Технология создания миниатюрного компьютера Raspberry Pi

Введение

В настоящее время в связи с развитием компьютеризации всевозможных процессов и сфер жизнедеятельности общества, производители компьютерных систем стараются следовать тенденции упрощения, минимизации и масштабности распространения своих моделей. Если в 70 — х годах XX века первые компьютеры использовались в основном в промышленности и представляли собой целые блоки, то сегодня можно встретить множество различных видов компьютеров, отвечающих современным требованиям быстроты, многофункциональности и надежности.

Последнее время можно наблюдать тенденцию создания крошечных компьютеров, самые маленькие их которых имеют размеры, сравнимые с размерами миниатюрных флэш-накопителей. Причем, несмотря на небольшие габариты, такие устройства предлагают набор функций, которыми обладают обычные персональные компьютеры, и обеспечивают довольно неплохую производительность.

Обычно такие компьютеры поставляются с самой свежей версией операционной системы, позволяют подключать стандартные USB-мышь и клавиатуру. Благодаря этому на них вполне возможно работать с текстовыми файлами, особенно если учесть широкий выбор офисных приложений, разработанных для таких устройств. Многие из этих приложений позволяют работать со всеми распространенными форматами документов, электронными таблицами и могут служить для создания презентаций.

История распространения миниатюрных компьютеров началась с этапа создания первого одноплатного компьютера (официальное название устройства — «single-board computer» или «SBC» — миниатюрный компьютер) — «Dyna-micro», который был изобретен в мае 1976 г. и имел в основании микропроцессор Intel C 8080. SBC является полноценным компьютером, построенным на одной плате, включающим один или несколько микропроцессоров, память ввода / вывода и другие функции, необходимые функциональному компьютеру. В отличие от обычных персональных компьютеров, SBC могут не включать слоты, необходимые для подключения различных карты — аксессуаров («дочерних плат»). SBC может быть основан на практически любом доступном микропроцессоре, и может быть построен по принципу дискретной или программируемой логики. При построении этих простых конструкций часто используют статическое ОЗУ и недорогие 8- или 16-битные процессоры. Создание одноплатных компьютеров имело огромное значение в ранней историй домашних компьютеров, таких, как Acorn Electron и BBC Micro.

С развитием компьютерной техники произошел резкий переход от SBC к компьютерам, построенным на материнской плате, с функциями включения последовательных портов, контроллерами диска и графики, предоставляющимися на дочерних платах. Последнее наличие передовых наборов микросхем, обеспечивающих большинство функций входа-выхода, как встроенного компонента, позволяет производителям предлагать материнские платы с функцией входа — выхода, традиционно предоставляемые на дочерних платах. Большинство материнских плат PC теперь предлагают бортовую поддержку жестких дисков, включая IDE и SATA с RAID, графику, Ethernet и традиционные функции входа — выхода, такие как последовательный и параллельный порты, USB и поддержку устройств клавиатура / мышь. Plug-карты в настоящее время более широко высокопроизводительных графических карт (на самом деле графика сопроцессоры), высокая контроллеры RAID конца, и специализируется карт ввода / вывода, таких как сбор данных и DSP (Digital Signal Processor) доски.

Одноплатные компьютеры, в настоящее время, определены в двух различных архитектурах: имеющие слоты и не обеспечивающие слот-поддержку.

Встроенные одноплатные компьютеры являются единицами предоставления всех необходимых входов/выходов, но без предусмотрения сменных карт. Предлагаемые приложения — как правило, игровые (игровые автоматы, видео — покер) и машина управления. Встроенные одноплатные компьютеры намного меньше, чем платы типа ATX, находящиеся в ПК.

С самого начала распространения, одноплатные компьютеры чаще использовались на промышленных объектах, где они служили в стоечном формате для управления процессом или встроены в другие устройства для обеспечения управления и взаимодействия. Из-за очень высокого уровня интеграции, снижения числа компонентов и снижения рассчитываемых разъемов, одноплатные компьютеры часто меньше, легче, более энергоэффективны и более надежны по сравнению с другими сопоставимыми бортовыми компьютерами. Сейчас миниатюрные компьютеры используются во многих сферах жизни общества.

