Single Board Computer: Überblick

Auch wenn sie für Anwendungen im Büro oder zu Hause nicht besonders weit verbreitet sein mögen, sind Single Board Computer im Bereich industrieller Elektronik kaum mehr wegzudenken. Mit ihrer kompakten, effizienten und sehr zuverlässigen Bauart sind diese Computer besonders wichtig für die Bereiche Automation, Überwachung und Steuerung sowie für viele weitere industrielle Anwendungen.

Diese Geräte kommen in aller Regel mit einer Art Rückwand zum Einsatz, sodass sie mühelos und in sehr kompakten Baugruppen an Systeme angeschlossen werden können.

Und obwohl Single Board Computer in der Regel etwas weniger leistungsstark sind als herkömmliche Tower-Computer, eignen sie sich hervorragend für die Anwendungen, bei denen sie im industriellen Bereich eingesetzt werden. Angesichts ihres geringen Anschaffungspreises, ihrer Einfachheit und der Tatsache, dass sie mühelos in hoher Anzahl mit anderer Hardware verknüpft werden können, sind manche dieser Geräte zudem hervorragend für Experimente und Schulungszwecke geeignet.

 

Was ist ein Single Board Computer?

Ein Single Board Computer unterscheidet sich von einem herkömmlichen Computer allen voran in der Art, wie er aufgebaut ist, anstatt hauptsächlich in seinen Fähigkeiten. Ein Single Board Computer verfügt über alle Bestandteile eines vollständigen Computers – auf einer einzigen Leiterplatte. Bei herkömmlichen Computern sind im Gegensatz dazu Motherboards mit Slots für die grundlegenden Bestandteile des Computers installiert. Bei einem solchen Computer werden der Prozessor, der Arbeitsspeicher und die Festplatte sowie verschiedene Ein- und Ausgangsgeräte und weitere grundlegende Komponenten über Buchsen auf dem Motherboard angeschlossen. Bei einem Single Board Design ist hingegen alles in einem eigenständigen System enthalten.

Bei Single Board Computern können die verschiedenen Funktionen zudem auf andere Weise als bei herkömmlichen Computern erweitert werden. Bei einem herkömmlichen Computer kann das Motherboard in aller Regel erweitert werden, indem ein Peripherie-Gerät in einen Steckplatz auf dem Motherboard eingesteckt wird. Eine High-End-Grafikkarte wird dabei beispielsweise in einen bestimmten Steckplatz eingeführt. Bei einem Single Board Computer sind all diese Komponenten des Computers schlichtweg Teil der Leiterplatte, sodass das Gerät bereits als solches vollständig einsatzbereit ist.

Single Board Computer sind in einer Vielzahl verschiedenster Kapazitäten erhältlich. Da manche von ihnen zur Steuerung sehr einfacher Prozesse eingesetzt werden, sind Single Board Computer im Vergleich zu einem durchschnittlichen Computer in aller Regel sehr langsam und eingeschränkt.

 

Wofür werden Single Board Computer verwendet?

Single Board Computer kommen besonders häufig in eingebetteten Anwendungen zum Einsatz. Ein eingebetteter Computer kann nicht erweitert werden und verfügt lediglich über die Ein- und Ausgänge, die für die jeweilige Aufgabe erforderlich sind. So ist beispielsweise ein Getränkeautomat zur Steuerung seiner Funktionen mit einem eingebetteten Single Board Computer ausgestattet. In einem solchen Fall kann der Computer jedoch schlichtweg nicht mit weiterer Hardware erweitert werden.

In vielen Fällen werden Single Board Computer in die Rückwand eines Geräts eingesteckt. Somit können Ein- und Ausgangsgeräte mühelos zu dem Computer hinzugefügt werden. Ebenso häufig kommen Single Board Computer in Gestellsystemen zum Einsatz, die die zuverlässige und schnelle Integration in ein System erlauben.

 

Wofür werden Single Board Computer im industriellen Bereich eingesetzt?

Single Board Computer bieten sämtliche Funktionen und Fähigkeiten, die für die meisten Aufgaben im Bereich Automatisierung erforderlich sind. Darüber hinaus sind auch spezielle Designs weitläufig erhältlich. Besonders für die Aufgaben, in denen Single Board Computer in aller Regel zum Einsatz kommen, bieten diese Computer erhebliche Vorteile gegenüber ihren herkömmlichen Pendants.

