คอมพิวเตอร์บอร์ดเดี่ยว

คอมพิวเตอร์แบบแผงวงจรเดี่ยว ( SBC ) คือคอมพิวเตอร์ ที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งสร้างขึ้นบนแผงวงจร เดียว โดยมีไมโครโปรเซสเซอร์หน่วยความจำ อินพุต / เอาต์พุต (I/O) และคุณสมบัติอื่นๆ ที่จำเป็นสำหรับคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานได้ คอมพิวเตอร์แบบแผงวงจรเดี่ยวมักถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นระบบสาธิตหรือระบบพัฒนา สำหรับระบบการศึกษา หรือเพื่อใช้เป็นตัวควบคุมคอมพิวเตอร์แบบฝังตัวคอมพิวเตอร์บ้านหรือคอมพิวเตอร์พกพาหลายประเภทได้รวมฟังก์ชันทั้งหมดไว้บนแผงวงจรพิมพ์ เพียง แผง เดียว

ต่างจากคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล แบบตั้งโต๊ะ คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องใช้ช่องเสียบเพิ่มเติมสำหรับฟังก์ชันอุปกรณ์ต่อพ่วงหรือการขยายเพิ่มเติมคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวถูกสร้างขึ้นโดยใช้ไมโครโปรเซสเซอร์หลากหลายประเภท การออกแบบที่เรียบง่าย เช่น ที่สร้างโดยผู้ที่ชื่นชอบคอมพิวเตอร์ มักใช้RAM แบบคงที่ และ โปรเซสเซอร์32หรือ64 บิตราคาประหยัด เช่น ARMส่วนประเภทอื่นๆ เช่นเซิร์ฟเวอร์แบบเบลดจะทำงานคล้ายกับ คอมพิวเตอร์ เซิร์ฟเวอร์เพียงแต่มีขนาดกะทัดรัดกว่า

คอมพิวเตอร์แบบโมดูลเป็นคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวชนิดหนึ่งที่สร้างขึ้นเพื่อเสียบเข้ากับบอร์ดตัวนำ บอร์ดฐาน หรือแบ็คเพลนสำหรับการขยายระบบ^{[ 2 ] [ 3 ]}

หลังจากไมโครโปรเซสเซอร์รุ่นแรกออกสู่ตลาดได้ไม่นาน คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวเครื่องแรกก็ปรากฏขึ้น เช่น บอร์ดพัฒนา SIM4-01 และ SIM8-01ของIntel เอง จากปี 1971 และ 1972 ตามลำดับ บอร์ด SIM8-01 ใช้Intel 8008 ^{[ 4 ]} เป็นพื้นฐาน และประกอบด้วย CPU, RAM, ROM และอินเทอร์เฟซเทอร์มินัล TTY มี RAM ขนาด 1K ไบต์ในชิป P1101A จำนวน 32 ตัว และEPROM ขนาด 2K ไบต์ ในชิป C1701 จำนวน 8 ตัว SIM8-01 มีความสามารถในการรับและส่งข้อมูลในรูปแบบของพอร์ตอนุกรมสำหรับเทอร์มินัลภายนอก และอาจกล่าวได้ว่านี่คือคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวเครื่องแรกอย่างแท้จริงในแง่นั้น ด้วยแนวคิดที่คล้ายคลึงกันกับ CPU/RAM/ROM และอินเทอร์เฟซเทอร์มินัล จึงมี การเปิดตัว MYCRO-1 ที่ใช้ Intel 8080 ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2517 ^{[ 5 ]}และทั้ง Intel SDK-80 และ Motorola MEK6800D1 ในปี พ.ศ. 2518 คอมพิวเตอร์บอร์ดเดี่ยวที่ราคาถูกกว่าและได้รับความนิยมมากกว่าในเวลาต่อมา คือ KIM-1ที่ใช้ MOS 6502จะได้รับการประกาศในภายหลังในปี พ.ศ. 2518 และวางจำหน่ายในปี พ.ศ. 2519

คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวรุ่นแรกๆ มีบทบาทสำคัญในประวัติศาสตร์ยุคแรกของคอมพิวเตอร์บ้านเช่นAcorn ElectronและBBC Microซึ่งพัฒนาโดย Acorn เช่นกัน คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวรุ่นแรกๆ อื่นๆ เช่นKIM-1มักจะจัดส่งโดยไม่มีเคสซึ่งเจ้าของต้องเพิ่มเอง ตัวอย่างอื่นๆ ในยุคแรกๆ ได้แก่Ferguson Big Board , Ampro Little Board [ ^{6 ] และ} Nascom คอมพิวเตอร์บ้านจำนวนมากในช่วงทศวรรษ 1980 เป็นคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยว โดยบางรุ่นยังสนับสนุนให้เจ้าของบัดกรีส่วนประกอบที่ได้รับการอัพเกรดโดยตรงไปยังจุดที่ทำเครื่องหมายไว้ล่วงหน้าบนบอร์ด

เมื่อพีซีแพร่หลายมากขึ้น ส่วนแบ่งการตลาดของคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยว (SBC) ก็ลดลงเนื่องจากความสามารถในการขยายต่ำ การนำมาตรฐานของ IBM สำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงและการกำหนดมาตรฐานของ บัส PCIมาใช้ในทศวรรษ 1990 ทำให้เมนบอร์ดและส่วนประกอบและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เข้ากันได้มีราคาถูกและแพร่หลาย ในขณะที่การพัฒนาแพลตฟอร์มมัลติมีเดีย เช่นซีดีรอมและซาวด์บลาสเตอร์การ์ด เริ่มแซงหน้าอัตราที่ผู้ใช้ต้องการเปลี่ยนคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลอย่างรวดเร็ว แนวโน้มทั้งสองนี้ทำให้คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวหมดความน่าสนใจ และกระตุ้นให้เกิดการแพร่หลายของเมนบอร์ดซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะประกอบด้วยซีพียูและส่วนประกอบหลักอื่นๆ โดยมีส่วนประกอบต่อพ่วง เช่น ตัวควบคุมฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์และตัวประมวลผลกราฟิกและแม้แต่ส่วนประกอบหลักบางอย่าง เช่น โมดูล RAMอยู่บนบอร์ด ลูก

ในช่วงทศวรรษ 2000 คอมพิวเตอร์เริ่มกลับมาใช้เมนบอร์ดที่มีจำนวนบอร์ดน้อยลง เนื่องจากมาตรฐานใหม่ๆ เช่นUSBลดความหลากหลายของมาตรฐานอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เมนบอร์ดต้องรองรับลงอย่างมาก ขณะเดียวกันความก้าวหน้าใน การผลิต วงจรรวม (Integrated Circuit ) ก็ได้พัฒนาชิปเซ็ตใหม่ๆ ที่สามารถรวมฟังก์ชันการทำงานของบอร์ดเสริมหลายๆ ตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งI/O ไว้ ในชิปเดียว เมื่อสิ้นสุดทศวรรษ เมนบอร์ดพีซีจึงรองรับการทำงานของไดรฟ์ต่างๆ มากมาย ทั้งIDE , SATA , NVMe , RAID , การ์ดจอในตัว (Integrated GPU) , อีเธอร์เน็ตและ I/O แบบดั้งเดิม เช่นพอร์ตอนุกรมและพอร์ตขนาน , USBและคีย์บอร์ด/เมาส์ ส่วนการ์ดเสริมแบบเสียบปลั๊กยังคงมีความสำคัญในฐานะส่วนประกอบประสิทธิภาพสูง เช่นการ์ดประมวลผลกราฟิก ขนาดใหญ่และซับซ้อน ตัวควบคุม RAIDระดับสูงและการ์ด I/O เฉพาะทาง เช่น การ์ด รับข้อมูลและการ์ด DSP