Основным преимуществом материнской платы ATX по сравнению с SBC является стоимость. Материнские платы производятся миллионами для обычных потребителей и офисных рынков, что имеет огромный масштабный эффект. Одноплатные компьютеры находятся в специализированной рыночной нише и производятся в значительно меньшем количестве, что и сопутствует их высокой стоимости. В настоящее время материнские платы и одноплатные компьютеры в состоянии предложить аналогичные уровни интеграции, что означает отказ от использования материнских плат в стандартном виде и требование выпуска эквивалентной замены.

Система работы такого миниатюрного компьютера в большинстве случаев базируется на технологии «plug and play», что, в переводе с английского, означает «вставь и пользуйся». Для работы на таком девайсе необходимо просто вставить SBC в USB — порт специального экрана или телевизора, и он автоматически превратится в полноценный PC. Также современные SPC обеспечивают автоматическое подключение и глобальной сети Интернет и пользование стандартными Web — браузерами.

Учитывая неплохие аппаратные возможности современных, разработчики выпускают для них интересные игры, приложения, браузеры, программы. На данном этапе миниатюрные компьютеры имеют довольно широкие возможности, а также невысокую цену, поэтому являются хорошим аналогом современному персональному компьютеру.

Современный рынок компьютерной техники предоставляет на выбор широкий спектр различных миниатюрных компьютеров. При стоимости, колеблющейся в производстве от 25 $ за базовые модели до 250 $ за более продвинутую, устройство обладает поистине поражающими возможностями — в упаковку размером с флешку помещается полноценный системный блок, по характеристикам близкий к массовым компьютерам всего лишь пятилетней давности. В совокупности с низкими требованиями открытого программного обеспечения к аппаратной части, это позволяет установить на него различные операционные системы, а также набор сопутствующего программного обеспечения.

Одно из основных его достоинств — соотношение цена/качество. Играть в «тяжёлые» современные игры на нём не получится, тем не менее, для обучения работе с компьютером и для большинства прикладных задач — он просто идеален. Данные характеристики в совокупности с ценой, открывают мир информационных технологий даже для тех, кто никогда раньше не имел такой возможности. В первую очередь этот компьютер пригоден для обучения (например, в школах). Кроме того он пригоден как дешёвая альтернатива рабочим станциям в организациях (например в call-центрах), для повседневной работы с документами, как домашний видеоплеер и многое другое.

Глава 1

Raspberry Pi является одноплатным компьютером, размером с кредитную карту, разработанным с целью обучения базовым компьютерным наукам в школах.

Raspberry Pi имеет систему Broadcom BCM2835 на чипе (SoC), которая включает процессор ARM1176JZF-S 700 MHz (прошивка включает в себя ряд «Turbo» режимов, так что пользователь может попытаться разогнать скорость вплоть до 1 ГГц, не влияя на гарантию, данную производителем), VideoCore IVGPU, и изначально поставляется с 256 либо с 512 мегабайтами оперативной памяти. Устройство не включает в себя встроенный жесткий диск или твердотельный накопитель, для загрузки и долгосрочного хранения используются SD карты.

Характеристики

Модель, А и модель B являются прототипами к оригинальным моделям британской образовательной модели BBCMicro Computer, разработанной на базе компьютеров Acorn, первоначально содержащих процессоры типа ARM (современная архитектура RaspberryPi) и операционную систему RISCOS.

В модели, А 128 МБ выделено по умолчанию для GPU и 128 Мб для работы процессора. На первой модели в 256 Мб три различных возможно три различных сплита. По умолчанию сплит составляет 192 Мб (CPURAM), что должно быть достаточной для автономного декодирования видео 1080p. Сравнительно Nokia 701 использует 128 Мб для Broadcom VideoCore IV. Для B модели с 512 Мб оперативной памяти разработан новый стандарт деления памяти (arm256_start.elf, arm384_start.elf, arm496_start.elf) для 256MB, 384MB и 496MB Процессор RAM (256 Мб, 128 Мб и 16 Мб видеопамяти).