Single Board Computer sind sehr klein. Somit können sie in Geräte eingebettet werden, die selbst auch sehr klein sind. Zudem sind diese Computer ausgesprochen effizient und verschaffen sich somit einen Vorteil beim Thema Stromverbrauch. Darüber hinaus sind Single Board Computer vollständig in sich abgeschlossene Komponenten, womit sie besonders für widrige Einsatzbedingungen äußerst zuverlässig sind.

Auch wenn Single Board Computer in aller Regel über eine geringere Kapazität verfügen als Multi Board Computer, sind sie oftmals deutlich preiswerter als Multi Board Varianten. Single Board Computer gelten in gewissem Maße als Spezialgerät: Das bedeutet, dass sie nicht in denselben Stückzahlen hergestellt werden wie herkömmliche Multi Board Computer. Dank ihrer Zuverlässigkeit eignen sich diese Computer jedoch hervorragend als preiswerte Lösungen für die Industrie – und da sie vollkommen in sich abgeschlossen sind, können sie bei Bedarf relativ mühelos ausgetauscht werden.

Dank verschiedener Montageoptionen kann die Funktion dieser Computer in hohem Umfang erweitert werden, sodass sie nicht unbedingt besonderen Einschränkungen unterliegt. So können Single Board Computer mit bestimmten Montagearten letztlich mehr Funktionalitäten und Kapazitäten bieten als ein herkömmlicher Multi Board Computer – bei zugleich deutlich verringertem Raumbedarf.

 

Verschiedene Ausführungen

Single Board Computer sind in den unterschiedlichsten Varianten erhältlich. Zu den geläufigsten Ausführungen zählen die Komponenten zur Montage an einer Rückwand. Diese Geräte können mit vielen unterschiedlichen Architekturen arbeiten, darunter Intel Architekturen und weitere. Zu den großen Namen in diesem Bereich zählen mitunter PXI, VXI und CompactPCI, die allesamt weitläufig erhältlich sind.

Mit der Montage an einer Rückwand ist der Computer in der Lage, Anschlüsse wie PCIX, PCI und viele mehr zu unterstützen.

Ein System Host Board ist eine Komponente, die die PICMG 1.3 Spezifikation erfüllt. Die PICMG Version 1.2 bietet zudem PCIX Support. Vorherige Versionen unterstützten PCI- und IFA-Anschlüsse.

Manche Single Board Computer verfügen über Festplatten, manch andere nicht. Varianten ohne Festplatte werden in aller Regel vollständig über ein Netzwerk betrieben.

Weitere Formfaktoroptionen umfassen Mini-ITX, PC/104, VMEbus, VPX, Embedded Compact Extended und AdvancedTCA.

 

Technische Daten

Single Board Computer können speziell für eine Vielzahl verschiedenster Anforderungen ausgewählt werden. So kommen manche von ihnen mit E/A-Schnittstellen, die speziell auf Audio-Anwendungen, Netzwerke, Wireless-Funktionen und ähnliches ausgelegt sind. Die Möglichkeit, diese Komponenten bereits vollständig betriebsfertig zu beziehen, gestaltet sie nochmal anwenderfreundlicher.

Obwohl sich Single Board Computer im Grunde insofern von Multi Board Computern unterscheiden, als dass all ihre Komponenten auf dem Single Board untergebracht sind, verfügen manche von ihnen dennoch über Erweiterungssteckplätze. Diese Erweiterungssteckplätze beinhalten weit verbreitete Designs wie microSD, Mini PCI, PCI, ISA, PCI Express und mehr. Darüber hinaus sind sie auch speziell für die vorhandenen Anschlüsse erhältlich, darunter CRT, DVI, HDMI, VGA und viele weitere.

