Микрокомпьютеры (МК) относятся к классу миниатюрных настольных вычислительных устройств, способных решать широкий круг задач. Встречаются другие названия МК, например, микротауэры. Они представляют собой одноплатные устройства, состоящие из тех же основных узлов, что стационарный компьютер. МК применяются в индустриальных, бытовых, научно-исследовательских, образовательных целях. Этот материал поможет читателям ознакомиться с особенностями МК. Все они доступны для приобретения в магазине Суперайс.
Время чтения: 21 минута
Почему микрокомпьютеры так популярны
По данным исследовательской компании Verified Market Research, совокупный объём рынка микротауэров в 2023 году оценивался в 77 млрд долларов. Ожидается, что к 2031 году этот показатель достигнет 213 млрд долларов.
Рост рынка микротауэров обусловлен несколькими причинами:
- Запрос со стороны общества и государства на современные индивидуальные проекты, реализуемые во всех сферах жизни, человеческой деятельности.
- Тотальная автоматизация индустриального производства, энергетики, логистики и т. д.
- Развитие искусственного интеллекта, интернета вещей (IoT).
- Поддержка отрасли со стороны государств.
Такие перспективы стимулируют использование МК в разработках и внедрения новинок в уже существующие решения. Поэтому разработчики радиоэлектронного оборудования внимательно следят за любыми новинками в области одноплатных компьютеров. Использование микротауэров позволяет инженерам быстро создавать новые конкурентоспособные продукты и оперативно выводить их на рынок.
Из-за этого интерес разработчиков электронной аппаратуры к микротауэрам непрерывно растёт. Компания Суперайс предлагает разнообразие моделей МК. Их перечень содержится в специальном разделе каталога товаров.
Особенности одноплатных компьютеров и их классификация
Вот базовые отличия микротауэра от обычного компьютера:
- малая производительность процессора с сокращённым набором команд (или процессора на ARM-платформе, которая содержит упрощённый набор команд);
- работа под управлением специальной операционной системы (ОС);
- наличие интегрированной видеокарты;
- применение внешнего блока питания;
- малые размеры жёсткого диска (2.5 дюйма), небольшой объём памяти (не более 2 Тб);
- бесшумная работа;
- малые габариты, вес и мощность, потребляемая устройством.
Микротауэры классифицируют по архитектуре, используемой ОС, конструктивному исполнению, видам решаемых задач.
По типу ОС устройства делятся на изделия, построенных на универсальных платформах Linux, Windows. Существует версия Windows 10 IoT Core, которая оптимизирована для архитектуры «умного дома» или IoT.
Многие производители предлагают собственные разработки. К ним относятся следующие программные продукты:
- Home Assistant OS/OpenHABian, ориентированный на МК «умного дома», способный обслуживать различные датчики и оконечные приборы.
- Raspberry Pi OS-ОС с графикой (или без неё) для подготовки к работе и текущей поддержке Web-серверов с медиаустройствами.
- LibreELEC/OSMC для использования в медиасистемах, реализующих менеджмент различным аудиовизуальным контентом, поддерживающих работу видеозаписи по графику пользователя.
- RetroPie/Lakka/Recalbox спроектирован для оборудования, применяемого в индустрии компьютерных игр.
По конструктивному исполнению микротауэры делят на корпусные, бескорпусные и embedded (встраиваемые) в действующее устройство.
Существуют изделия headless (безвентиляторный корпус) и аппараты со встроенным кулером.
По способу крепления различают устройства для размещения на DIN-рейке или выполненные в корпусе для монтажа внутри готового изделия.
По решаемым задачам микротауэры классифицируют на несколько категорий:
- Устройства для автоматизации технологических процессов.
- Одноплатные компьютеры для разработки SBC (single-board computer — одноплатный микрокомпьютер).
- Специализированные аппараты для научных исследований.
- «Облегчённые» версии МК для учебных или образовательных целей.
- Устройства для бытовых применений, например, медиаплееры, файловые серверы, серверы для видеонаблюдения и т. д.
Все виды перечисленных изделий можно найти в каталоге магазина Суперайс, куда включены модели основных брендов. Ниже представлена сравнительная таблица базовых технических характеристик некоторых образцов МК. Для сравнения были выбраны наиболее функциональные устройства.