Кэш второго уровня имеет 128 Кб, в основном, используется GPU, а не CPU.

RaspberryPi (модель B) также содержит 15-контактный MIPI HYPERLINK «http://en.wikipedia.org/wiki/Camera_interface» o «Интерфейс камеры» интерфейс камеры (CSI) разъем, который на данный момент не поддерживается, но планируется выпуск подходящего модуля камеры в ближайшем будущем.

Поддержка ЖКпанелей доступна в аппаратном DSI разъеме интерфейса мобильного процессора MIPI ®, идет процесс разработки необходимого программного обеспечения.

Поддерживаемые цифровые резолюции видео: 640 Ч 350 EGA, 640 Ч 480 VGA, 800×600 SVGA, 1024 Ч 768 XGA, 1280 Ч 720 720p HYPERLINK «http://en.wikipedia.org/wiki/High-definition_television» l «High-definition_display_resolutions» o «Телевидение высокой четкости» HDTV; 1280 Ч 768 WXGAVariant; 1280 Ч 800 WXGA Variant; 1280 Ч 1024 SXGA, 1366 Ч 768 WXGA Variant; 1400 Ч 1050 SXGA +, 1600 Ч 1200 UXGA, 1680 Ч 1050 WXGA +, 1920 Ч 1 080 1080p HYPERLINK «http://en.wikipedia.org/wiki/High-definition_television» l «High-definition_display_resolutions» o «Телевидение высокой четкости» HDTV; 1920 Ч 1200 WUXGA. Кроме того поддерживаются поколения 576i и 480i композитных видеосигналов для PALBGHID, PAL-M, PAL-N, NTSC и NTSC-J

Новые версии прошивки предлагают возможность выбора между пятью режимами разгона («турбо») пресетов, которые при включении пытаются осуществить максимальную производительность из SoC без ущерба для срока службы Pi. Это делается путем мониторинга температуры ядра чипа, и загрузки процессора при динамически изменяемой тактовой частоте и напряжении ядра. Пять параметров работы:

" None"; 700 MHz ARM, 250 MHz core, 400 MHz SDRAM, 0 overvolt,

" Modest"; 800 MHz ARM, 300 MHz core, 400 MHz SDRAM, 0 overvolt,

«Medium» 900 MHz ARM, 333 MHz core, 450 MHz SDRAM, 2 overvolt,

" High"; 950 MHz ARM, 450 MHz core, 450 MHz SDRAM, 6 overvolt,

" Turbo"; 1000 MHz ARM, 500 MHz core, 500 MHz SDRAM, 6 overvolt[4]

Программное обеспечение

RaspberryPi использует ситему Linux для основы ядра операционной системы. Также для использования рекомендуются оптимизированные свободные операционные системы:

AROS

Linux

Android 4.0

Arch Linux ARM

Debian Squeeze

Firefox OS

Gentoo Linux

Google Chrome OS

Raspberry Pi Fedora Remix

Raspbian (DebianWheezy)

Slackware ARM (ранее ARMedslack)

QtonPi

WebOS

RISC OS

FreeBSD

NetBSD

К числу используемых периферийных устройств для RaspberryPi относятся Gertboard, клавиатура, предназначенная для образовательных целей и расширяющая RaspberryPi в GPIO контактах, что позволяет взаимодействовать и контролировать светодиоды, переключатели аналоговых сигналов, датчиков и других устройств. Она также включает в себя дополнительный Arduino совместимый контроллер для взаимодействия с Pi.

Применение Raspberry Pi

Одним из основных достоинств Raspberry Pi является соотношение качества продукта и его стоимости. Конечно, мини-пк не такой мощный, как современные компьютеры, но он замечательно подходит для обучения компьютеру и работе с ним, для решения практических задач, работы с интернетом, проигрывания видео-файлов, прослушивания аудио-файлов. Так же не стоит забывать, что потребляемая мощность миниатюрного компьютера во много раз меньше, чем у его «большого брата» (Raspberry Pi — 1 Вт, обычный системный блок — по меньшей мере 250 Вт).

