Computadora de placa única

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Una computadora de placa única ( SBC ) es una computadora completa construida sobre una sola placa de circuito , con microprocesador (es), memoria , entrada/salida (E/S) y otras características requeridas de una computadora funcional. Las computadoras de placa única se fabrican comúnmente como sistemas de demostración o desarrollo, para sistemas educativos o para usarse como controladores de computadora integrados . Muchos tipos de computadoras domésticas o portátiles integran todas sus funciones en una sola placa de circuito impreso .

A diferencia de una computadora personal de escritorio , las computadoras de placa única a menudo no dependen de ranuras de expansión para funciones periféricas o expansión . Las computadoras de placa única se han construido utilizando una amplia gama de microprocesadores . Los diseños simples, como los construidos por aficionados a la informática, a menudo utilizan RAM estática y procesadores de 32 o 64 bits de bajo costo como ARM . Otros tipos, como los servidores blade , tendrían un rendimiento similar al de una computadora servidor , solo que en un formato más compacto.

Una computadora en módulo es un tipo de computadora de placa única diseñada para conectarse a una placa base, placa base o placa posterior para expandir el sistema. ^{[2] [3]}

El primer ordenador de placa única real se basó en el Intel C8080A , que también utilizaba la primera EPROM de Intel , la C1702A. Los esquemas de la máquina, llamada "dyna-micro", se publicaron en la revista Radio-Electronics en mayo de 1976. Más tarde ese año, la producción del sistema comenzó por parte de E&L Instruments, un fabricante de computadoras con sede en Derby, Connecticut , que lo denominó "Mini Micro Designer 1", con la intención de usarlo como un microcontrolador programable para crear prototipos de productos electrónicos. ^{[4] [5]} El MMD-1 se hizo famoso como un microordenador de ejemplo en la popular serie de instrucciones 8080 de la época. ^[6]

Los primeros SBC tuvieron una gran importancia en la historia temprana de los ordenadores domésticos , como el Acorn Electron y el BBC Micro , también desarrollado por Acorn. Otros típicos ordenadores de placa única tempranos como el KIM-1 a menudo se enviaban sin carcasa , que debía ser agregada por el propietario. Otros ejemplos tempranos son el Ferguson Big Board , el Ampro Little Board, ^[7] y el Nascom . Muchos ordenadores domésticos en la década de 1980 eran ordenadores de placa única, y algunos incluso alentaban a los propietarios a soldar componentes mejorados directamente a puntos premarcados en la placa.

A medida que el PC se hizo más común, las SBC perdieron participación en el mercado debido a su baja extensibilidad. La rápida adopción de los estándares de IBM para periféricos y la estandarización del bus PCI en la década de 1990 hicieron que las placas base y los componentes y periféricos compatibles fueran baratos y omnipresentes, mientras que el desarrollo de plataformas multimedia como el CD-ROM y las tarjetas Sound Blaster había comenzado a superar rápidamente la tasa a la que los usuarios necesitaban reemplazar sus computadoras personales. Estas dos tendencias desincentivaron las computadoras de placa única y, en cambio, alentaron la proliferación de placas base , que generalmente albergaban la CPU y otros componentes centrales, con componentes periféricos como controladores de unidades de disco duro y procesadores gráficos , e incluso algunos componentes centrales como módulos de RAM , ubicados en placas hijas .

En la década de 2000, las computadoras comenzaron a adoptar un menor número de placas base. A medida que los nuevos estándares como USB redujeron drásticamente la variedad de estándares periféricos que se esperaba que admitieran las placas base, los avances en la fabricación de circuitos integrados proporcionaron nuevos conjuntos de chips que podían proporcionar la funcionalidad de muchas placas hijas, en particular E/S , en un solo chip. A fines de la década, las placas base de PC ofrecían soporte integrado para unidades de disco, incluidas IDE , SATA , NVMe , RAID , GPU integrada , Ethernet y E/S tradicionales, como puerto serie y puerto paralelo , USB y compatibilidad con teclado y mouse. Las "tarjetas" enchufables conservaron su importancia como componentes de alto rendimiento, como coprocesadores gráficos físicamente grandes y complejos, controladores RAID de alta gama y tarjetas de E/S especializadas, como placas de adquisición de datos y DSP .

La década de 2010 se definió por un crecimiento rápido y sostenido de las computadoras de placa única, facilitado en gran medida por los avances en las técnicas de producción de circuitos integrados que hicieron posible por primera vez incluir la mayoría o todos los componentes principales de una placa base en una única matriz de circuito integrado . Una de las computadoras de placa única más conocidas de la década fue la Raspberry Pi , que se construyó alrededor de un SoC Broadcom personalizado con controladores de código abierto . Originalmente pensada para la educación, la Raspberry Pi contenía una serie de características, como soporte optimizado para Linux y pines GPIO programables , que también eran muy atractivas para los aficionados , que usaban la Pi y otras SBC comparables para proyectos como la automatización del hogar , la emulación de videojuegos , la transmisión de medios y otros experimentos. ^[8] En la industria, el rápido crecimiento de los teléfonos inteligentes y otros dispositivos de pequeña escala alentó a los fabricantes de hardware a avanzar hacia un uso más frecuente de los SoC y la reducción de las placas base en tamaño, extensibilidad y complejidad, mientras que la proliferación de la Internet de las cosas aumentó la demanda de componentes pequeños y baratos que permitieran a los dispositivos no convencionales acceder a Internet. Ambos factores aumentaron drásticamente la producción de computadoras de placa única a lo largo de la década.