ทศวรรษ 2010 เป็นช่วงเวลาแห่งการเติบโตอย่างรวดเร็วและต่อเนื่องของคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยว ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการพัฒนาเทคนิคการผลิตวงจรรวม (Integrated Circuit) ที่ทำให้สามารถรวมส่วนประกอบหลักส่วนใหญ่หรือทั้งหมดของเมนบอร์ดไว้บนชิปวงจรรวมตัวเดียว ได้เป็นครั้งแรก หนึ่งในคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวที่เป็นที่รู้จักกันดีในทศวรรษนั้นคือRaspberry Piซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้ชิปBroadcom SoC ที่ออกแบบเองพร้อม ไดรเวอร์ โอเพนซอร์สเดิมทีมีจุดประสงค์เพื่อการศึกษา Raspberry Pi มีคุณสมบัติหลายอย่าง เช่น การรองรับ Linux ที่ได้รับการปรับแต่งมาเป็นอย่างดี และ พิน GPIO ที่ตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งดึงดูดใจผู้ที่ชื่นชอบงานอดิเรก เป็นอย่างมาก เช่นกัน โดยพวกเขาใช้ Pi และ SBC อื่นๆ ที่เทียบเคียงได้ สำหรับโครงการต่างๆ เช่นระบบบ้านอัจฉริยะการจำลองวิดีโอเกมการสตรีมมีเดียและการทดลองอื่นๆ^{[ 7 ]}ในภาคอุตสาหกรรม การเติบโตอย่างรวดเร็วของสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์ขนาดเล็กอื่นๆ กระตุ้นให้ผู้ผลิตฮาร์ดแวร์หันมาใช้ SoC บ่อยขึ้นและลดขนาดเมนบอร์ด ความสามารถในการขยาย และความซับซ้อน ในขณะที่การแพร่หลายของอินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆเพิ่มความต้องการส่วนประกอบขนาดเล็กราคาถูกที่จะช่วยให้อุปกรณ์ที่ไม่ธรรมดาสามารถเข้าถึงอินเทอร์เน็ตได้ ปัจจัยทั้งสองนี้ทำให้การผลิตคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวเพิ่มขึ้นอย่างมากตลอดทศวรรษ

ในช่วงปลายทศวรรษ 2010 และต้นทศวรรษ 2020 อุปกรณ์จำนวนมาก รวมถึงสมาร์ทโฟนแท็บเล็ต คอมพิวเตอร์แล็ปท็อปและอุปกรณ์อัจฉริยะอื่นๆ ใช้พลังงานจากคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวซึ่งใช้ SoC ( System on a Chip ) ขั้นสูง แม้ว่าสิ่งนี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและประหยัดพลังงานได้อย่างมาก แต่ก็ทำให้เกิดความกังวลว่าคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่สร้างขึ้นโดยใช้ SoC นั้น ซ่อมแซมได้ยากกว่า และอาจไม่เอื้อต่อการพยายามตรวจสอบหรือแก้ไขคำสั่งที่โปรแกรมไว้ในบอร์ดโดยผู้ผลิต^{[ 8 ]}

คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวเป็นไปได้ด้วยการเพิ่มความหนาแน่นของวงจรรวมการกำหนดค่าแบบบอร์ดเดี่ยวช่วยลดต้นทุนโดยรวมของระบบลงได้ เนื่องจากจำนวนแผงวงจรที่จำเป็นลดลง และกำจัดตัวเชื่อมต่อและวงจรขับบัสที่อาจต้องใช้ การรวมฟังก์ชันทั้งหมดไว้บนบอร์ดเดียวทำให้ได้ระบบโดยรวมที่เล็กลง เช่น ในคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก ตัวเชื่อมต่อมักเป็นแหล่งที่มาของปัญหาความน่าเชื่อถือ ดังนั้นระบบแบบบอร์ดเดี่ยวจึงช่วยขจัดปัญหาเหล่านี้ได้^{[ 9 ]}

ปัจจุบันคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองสถาปัตยกรรมหลัก ได้แก่ แบบไม่มีช่องเสียบ และแบบมีช่องเสียบ