В первую очередь, Raspberry Pi обозначают как компьютер, рассчитанный для изучения базовых компьютерных наук в школе. Так как цена на мини-компьютер очень мала по сравнению со стационарными компьютерами, то мини-пк может без проблем подойти для бюджета учреждений в образовательной сфере. Raspberry Pi позиционируется еще и как дешевое решение для начинающих разработчиков. Если рассматривать устройство с точки зрения удовлетворительной мощности, низкого энергопотребления и малой себестоимости, то его можно использовать как личный мини-сервер. В интернете можно без труда найти требуемое программное обеспечение и его настройки под операционную систему Linux. При помощи правильных настроек Linux-приложения squid, Raspberry Pi можно использовать как сетевой маршрутизатор. Так как аналоги сетевых маршрутизаторов очень дорогие и требуют специально обученного человека, не всем это по карману.

Raspberry Pi — идеальный компьютер для постановки различных экспериментов. SPC является первым доступным техничесикм решением такого размера, которое можно использовать повсеместно для программирования на человеческих языках (Basic и Python установлены по умолчанию) и в качестве микроконтроллеров для управления робототезированными устройствами.

Raspberry Pi можно легко приспособить под торрент-сервер, так как дисковое пространство не сложно увеличить (во-первых, во все модели входит слот для карт памяти; во-вторых, через интерфейс USB можно подключить внешний жесткий диск). Для этого монитор не нужен, а к торрент-серверу можно будет подключиться через удаленный доступ с другого компьютера.

Глава 2

Raspberry Pi — это миниатюрный, размером с кредитную карту, ультра дешёвый компьютер, созданный Дэвидом Брабеном. Устройство работает на процессоре ARM1176JZF-S с тактовой частотой 700 MHz, имеет 256MB памяти, видеочип Broadcom VideoCore IV; разъемы — LAN, USB, HDMI, RCA Video, Audio и разъем под SD-карту, которая используется в качестве внешнего накопителя. Очевидно, что все, что нужно есть в наличии, пользователю остается только подключить.

Технические характеристики:

Базовая модель «A»:

? Процессор — ARM11 [ARMv6]

? Память — 256MB SDRAM, интегрирована в CPU

? Графическое ядро с поддержкой OpenGL ES 2.0

? Модель CPU — BCM2835

? Тактовая частота — 700MHz

? Модель GPU — интегрированное видео ядро

? Аудио подсистема — интегрирована в CPU

? Интерфейсы — HDMI, USB, видео RCA, UART, JTAG, ISP, I2C

? Слот для карты памяти SD/MMC/microSD

? Open software (Debian, Fedora, Arch Linux RISC OS, Android, Firefox OS, Iceweasel, KOffice, Python)

Продвинутая модель «B»:

? Процессор — ARM11 [ARMv6]

? Память: 256MB SDRAM, интегрирована в CPU

? Графическое ядро с поддержкой OpenGL ES 2.0

? Модель CPU — BCM2835

? Тактовая частота — 700MHz

? Модель GPU — интегрированное видео ядро

? Аудио подсистема — интегрирована в CPU

? Интерфейсы — HDMI, USB, видео RCA, Ethernet, UART, JTAG, ISP, I2C

? Слот для карты памяти SD/MMC/SDIO

? Дополнительный встроенный USB-концентратор (2 порта)

? Open software (Debian, Fedora, Arch Linux RISC OS, Android, Firefox OS, Iceweasel, KOffice, Python)

Ранние версии Raspberry Pi работали под управлением операционной системы Ubuntu, но в релизе, который вышел в феврале 2012 года, по умолчанию используется Debian Linux. Конечно, это не значит, что вы не сможете установить нужную вам систему — ведущие производители дистрибутивов, немедленно заявили о поддержке Raspberry Pi. Сейчас к установке доступны Fedora и Arch LINUX ARM, но разработчики вскоре хотят расширить список поддерживаемых операционных систем.

