляемый ток	5В 2-3А (официально 2.5А)	12В 2А	5В 2А	5В 3А	5В 4-6А
Цена	$35-40	$110	$95	$90	$59 (+$12 – блок питания)

Arduino и аналоги

Рассмотрев настоящие миникомпьютеры, мы можем перейти к рассмотрению более неоднозначных устройств под общим названием одноплатные аппаратные платформы. Они могут иметь размеры значительно меньше, чем у устройств предыдущего класса, но и начинка у них менее серьёзная. В основе большинства подобных плат лежит микросхема, которая напрямую связана с GPIO-разъёмами и может без посредства ОС работать с поступающими сигналами.

Плюсом такой организации работы являются низкие требования к аппаратным ресурсам и питанию платы, мгновенность обработки импульсов GPIO, а также готовность устройства к работе сразу после включения. Программирование микросхемы происходит либо через компьютер (в т.ч. микрокомпьютеры, вроде Raspberry Pi), либо при помощи программаторов. Сами микропрограммы называются скетчами и подготавливаются в специальных IDE на языке C++.

Что интересно, если Вы "дружите" с паяльником, то сами можете собрать собственную одноплатную платформу, на базе тех же компонентов, что и покупные. Однако, для начала обычно рекомендуют купить готовое решение, которое совместимо с большинством плат расширения и позволяет в кратчайшие сроки собрать нужный Вам проект.

Наиболее известной маркой, под которой выпускаются готовые одноплатные аппаратные платформы, является Arduino. Название этих платформ стало именем нарицательным для всех подобных микроконтроллеров. В свою очередь оно произошло от названия небольшой пивнушки в итальянском городке Ивреа, которая была названа в честь короля Италии Ардуина Иврейского, правившего страной с 1002 по 1004 годы. Именно в этой пивнушке в 2005–2006 годах её владелец Массимо Банци с товарищами собрали новое на то время устройство:

После старта продаж плат Arduino в 2008 году между разработчиками произошёл раскол. В результате этого образовалось две независимые ветви развития платформы на разных сайтах arduino.cc и arduino.org. Это долгое время вносило путаницу, но на сегодняшний день разработчики снова объединили усилия и вернулись к оригинальным концепциям на едином сайте.

В отличие от миникомпьютеров Raspberry Pi, модельный ряд которых состоит из основной платы и уменьшенной (Zero), определяемых по версиям, моделей Arduino, даже официальных, существует несколько десятков! Что говорить уж о многочисленных альтернативах... Все они отличаются как размерами и формой, так и "начинкой":

В первую очередь различия состоят в количестве GPIO-контактов и изначально распаянных на плате дополнительных интерфейсов. К таким интерфейсам могут относиться USB-порт, microUSB-разъём, LAN-порт, Wi-Fi-модуль, Bluetooth-модуль, ИК-порт и т.п. Если каких-то из них, которые Вам нужны, нет, то Вы можете их подключить в виде дополнительных шилдов.

Второй отличительной особенностью являются микросхемы, на которых базируются те или иные модели Ардуино. Если практически все миникомпьютеры работают на ARM-процессорах, то в стане микроконтроллеров есть довольно большое разнообразие: от простеньких AVR-микросхем ATmega (например, ATmega328 в одной из наиболее популярных моделей Arduino Uno), до почти полноценных ARM-процессоров (например, Cortex-M3 ARM x32 в Arduino Due) и даже Intel x86 (например, Intel Curie x86 в Genuino 101).

В силу больших различий в комплектации, ценах и совместимости с разными шилдами выбрать подходящую плату может быть весьма непросто. Для этого я бы рекомендовал Вам воспользоваться статьёй англоязычной Википедии, в которой приводятся сравнительные характеристики различных моделей Arduino и совместимых с ними платформах сторонних разработчиков.

Выводы

Тема микрокомпьютеров и аппаратных платформ на одном кристалле – весьма обширна. Она будет интересна всем, кто хочет попробовать свои силы в радиотехнике и электронике, но пока ещё не очень хорошо владеет паяльником и необходимым набором знаний. С универсальными разъёмами GPIO Вам не потребуется ничего паять – достаточно присоединить клеммы к нужным выводам на плате и создать необходимую программу, чтобы получить новое полезное устройство.

Помнится в советские времена существовали специальные радиоконструкторы, в которых на макетной плате без пайки можно было разместить готовые модули, связать их проводками и получить готовое устройство (электрозвонок, сигнализацию, рацию и т.п.). Фактически современные миникомпьютеры и аппаратные платформы являются тем же конструктором, но для взрослых и умеющих (или желающих научиться) программировать людей.

Думаю, когда моя "малинка" мне придёт, мы ещё не раз вернёмся к теме непосредственной разработки программ и устройств на её базе :) А пока, думаю, достаточно будет разобраться во всём многообразии современных миникомпьютеров и понять, нужны они Вам или нет.

P.S. Разрешается свободно копировать и цитировать данную статью при условии указания открытой активной ссылки на источник и сохранения авторства Руслана Тертышного.