| Характеристика | Модель | |||
| Raspberry Pi 4B | Orange Pi 5 Plus | Jetson AGX Orin | FriendlyElec NanoPC | |
| CPU | Cortex-A72 1,5 ГГц 64-разрядный | 4 x Cortex-A72, 4 x Cortex-A55 | Arm Cortex-A78AE | 4 x Cortex-A72 и 4, Cortex-A55 |
| RAM (ОЗУ), Гб | 2 | 32 | 64 | 8 |
| Тип ОС | Debian, Raspberry Pi OS, Manjaro ARM Linux | Orange Pi (Droid), Orange Pi (Arch), Ubuntu, Debian, Android 12 | Linux for Tegra (L4T) | FriendlyWrt 21.02 и 22.03, Android 12, FriendlyCore Lite 20.04, Debian 10 и 11 Desktop, Ubuntu 22.04 Desktop, OpenMediaVault |
| Проводные интерфейсы | USB2.0 x 2, USB3.0 x 2, LAN | USB 3.0 × 2, USB 2.0 × 2, USB-C × 1, LAN | microUSB В, USB-A, USB-С LAN*** | USB 3.0-А, USB 3.0-C, LAN |
| Беспроводные интерфейсы | Двухдиапазонный WiFi 802.11 b/g/n/ac |
Двухдиапазонный WiFi 802.11ac Bluetooth BLE |
- | WiFi, Bluetooth, 4G LTE |
| Порт аудио-видео | 2×micro-HDMI версии 2.0 | 2 x HDMI 2.1 | HDMI А2.1 | 2×micro-HDMI 2.0 |
| Порты ввода-вывода | GPIO** | GPIO** | GPIO, I2C, I2S, SPI, CAN, UART, DMIC | GPIO** |
| Питание PoE* | Type-C (5 В, 3 А) | USB (5 В, 5А) | USB-C, USB-PD 12В | 12 В, 2 А (адаптер питания) |
| Рабочие температуры, град. С | от 0 до +50 | от -10 до +50 | от 0 до +50 | от 0 до +70 |
| Особенности | Высокая скорость, надёжность | Масштабируемость, 2 беспроводных интерфейса | Промышленное исполнение, высокая производительность | Масштабируемость, несколько беспроводных интерфейсов |
| Форм-фактор | Бескорпусный | Бескорпусный | Корпусное исполнение, встроенный кулер | Корпусное настольное исполнение |
| Область применения | Мультимедийные устройства | Встраиваемые системы, IoT, домашние серверы, сетевые хранилища, машинное зрение | Робототехника, медицинское оборудование, компьютерное зрение, научные исследования, AI | Сетевые хранилища и коммутаторы, информационные и справочные терминалы, задачи Edge AI**** |
| Цена, руб***** | 15 149 | 47 179 | 288 990 | 29 889 |
Примечания:
*PoE (Power over Ethernet) — способ организации питания через Ethernet-кабель.
**GPIO (General-Purpose Input/Output — интерфейс ввода/вывода общего назначения). На 40-контактный разъём выведены также UART, I2C, SPI, CAN, I2S, PDM, AUDDSM, SDIO, PWM.
***В таблице приведён краткий перечень интерфейсов продукта. Подробности смотрите на сайте продавца.
****Edge AI (Artificial Intelligence at the Edge-периферийный искусственный интеллект). Это стратегия, в которой вычисления производятся не в центральном процессоре, а в оконечных устройствах, например, в смартфонах.
*****Цена товаров приведена на момент написания этого материала.
Как следует из таблицы, производители разных брендов предлагают продукцию, которая существенно отличается по назначению, техническим характеристикам, функциональным возможностям, поддерживаемым ОС и цене.
Это обстоятельство оставляет проектировщику аппаратуры свободу выбора продукта для реализации заданных требований к разрабатываемому изделию. Далее остановимся на критериях выбора аппаратуры для практического применения.
Как выбрать микрокомпьютер под решаемую задачу
При выборе МК для реализации технического задания на проектирование электронного устройства необходимо использовать несколько критериев. Перечислим основные.
Назначение микротауэра
Каждый одноплатный компьютер создавался для выполнения определённых функций. По этому критерию можно отсеять неподходящие устройства и существенно сузить круг поисков нужного продукта.
Поддерживаемая процессором ОС
Это качество во многом определяет выбор одноплатного компьютера. Кроме ОС, перечисленных в таблице, существуют программные продукты семейства RTOS (Real-Time Operating System, операционная система реального времени). Они обеспечивают работу автоматизированных комплексов, в которых необходима мгновенная реакция оборудования на любые изменения состояния оконечных устройств и высокая надёжность.
RTOS актуальны для использования в автоэлектронике, авионике, телематике, медицинской технике, IoT, других областях. Примерами таких ОС служат VxWorks, INTEGRITY RTOS, Nucleus RTOS, Azure RTOS и другие.
Обеспечение заданных способов связи с внешними устройствами
Нужно учитывать поддержку:
- проводных интерфейсов для подключения датчиков, сенсоров, средств визуализации и других устройств и расстояния до них;
- беспроводных коммуникаций по стандартам WiFi, Bluetooth, LTE и т. д., если это требуется;
- оптических портов для высокоскоростных соединений (при необходимости).