В качестве монитора можно использовать любой монитор, имеющий HDMI-вход, хотя многие пользователи утверждают, что наиболее полно потенциал устройства раскрывается на TFT-панелях с диагональю более 40 дюймов.

Запуск операционной системы проходит в обычном режиме, опытные пользователи Linux могут увидеть рабочую среду, которая ничем не отличается от окружения на «настоящих компьютерах». Там есть рабочий стол, офисный пакет OpenOffice, браузеры Opera, Midori и FireFox, нужные программы и дистрибутивы. Другими словами — вы сразу можете начать работать (решая задачи по программированию) или развлекаться (прослушивание музыки, просмотр фильмов, игры и пр.). Видео поддерживает Full-HD Video, которое на большом экране выглядит особенно впечатляюще.

Очевидное применение данного компьютера — использование в качестве домашнего медиацентра. После установки всех кодеков и расширений, система великолепно справляется с показом любых видеоформатов и проигрыванием музыки. Если добавить сюда возможность выхода в интернет и широкий инструментарий для редактирования офисных документов, то становится понятным, что данная конфигурация может удовлетворить большую часть обычных пользователей.

Кроме плюсов данного устройства существуют и недостатки. Кто-то сочтет устройство откровенно сырым — особенности дистрибутива Debian не позволяют выполнять некоторые задачи, которые на аналогичном оборудовании, но в другой операционной системе выполняются прекрасно. Например, отсутствует Flash и возможность работы с HTML5.

Теоретически, это говорит о проблемах программного свойства — имеет смысл надеяться, что очень скоро будут выпущены многочисленные патчи, которые вернут ситуацию в нужное русло.

Использование системы в качестве базы для игр кажется весьма необоснованным. Довольно малая мощность (по игровым меркам) процессора, и крошечное количество оперативной памяти приводит к предсказуемому результату. Справедливости ради, стоит заметить, что игры — это вообще «большой» вопрос для любой компьютерной системы.

Все имеющиеся характеристики в совокупности с ценой, открывают мир информационных технологий даже для тех, кто никогда раньше не имел такой возможности.

Кроме того он пригоден как дешёвая альтернатива рабочим станциям в организациях (например в call-центрах), для повседневной работы с документами, как домашний видеоплеер. Raspberry Pi можно легко приспособить под торрент-сервер, так как дисковое пространство не сложно увеличить (во-первых, во все модели входит слот для карт памяти; во-вторых, через интерфейс USB можно подключить внешний жесткий диск). Для этого монитор не нужен, а к торрент-серверу можно будет подключиться через удаленный доступ с другого компьютера.

Почти сразу после появления Raspberry Pi компьютера-флешки начали появляться и другие модели мини-компьютеров, причем некоторые получились на удивление удачными. В качестве примера таких устройств можно привести следующие: Oval Elephant, Cotton Candy, Waysmall Silverlode.

Остановимся на каждом из них и определим преимущества мини-компьютеров, приобретающих все большую популярность на рынке компьютерной техники.

Малоизвестная компания Oval Elephant представила свое видение миниатюрного компьютера с функциями медиаплеера — новый микрокомпьютер на базе двухъядерного процессора и операционной системы Google Android собран в форм-факторе USB-накопителя.

«Сердцем» системы является двухъядерный чип Rockchip 3066, созданный на базе архитектуры Cortex A9 и работающий с частотой до 1,2 ГГц. Четырехъядерный видеоускоритель Mali 400 обеспечивает воспроизведение несложной трехмерной графики и Full HD-видео. 1 ГБ оперативного запоминающего устройства вполне достаточно для работы нескольких «тяжелых» приложений, которые могут хранить данные в 4 ГБ встроенной флеш-памяти. Впрочем, устройство поддерживает карты памяти формата microSD и имеет встроенный модуль Wi-Fi, что обеспечивает доступ к мультимедиа и позволяет использовать новинку в качестве полноценного медиацентра.

