Single Board Computer, evoluzione e confronto

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Le Single Board Computer sono cambiate vertiginosamente nel corso degli anni. Inizialmente il fattore di selezione si basava principalmente sulla CPU e i chip periferici associati. Oggi, le dimensioni della scheda e il tempo di commercializzazione sono i fattori decisionali chiave, oltre alla sola potenza e velocità della CPU. Ripercorreremo l’evoluzione delle Single Board Computer per poi soffermarci sugli aspetti generali delle principali SBC quali Raspberry e BeagleBone, diventate popolari al di fuori dell’uso industriale, ma che continuano a ricoprire ruoli in alcuni settori di automazione. Affronteremo, inoltre, alcuni aspetti legati alle FPGA on-board e alle finalità progettuali che hanno portato allo sviluppo di SBC nel mercato industriale. Un mercato che ha maturato molti modi di design, con la definizione finale di una serie di tendenze emerse sulla base dell’economia e di uno standard industriale di settore in continua evoluzione.

 1.    L’evoluzione

Le Single Board Computer, denominate comunemente SBC rappresentano e continueranno a rappresentare la soluzione ideale in molti contesti embedded applicativi, dove fattori di consumo, affidabilità e dimensione sono molto determinanti.
Una single board computer (SBC) è un tipo di mini-computer che racchiude tutti i componenti necessari in un unico PCB. Le dimensioni di un SBC possono variare da quelle di una carta di credito a una console per videogiochi. Essi sono spesso incorporati in dispositivi più grandi come ad esempio sportelli automatici, attrezzature industriali e dispositivi robotici. Molte SBC sono costruite per essere compatibili con PC e utilizzano gli stessi processori, memoria e chip di grafica. A metà degli anni 2000, il costo dei componenti per computer era sceso abbastanza per portare il computer single board a portata di mano della comunità hobbista. Diverse aziende si sono specializzate in SBC low-cost ma molto versatili per l’impiego in elettronica amatoriale e progetti di calcolo, utilizzati da soli per introdurre gli studenti alla programmazione di computer o parte di una piattaforma più ampia come un robot o la visualizzazione di arte interattiva. Il primo vero computer single-board era denominato “Dyna-micro“, basato sul processore Intel C8080A e sulla prima EPROM di Intel, il C1702A. Il Dyna-micro è stato rimarcato nel 1976 come il “MMD-1″ (Mini-Micro Designer 1). Con lo sviluppo dei personal computer e la disponibilità di chipset integrati sulle board che consentivano la maggior parte delle funzioni di I/O, le SBC hanno indotto un cambiamento brusco con la recente diffusione di schede moderne. Per comprendere la vera ascesa, abbiamo bisogno solo di guardare indietro a 10 anni fa a Ivrea (Italia), dove un team di progettisti hanno sviluppato una scheda che ha permesso di fare uso di microcontrollori moderni nei loro progetti. Questo ha segnato l’inizio della piattaforma Arduino. Uno dei successivi grandi sviluppi è stata la nascita della BeagleBoard.org non-profit nel 28 luglio 2008. BeagleBoard.org è stata costituita per portare i microprocessori moderni nelle mani di ingegneri e progettisti attraverso un basso costo e una piattaforma di comunità di sviluppo open source. Con le piattaforme ArduinoTM e BeagleBone in atto e in continua evoluzione, una nuova piattaforma SBC entrò in commercio verso il 2011, la Raspberry Pi. Attualmente troviamo altre SBC con caratteristiche tecniche differenti nonchè evoluzioni delle precedenti. Un esempio è la RascalMicro, un piccolo computer abbastanza potente per gestire il traffico web reale. Il Rascal ha un proprio editor web-based e si può programmare in Python. La Intel Edison, invece, è una SBC offerta da Intel come un sistema di sviluppo per dispositivi indossabili lanciata nel 2014. Il sistema ha la stessa dimensione e forma di una scheda SD e contiene una CPU dual-core Intel Quark x86 a 400 MHz con Bluetooth e Wi-Fi. Una tendenza comune che si continuerà a vedere è la disponibilità di più gli accessori o schede add-on da aggiungere alle piattaforme SBC, consentendo agli utenti più opzioni per controllare e avere accesso al mondo esterno.

2.    SBC a confronto

Arduino, Raspberry Pi e BeagleBone possono sembrare molto simili, ma sono in realtà sono molto diversi. Arduino è una scheda a microcontrollore, può essere programmato in C ma non può eseguire un sistema operativo. D’altra parte il Raspberry Pi è un mini computer completo e ha bisogno di un sistema operativo per funzionare.

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Figura 1: Schede SBC Arduino (a), Raspberry (b) e BeagleBone (c)

Il progetto consiste di un SoC BCM2835, che incorpora un processore ARM1176JZF-S a 700 MHz, una GPU VideoCore IV e 256/512 MB di memoria. La scheda si affida ad una SD per il boot e l’esecuzione dei programmi. La versione successiva (Raspberry 2), in vendita da poche settimane, ha un processore Arm Cortex-A7 a 900 MHz condito da 1 GB di RAM.
La famiglia BeagleBoard è stata originariamente progettata per fornire una piattaforma a basso costo di sviluppo per hobbisti al fine di provare il nuovo e potente system-on-a-chip (SOC), ovvero dispositivi che sono  in grado di svolgere tutte le funzioni di un computer su un unico chip.
Con abbondanza di I / O e la potenza di elaborazione per l’analisi in tempo reale fornito da un processore ARM, BeagleBone può essere completata con schede Plug-in per aumentarne le funzionalità. Con due 46 pin header, il BeagleBone Nero ha un totale di 92 possibili punti di connessione. Alcune di queste connessioni sono riservate, ma quasi tutti possono essere riconfigurate per essere utilizzate in caso di necessità (Figura 1).
La Intel Edison è offerta da Intel come un sistema di sviluppo per dispositivi indossabili. 
Nel marzo del 2014, Intel ha annunciato cambiamenti nel progetto con dimensioni dell’ordine di 35,5 x 25 x 3.9 mm. Principale SoC è nuovo Intel Atom “Tangier” (Z34XX), prodotto con 22 nm, con due core Atom Silvermont a 500 MHz e un core Intel Quark a 100 MHz (per l’esecuzione RTOS ViperOS). Il SoC ha 1 GB di RAM integrata nel pacchetto, 4 GB eMMC Flash a bordo, Wi-Fi, Bluetooth e 4 USB.

3.    Uno sguardo alle SBC industriali

Le SBC embedded sono unità che forniscono tutto il necessario per dispositivi I / O con  pre-disposizione alle schede plug-in; sono molto più piccole delle […]

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