บอร์ด คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กแบบ ฝังตัว ( Embedded SBCs) คือหน่วยประมวลผลที่ให้พอร์ตอินพุต/เอาต์พุต (I/O) ที่จำเป็นทั้งหมดโดยไม่มีช่องเสียบการ์ดเพิ่มเติม การใช้งานโดยทั่วไปคือเกม (เช่น เครื่องสล็อตแมชชีน วิดีโอโป๊กเกอร์) ตู้คีออสก์ และระบบควบคุมเครื่องจักรอัตโนมัติ บอร์ด Embedded SBCs มีขนาดเล็กกว่า เมนบอร์ดแบบ ATXที่พบในพีซีมาก และมีพอร์ต I/O ที่เหมาะสมกับการใช้งานในอุตสาหกรรมมากกว่า เช่น พอร์ตดิจิทัลและอนาล็อกในตัว หน่วยความจำแฟลช แบบบูตได้ในตัว (ไม่ต้องใช้ฮาร์ดดิสก์ ) และไม่มีการ์ดแสดงผล เป็นต้น

ปัจจุบัน คำว่าคอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวโดยทั่วไปหมายถึงสถาปัตยกรรมที่คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวเสียบเข้ากับแผงวงจรหลัก (backplane)เพื่อรองรับการ์ดอินพุต/เอาต์พุต (I/O cards) ในกรณีของPC104นั้น บัสไม่ได้เป็นแผงวงจรหลักในความหมายดั้งเดิม แต่เป็นชุดของขั้วต่อแบบพินที่ช่วยให้สามารถวางซ้อนการ์ด I/O ได้

คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวส่วนใหญ่ใช้ในงานอุตสาหกรรม โดยใช้ใน รูป แบบแร็คเมาท์สำหรับการควบคุมกระบวนการ หรือฝังอยู่ในอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อให้การควบคุมและการเชื่อมต่อ มีการใช้งานในการสำรวจใต้ทะเลลึกบนยานสำรวจใต้ทะเลลึก ALICE และในอวกาศ บน จรวด ArianeและPegasusและกระสวยอวกาศ^{[ 10 ]}เนื่องจากมีการรวมระบบในระดับสูงมาก ลดจำนวนส่วนประกอบ และลดจำนวนตัวเชื่อมต่อ คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยวจึงมักมีขนาดเล็กกว่า เบากว่า ประหยัดพลังงานมากกว่า และเชื่อถือได้มากกว่าคอมพิวเตอร์แบบหลายบอร์ดที่เทียบเคียงได้^{[ 11 ]}

ข้อได้เปรียบหลักของเมนบอร์ด ATX เมื่อเทียบกับ SBC คือต้นทุน เมนบอร์ดผลิตออกมาหลายล้านชิ้นสำหรับตลาดผู้บริโภคและสำนักงาน ทำให้เกิดการประหยัดต้นทุน อย่างมหาศาล ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดียวเป็นตลาดเฉพาะกลุ่ม ผลิตออกมาน้อยกว่าและมีต้นทุนสูงกว่า ปัจจุบันเมนบอร์ดและ SBC มีการรวมฟังก์ชันการทำงานในระดับที่ใกล้เคียงกัน หมายความว่าหากเมนบอร์ดเสียไม่ว่าจะเป็นมาตรฐานใดก็ตาม จะต้องใช้ชิ้นส่วนทดแทนที่เทียบเท่ากัน

กลุ่มของคอมพิวเตอร์บอร์ดเดี่ยว ได้แก่Raspberry Pi , BeagleBoard , LattePanda , Nano Pi , ODROID , Orange Pi , PINE64และBanana Pi ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