Im Hinblick auf die Grundlagen von Computern sind die Spezifikationen den Punkten relativ ähnlich, die auch bei der Auswahl eines herkömmlichen Computers zu berücksichtigen sind. Die Taktrate des Prozessors und des Front Side Bus sowie die Art des verwendeten Prozessors, die mögliche Speichermenge und weitere Punkte sind allesamt zu berücksichtigen, wenn diese Geräte ausgewählt werden. Da viele von ihnen in besonders simplen Anwendungen zum Einsatz kommen, bieten Single Board Computer mit vergleichsweise geringer Leistung gegenüber einem herkömmlichen Computer oftmals eine hervorragende Möglichkeit, Geld zu sparen.

 

Besondere Beispiele

Manche Single Board Computer erfreuen sich inzwischen auch außerhalb industrieller Anwendungen großer Beliebtheit, werden jedoch nach wie vor für bestimmte Bereiche im industriellen Bereich verwendet. Diese Single Board Computer sind in aller Regel mit einer bestimmten Markenkennzeichnung versehen und werden oftmals sowohl von Hobbybastlern als auch von Bildungseinrichtungen eingesetzt, um die Grundlagen von Computertechnik und Embedded Systemen zu lehren.

 

Raspberry Pi

Raspberry Pi ist ein Single Board Computer, der ursprünglich für Schulungs- und Unterrichtszwecke entwickelt wurde. Dieser Computer ist sehr preiswert und somit sowohl bei industriellen Anwendern wie bei Hobbybastlern sehr beliebt.

Der Raspberry Pi Single Board Computer ist in drei verschiedenen Modellen erhältlich. Hierzu zählen Model A, das am wenigsten leistungsstarke Modell mit 256 MB Speicher, grundlegenden Videoeingängen und keinerlei Netzwerkfunktionalität On-Board.

Die Modelle B und B+ sind etwas komplexer und verfügen über mehrere USB-Ports, gesteigerte Speichermengen, Netzwerkfunktionalitäten und weitere Verbesserungen. Ungeachtet seiner zahlreichen Funktionalitäten ist der Raspberry Pi in allen Varianten sehr klein und leicht gestaltet.

Der Single Board Computer kann dabei mit verschiedenen Linux Ablegern betrieben werden und kann zudem auf eine Vielzahl verschiedenster Funktionen programmiert werden. Der Raspberry Pi wird weitläufig für seine Einsatzmöglichkeit als Unterrichtstool angepriesen, doch mit seiner Flexibilität und der mühelosen Programmierung eignet er sich auch ideal für ernst zu nehmende Entwicklungsaufgaben und ähnliche Anwendungen. Er kann zudem mit zusätzlicher Hardware erweitert werden, darunter Kameras und ähnliches.

 

Arduino

Ebenso wie der Raspberry Pi bietet auch der Arduino Single Board Computer zahlreiche Funktionen für Hobbybastler, Dozenten und industrielle Anwender. Er basiert auf einer Open-Source-Plattform und wurde speziell auf den Einsatz mit Aktoren und Sensoren entwickelt. Somit kann er mühelos als eingebettetes Gerät in Systemen eingesetzt werden, die mit der äußeren Umgebung interagieren.

Der Arduino findet Anwendung im Bereich Robotik, Automation und vielen weiteren Punkten, die für die moderne Industrie unerlässlich sind. Dabei wird er ebenso weitläufig von Hobbybastlern zum Bau simpler Roboter und ähnlichen Experimenten verwendet. Der Arduino ist ein hochgradig erweiterbarer Single Board Computer und kann mit Hardware wie Thermostaten und ähnlichen Sensoren verknüpft werden, die Informationen an ein Gerät weitergeben.

Darüber hinaus laufen im Arduino zahlreiche Vorteile eines Single Board Computers zusammen, da er sehr klein ist und mühelos in größere Geräte integriert werden kann. Er verfügt zudem über hervorragende E/A Fähigkeiten und kann mühelos programmiert werden. Die Sprachen C und C++ werden dabei besonders weitläufig zur Programmierung des Ardunio Single Board Computers verwendet.

Während der Arduino für den Einsatz in Anwendungen mit Sensoren und Aktoren bekannt ist, ist er auch in der Lage, für Kommunikationsgeräte und digitale Bücher eingesetzt zu werden und kann ebenso mit zusätzlichem Speicherplatz ausgestattet werden. Der Arduino Single Board Computer ist mit seinen besonderen Fähigkeiten darüber hinaus hervorragend für ferngesteuerte Drohnen geeignet.