Если нужна аппаратная поддержка специфических портов, например, GPIO или RJ-45, это тоже нужно учитывать при подборе спецификации модели.
Характеристики видеопроцессора
Учёт этих параметров необходим в проектировании мультимедийных центров. Для большинства производственных задач, где вывод изображения и обработка мультимедиа в принципе не требуется, этими характеристиками можно пренебречь.
Соответствие требованиям по конструктивному исполнению
Наиболее распространены микротауэры в бескорпусном исполнении, для размещения на DIN-рейке, в корпусе для монтажа в телекоммуникационный шкаф или для расположения на столе.
Работоспособность в заданных условиях эксплуатации проектируемого устройства
Информацию по всем перечисленным критериям можно найти в технических описаниях производителей МК. При затруднениях в получении этой документации из доступных источников можно запросить её у дистрибьютора или продавца.
Ниже приводится краткая характеристика МК, технические параметры которых приведены в таблице выше.
Особенности изделия:
- бескорпусное исполнение;
- возможность одновременной работы с двумя мониторами;
- наличие гигабитного контроллера Ethernet;
- небольшой объём ОЗУ;
- поддержка беспроводных коммуникаций Wi-Fi: 802.11 и Bluetooth: v5.0;
- аппарат оптимизирован для применения в робототехнике;
- отсутствие встроенных антенн;
- производится в нескольких версиях;
- относительная дешевизна.
Прибор отличается:
- наличием инфракрасного приёмника;
- возможностью подключения внешней резервной батареи и вентилятора;
- одноплатной конструкцией;
- опцией для подключения беспроводных модулей WiFi и Bluetooth;
- наличием отладочного разъёма UART;
- светодиодной индикацией состояния;
- отсутствием встроенных антенн;
- встроенным микрофоном;
- средней ценой.
Продукт отличают:
- значительная производительность до 275 трлн операций в секунду (до 275 TOPS);
- высокая пропускная способность ОЗУ 64 ГБ LPDDR5x достигает 204.8 Гб/с;
- работа только под одной ОС — Linux for Tegra (L4T);
- наличие ускорителя компьютерного зрения, использующий концепцию VLIW SIMD;
- отсутствие поддержки беспроводных соединений;
- возможность подключения до 6 видеокамер MIPI CSI-2;
- поддержка дисплея Vesa DisplayPort (DP) 1.4a (+MST);
- кнопочное управление питанием, сбросом, восстановлением системы;
- наличие отладочного порта JTAG;
- корпусное исполнение в виде отдельного блока;
- потребление энергии в зависимости от режима работы (15–60 Вт);
- относительная дороговизна.
Особенности изделия:
- небольшая ёмкость ОЗУ;
- наличие четырёх встроенных антенн для работы WiFi и 4G LTE;
- поддержка видеокамер по порту CSI;
- наличие инфракрасного приёмника;
- работа под несколькими ОС (FriendlyWrt 21.02; FriendlyWrt 22.03; Android 12; FriendlyCore Lite 20.04; Debian 10 Desktop; Debian 11 Desktop; Ubuntu 22.04 Desktop; OpenMediaVault);
- возможность подключения внешней резервной батареи;
- корпусное настольное исполнение;
- широкий диапазон рабочих температур (extended temperature);
- средний ценовой сегмент.
Рассмотренные микротауэры составляют лишь небольшую часть изделий, предлагаемых магазином Суперайс. Подробную информацию можно получить здесь.
Перспективы рынка и новинки 2025 года
По прогнозам маркетологов, в период с 2025 по 2032 год ожидается рост ёмкости мирового рынка одноплатных микротауэров со скоростью годового прироста 4.8%. Поэтому расчётный объём производства этих аппаратов к 2032 году должен составить около 5.45 млрд долларов.
Одним из направлений совершенствования МК становится применение архитектуры RISC-V (Reduced Instruction Set Computing-Five: вычисления с сокращённым набором инструкций версия 5).
Основная идея RISC-V заключается в том, что память используется только для загрузки и хранения информации. Вычисления и логические операции осуществляются с данными, находящимися в центральном процессоре. При использовании такой стратегии уменьшается количество обращения к памяти и увеличивается быстродействие МК.
В текущем году производители микротауэров запустили в производство несколько новых моделей этих устройств, ориентированных на разные области применения. Многие из них работают по принципу RISC. Вот некоторые примеры.
Для использования в IT инфраструктуре
Изделие Banana Pi BPI-RV2 представляет собой МК, ориентированный на создание сетевых коммутаторов, маршрутизаторов и межсетевых шлюзов. Он построен на основе процессора Siflower SF21H8898, который работает под ОС OpenWrt, специально разработанной для решения задач маршрутизации.