A finales de la década de 2010 y principios de la de 2020, muchos dispositivos, incluidos teléfonos inteligentes, tabletas , computadoras portátiles y otros dispositivos inteligentes, funcionan con computadoras de placa única que utilizan SoC ( sistema en un chip ) avanzados. Si bien esto ha aumentado enormemente el rendimiento y la eficiencia energética, ha generado inquietudes de que las computadoras de placa única, en particular las construidas alrededor de SoC, son más difíciles de reparar y pueden ser menos amigables con los intentos de monitorear o modificar las instrucciones programadas en las placas por los fabricantes. ^[9]

Las computadoras de placa única se hicieron posibles gracias al aumento de la densidad de circuitos integrados . Una configuración de placa única reduce el costo general de un sistema, al reducir la cantidad de placas de circuitos requeridas y al eliminar los conectores y circuitos de controlador de bus que de otro modo se utilizarían. Al colocar todas las funciones en una placa, se puede obtener un sistema general más pequeño, por ejemplo, como en las computadoras portátiles. Los conectores son una fuente frecuente de problemas de confiabilidad, por lo que un sistema de placa única elimina estos problemas. ^[10]

En la actualidad, las computadoras de placa única se definen comúnmente a través de dos arquitecturas distintas: sin ranuras y con soporte de ranuras.

Las SBC integradas son unidades que proporcionan todas las E/S necesarias sin necesidad de tarjetas enchufables. Las aplicaciones típicas son juegos (máquinas tragamonedas, video póquer), kioscos y automatización del control de máquinas . Las SBC integradas son mucho más pequeñas que las placas base tipo ATX que se encuentran en las PC y proporcionan una combinación de E/S más orientada a una aplicación industrial, como E/S analógica y digital integrada, memoria flash de arranque integrada (eliminando la necesidad de una unidad de disco ), sin video, etc.

El término computadora de placa única ahora se aplica generalmente a una arquitectura en la que la computadora de placa única está conectada a una placa base para proporcionar tarjetas de E/S. En el caso de PC104 , el bus no es una placa base en el sentido tradicional, sino una serie de conectores de pines que permiten apilar las placas de E/S.

Las computadoras de placa única se utilizan con mayor frecuencia en situaciones industriales, donde se utilizan en formato de montaje en bastidor para el control de procesos o se integran en otros dispositivos para proporcionar control e interconexión. Se utilizan en la exploración de aguas profundas en las sondas de aguas profundas ALICE y en el espacio exterior, en los cohetes Ariane y Pegasus y en el transbordador espacial . ^[11] Debido a los altísimos niveles de integración, la cantidad reducida de componentes y la cantidad reducida de conectores, las computadoras de placa única suelen ser más pequeñas, más ligeras, más eficientes energéticamente y más confiables que las computadoras multiplaca comparables. ^[12]

La principal ventaja de una placa base ATX en comparación con una SBC es el costo. Las placas base se fabrican por millones para los mercados de consumo y de oficina, lo que permite enormes economías de escala . Las computadoras de placa única son un nicho de mercado y se fabrican con menos frecuencia y a un costo más alto. Las placas base y las SBC ahora ofrecen niveles similares de integración de funciones, lo que significa que una falla de la placa base en cualquiera de los dos estándares requerirá un reemplazo equivalente.

Las gamas de computadoras de placa única incluyen Raspberry Pi , BeagleBoard y Nano Pi . ^{[13] [14] [15]}

Una variedad común de computadora de placa única utiliza factores de forma de computadora estandarizados destinados a usarse en una carcasa de placa base . Algunos de estos tipos son CompactPCI , PXI , VMEbus , VXI y PICMG . Las SBC se han construido en torno a varias estructuras de procesamiento interno, incluida la arquitectura Intel , arquitecturas de multiprocesamiento y sistemas de procesamiento de menor potencia como RISC y SPARC . En el mundo de las PC Intel, la inteligencia y los circuitos de interfaz/control se colocan en una placa enchufable que luego se inserta en una placa base pasiva (o activa). El resultado es similar a tener un sistema construido con una placa base , excepto que la placa base determina la configuración de las ranuras. Las placas base están disponibles con una combinación de ranuras ( ISA , PCI, PCI-X , PCI-Express , etc.), que generalmente suman 20 o menos, lo que significa que encajarán en una carcasa de montaje en rack de 19" (chasis de 17" de ancho).

Algunas computadoras de placa única tienen conectores que permiten ensamblar una pila de placas de circuitos, cada una con hardware de expansión, sin una placa base tradicional. Algunos ejemplos de formatos de apilamiento de SBC incluyen PC/104 , PC/104- Plus , PCI-104 , EPIC y EBX; estos sistemas están comúnmente disponibles para su uso en sistemas de control integrados.

Las SBC de tipo pila suelen tener memoria en tarjetas de conexión como SIMM y DIMM . Las placas de circuitos del disco duro tampoco se tienen en cuenta para determinar si una computadora es una SBC o no por dos razones: en primer lugar, porque el HDD se considera una unidad de almacenamiento de un solo bloque y, en segundo lugar, porque la SBC puede no requerir un disco duro en absoluto, ya que la mayoría se puede iniciar desde sus conexiones de red.

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