 

BeagleBoard

Der BeagleBoard Single Board Computer wurde ursprünglich von Texas Instruments entwickelt, wird jedoch vollständig mit Open-Source Hardware hergestellt. Dabei war er zunächst auf den Unterricht der Programmierung von Open-Source Software ausgelegt, wurde im Laufe der Zeit jedoch auch bei Hobbybastlern und für Experimente aller Art besonders beliebt.

Er ist zwar ausgesprochen klein, ist jedoch ein vollständiger Computer auf einer einzelnen Leiterplatte. Er läuft mit verschiedenen Linux Varianten, wird aktuell jedoch entsprechend bearbeitet um auch andere Open-Source Betriebssysteme zu unterstützen, darunter das mobile Betriebssystem Android und mehr.

Der BeagleBoard umfasst USB-, PC-Audio-, SDHC, HDMI, DVI-D und JTAG-Anschlüsse und liefert somit eine ausgesprochen hohe Flexibilität. Standardmäßig kommt das Gerät mit einem Speicher von 256 MB. Einer seiner besonders nützlichen Vorteile besteht darin, dass das Gerät über einen USB-Steckverbinder mit Strom versorgt werden kann. Insgesamt benötigt das Gerät eine Leistung von nicht mehr als 2 W. Sollte der Anwender sich nicht für die USB-Option zur Stromversorgung entscheiden, kann der BeagleBoard auch über ein herkömmliches Netzteil mit Strom versorgt werden.

Der BeagleBoard ist in zahlreichen unterschiedlichen Varianten erhältlich, darunter der BeagleBone, eine offen-liegende Version des BeagleBoard für Entwickler. Ebenso sind verschiedenste Erweiterungsplatinen erhältlich, einschließlich solcher mit WLAN-Funktion, sowie Varianten zur Integration in Touchscreens und viele mehr.

Gehäuse für den BeagleBoard stehen ebenfalls zur Verfügung, sodass er sich ideal für den Einsatz in bestimmten industriellen Prozessen eignet. Mit seiner besonders mühelosen Programmierung, der Open-Source Konstruktion und der hervorragenden Erweiterbarkeit ist der BeagleBone die ideale Lösung für alle, die einen Single Board Computer für ernst zu nehmende Anwendungen entwickeln, sowie für alle, die das Gerät für Unterrichtszwecke verwenden und für alle, die schlichtweg mit den Möglichkeiten von Single Board Computern experimentieren.

 

Beschaffung

Da Single Board Computer mitunter in sehr widrigen Bedingungen eingesetzt werden, ist es wichtig sicherzustellen, dass das ausgewählte Gerät den erwarteten Belastungen auch tatsächlich zuverlässig standhalten kann. Minimale und maximale Betriebstemperatur, die Größe des Geräts, die Anschlussarten und viele weitere Faktoren spielen allesamt eine Rolle für die Entscheidung, ob sich das Gerät für eine bestimmte Anwendung eignet oder nicht.

Während Single Board Computer im Hinblick auf Erweiterbarkeit von Haus aus weniger flexibel sind als Multi-Board Geräte, nehmen die verschiedenen Optionen von Single Board Computern mit zahlreichen unterschiedlichen Erweiterungssteckplätzen stark zu. Darüber hinaus sind zahlreiche sehr spezielle Designs erhältlich, die mitunter sehr leistungsstarke Lösungen für eingebettete Anwendungen mit geringem Platzangebot bieten.

Single Board Computer liefern zwar in aller Regel nicht die Leistungsfähigkeit eines herkömmlichen Desktop Computers, doch insbesondere in modernen Umgebungen können sie sehr leistungsstark sein. Optionen wie der BeagleBoard, der Raspberry Pi und ähnliche Varianten gestalten diese Geräte leicht zugänglich, damit ein Entwickler einen vollständigen Computer auf einer sehr kleinen Leiterplatte verwenden kann, der für den Bau eines fertigen Geräts oder schlichtweg für Experimente mühelos erweitert werden kann. Wie die meisten anderen elektronischen Geräte sind auch Single Board Computer im Laufe der Zeit deutlich preiswerter und zugleich erheblich leistungsstärker geworden.