Все это работает под управлением «свежей» версии операционной системы Google Android 4.0.4 ICS и имеет доступ к Google Play, а значит, миллионы приложений на любой вкус легко доступны к установке. Впрочем, базовая прошивка уже оснащена полноценным веб-браузером с поддержкой флеш и продвинутым медиаплеером, воспроизводящим большинство распространенных форматов музыки, видео и изображений.

Подключение устройства к телевизору максимально просто — под колпачком на торце миниатюрного корпуса находится HDMI-разъем и компьютер просто вставляется в HDMI-порт телевизора наподобие «флешки». Для питания устройства на корпусе имеется порт microUSB, и, при помощи комплектного кабеля, новинку можно «запитать» от USB-порта телевизора. Для подключения дополнительных устройств аппарат оснащен портом USB 2.0.

Стоимость компьютера-флешки не очень велика, хотя и выше, чем у Raspberry Pi. Цена его — 71,49 долларов США.

Команда норвежских разработчиков представила мини-пк под незатейливым названием CottonCandy (дословно переводится с английского языка как сахарная вата).

В основе устройства лежат операционные системы Ubuntu и Android 4.0, есть виртуальные клиенты для Windows, Linux и Mac. Правда, совместимость с Android Market еще не подтверждена.

Ядром является двухъядерный процессор Cortex-A9 (1,2 ГГц) и четырехъядерный сопроцессор Mali 400, а также 1 Гб RAM. Такие же характеристики включает в себя едва ли не каждый обзор смартфонов android. Но при этом аппарат совместим с WiFi и Bluetooth, есть слот для micro-SD, порты USB 2.0, microUSB и HDMI для проигрывания 1080p видео на HDTV-устройстве.

Разработчики делают акцент, что Cotton Candy предоставляет безопасный доступ к персональным сервисам на основе «облачных» технологий и существенно расширяет возможности мониторов, телевизоров и игровых консолей. Кроме того, у пользователей ПК на основе Mac и Windows появляется дополнительный выбор операционной системы.

Разработчики установили цену за данное устройство — 200 $.

Преимущества мини-компьютера:

а. Предоставление пользователю удобного доступа к технологиям б. Продление срока службы потребительской техники в. Обеспечение целостности работы в любом месте г. Создание единой точки хранения контента д. Низкая стоимость устройства, что позволит большему количеству людей иметь свой собственный компьютер Примером еще одного устройства стал Waysmall Silverlode от калифорнийской компании Gumstix, в основе которого лежит одноядерный процессор Texas Instruments Sitara AM3703 с архитектурой ARM Cortex A8 и частотой 800 МГц.

Компьютер предназначен в первую очередь для бизнес-применения, но это не мешает ему сослужить службу и рядовому пользователю. Среди портов присутствуют HDMI (DVI-D через переходник), 100-Мбит Ethernet, USB Host, USB OTG, USB Console, аудиоразъём и картовод micro-SD, который доступен после демонтажа панели с портами. Компьютер поставляется с 8-Гбайт картой памяти и 512 Мбайт оперативной памяти. Операционная система Ubuntu установлена на 512 Мбайт постоянной памяти NAND. Несмотря на скромную производительность компьютера, её должно быть достаточно для веб-сёрфинга, офисных приложений и мультимедийных задач. Достоинством устройства является очень скромные размеры (110×44×18 мм), низкое энергопотребление и тепловыделение, что подтверждается отсутствием активного охлаждения.

Компьютер может быть использован для офиса, интернет-кафе, выступать в качестве продвинутого сетевого устройства или найти применение в автомобиле. Стоимость ARM-неттопа Waysmall Silverlode составляет немалые $ 200.

одноплатный компьютер операционный система Сравнительная таблица мини-компьютеров

ПРОЕКТ КАЛЕНДАРНОГО ПЛАНА выполнения работ по ОКР

«Технико-экономическое обоснование проведения опытно — конструкторских работ по созданию миниатюрного компьютера Raspberry Ri»