Это SBC-устройство поддерживает один WAN-порт со скоростью обмена данными 2.5 Гб и пять LAN-портов со скоростью 1 Гб. Слоты PCIe 2.0 x1 и B-Key позволяют организовывать и обслуживать беспроводные соединения Wi-Fi, Bluetooth и модемы сетей мобильной связи 5G.
Объём оперативной памяти Banana Pi BPI-RV2 512Мб, а ёмкость флеш-памяти может составлять 16 или 128 Мб.
Поддерживаются функции RTC (Real-Time Clock — часы реального времени) и питания по витой паре сетевого кабеля Ethernet. Это обеспечивает гибкое использование МК в различных телекоммуникационных системах.
Микротауэр Banana Pi BPI-RV2 разработан компанией SinoVoip. В нём используется решение RISC-V.
Для эксплуатации в сфере IoT
В одноплатном компьютере Orange Pi RV2 применяется процессор Ky X1 с 8 ядрами, обеспечивающий вычислительную мощность в 2 TOPS. Он поддерживает Wi-Fi 6 и Bluetooth 5.0, оснащён двумя гигабитными Ethernet-портами и двумя разъёмами PCIe.
Такое решение делает удобным применение микротауэра как сервера для домашней автоматизации или платформы для IoT. При этом используется архитектура RISC-V.
Изделие комплектуется оперативной памятью объёмом 2, 4, или 8Гб. Оно обеспечивает подключение внешних устройств с помощью стыков GPIO, DSI (Display Serial Interface — последовательный интерфейс дисплея) и CSI (Camera Serial Interface — последовательный интерфейс камеры).
Для прототипирования
Оригинальное решение предложила фирма Citronics. Оно называется Citronics DevKit. Этот продукт представляет собой компактный микротауэр, изготовленный на базе устаревшего «умного» телефона Fairphone 2. В смартфоне применялся четырёхъядерный процессор Qualcomm Snapdragon 801 с тактовой частотой 2.26 ГГц, 4G LTE Cat.4 модем, Wi-Fi 5 и Bluetooth, а также сопроцессор на ARM Cortex-M.
Компания изготовила уникальную базовую плату, которая позволяет расширить оперативную память устройства до 2Гб и получить 32Гб встроенной мультимедийной памяти. Аккумулятор, экран, встроенная видеокамера не используются. Так смартфон превращается в МК на ОС Alpine Linux, поддерживающий классические интерфейсы USB, GPIO и Ethernet.
Решение предлагается в качестве инструмента для прототипирования и не рассчитано на массовое применение. Целевая аудитория этого продукта — проектировщики радиоэлектронной аппаратуры и радиолюбители.
Для профессиональных разработок новой техники
Китайская фирма Muse предложила разработчикам МК Muse Pi Pro. Он содержит восьмиядерный процессор SpacemiT K60 с частотой тактирования не более 1.6 ГГц и вычислительной мощностью около 2 TOPS. Аппарат поддерживает слоты PCIe 2.1 x2 для SSD и mini PCIe 2.1 x1, к которым подключаются внешние устройства.
В Muse Pi Pro используется графическое ядро Imagination BXE-2-32 и встроенная мультимедийная карта памяти на 128 Гб, что позволяет ему обслуживать видеокамеры и дисплеи. Объём оперативной памяти достигает 16 Гб. Такая комплектация обеспечивает поддержку решений для машинного зрения, для сбора, анализа и накопления информации от разнотипной оконечной аппаратуры. Питание Muse Pi Pro и обрабатываемая информация поступают по интерфейсу USB типа C.
Из рассмотренных выше образцов поставки одноплатного компьютера Banana Pi BPI-RV2 уже доступны.
Рассмотреть в небольшой статье все микрокомпьютеры не представляется возможным, поскольку предложений миниатюрного вычислительного оборудования на рынке очень много.
Современные МК представляют собой своеобразный конструктор с чрезвычайно широкими возможностями. Они ограничены не только и не столько техническими параметрами микротауэров, сколько качеством разработки программного обеспечения и правильным подходом к проектированию. Не менее важно обеспечить качество исполнения соединений внешнего оборудования с микротауэрами и их соответствия техническим рекомендациям производителей.
Разные экземпляры одноплатных компьютеров существенно отличаются по своим техническим характеристикам и, конечно, цене. Поэтому перед разработчиками стоит проблема выбора продукта с подходящим соотношением функциональных возможностей, надёжности и затрат на его внедрение.
Всем, кто заинтересован подобрать и купить микрокомпьютеры для конкретного проекта, помогут сотрудники магазина Суперайс. Для этого менеджерам предприятия от заказчика потребуется лишь формулировка стоящей перед ним задачи.
Многие покупатели предпочитают выбирать микрокомпьютеры самостоятельно. Для них полезным подспорьем будет дополнительная информация. Она содержится в иллюстрированном каталоге компании.