คอมพิวเตอร์แบบบอร์ดเดี่ยว (SBC) ประเภทหนึ่งที่พบได้ทั่วไปคือคอมพิวเตอร์ที่มีฟอร์มแฟคเตอร์ มาตรฐาน ซึ่งออกแบบมาสำหรับใช้งานใน ตู้ แบ็คเพลนตัวอย่างเช่นCompactPCI , PXI , VMEbus , VXIและPICMG SBC ถูกสร้างขึ้นโดยใช้โครงสร้างการประมวลผลภายในที่หลากหลาย รวมถึง สถาปัตยกรรม ของ Intel , สถาปัตยกรรม มัลติโปร เซสซิ่ง และระบบประมวลผลพลังงานต่ำ เช่นRISCและSPARCในโลกของพีซี Intel วงจรควบคุมและอินเทอร์เฟซจะถูกวางไว้บนบอร์ดแบบเสียบปลั๊ก จากนั้นจึงเสียบเข้าไปในแบ็คเพลนแบบพาสซีฟ (หรือแอคทีฟ) ผลลัพธ์ที่ได้จะคล้ายกับการมีระบบที่สร้างขึ้นด้วยเมนบอร์ดยกเว้นว่าแบ็คเพลนจะเป็นตัวกำหนดการกำหนดค่าสล็อต แบ็คเพลนมีให้เลือกใช้กับสล็อตหลายประเภท ( ISA , PCI, PCI-X , PCI-Expressฯลฯ) โดยปกติจะมีจำนวนสล็อตไม่เกิน 20 สล็อต ซึ่งหมายความว่าจะสามารถติดตั้งในตู้แร็คเมาท์ขนาด 19 นิ้ว (ตัวเครื่องกว้าง 17 นิ้ว) ได้

คอมพิวเตอร์แบบแผงวงจรเดี่ยวบางรุ่นมีขั้วต่อที่ช่วยให้สามารถประกอบแผงวงจรหลายๆ แผงเข้าด้วยกันได้ โดยแต่ละแผงมีฮาร์ดแวร์สำหรับขยายเพิ่มเติม โดยไม่ต้องใช้แผงวงจรหลักแบบดั้งเดิม ตัวอย่างของฟอร์มแฟคเตอร์ SBC ที่สามารถเรียงซ้อนได้ ได้แก่PC/104 , PC/104 -Plus , PCI-104 , EPICและ EBX ระบบเหล่านี้มีจำหน่ายทั่วไปสำหรับใช้ในระบบควบคุมแบบฝังตัว

คอมพิวเตอร์ ขนาดเล็กแบบเรียงซ้อน (Stack-type SBCs) มักจะมีหน่วยความจำที่ติดตั้งอยู่บนการ์ดเสียบ เช่นSIMMและDIMM แผง วงจรฮาร์ดไดรฟ์จะไม่ถูกนำมาพิจารณาในการตัดสินว่าคอมพิวเตอร์นั้นเป็น SBC หรือไม่ ด้วยเหตุผลสองประการ ประการแรก เพราะฮาร์ดไดรฟ์ถือเป็นหน่วยจัดเก็บข้อมูลแบบบล็อกเดียว และประการที่สอง เพราะ SBC อาจไม่จำเป็นต้องมีฮาร์ดไดรฟ์เลย เนื่องจากส่วนใหญ่สามารถบูตผ่านการเชื่อมต่อเครือข่ายได้

• แอดวานซ์ทีซีเอ
• คอมแพคพีซีไอ
• Embedded Compact Extended (ECX)
• มินิ-ไอทีเอ็กซ์
• มัลติบัส
• พีซี/104
• พิคเอ็มจี
• พิโค-ไอทีเอ็กซ์
• พีซีไอ
• คิวเซเว่น
• วีเอ็มอีบัส
• วีพีเอ็กซ์
• วีซีไอ
• 96บอร์ด (CE, EE, EETV และ IE)

• คอมพิวเตอร์บนโมดูล
• ระบบฝังตัว
• เมนบอร์ด
• เสียบปลั๊กคอมพิวเตอร์
• ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบบอร์ดเดี่ยว
• ระบบบนชิป
• รายชื่อฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์โอเพนซอร์ส
• ราสเบอร์รี่ พี
• นาโน พี
• ออเรนจ์พาย
• กล้วยพาย
• ไซเบอร์เด็ค