حاسوب أحادي اللوحة

الحاسوب أحادي اللوحة ( SBC ) هو حاسوب متكامل مبني على لوحة دوائر مطبوعة واحدة ، ويحتوي على معالج دقيق (أو أكثر)، وذاكرة ، ووحدات إدخال/إخراج ، وغيرها من الميزات اللازمة لتشغيل الحاسوب. تُصنع الحواسيب أحادية اللوحة عادةً كأنظمة تجريبية أو تطويرية، أو للأنظمة التعليمية، أو لاستخدامها كوحدات تحكم مدمجة . وتدمج العديد من أنواع الحواسيب المنزلية أو المحمولة جميع وظائفها على لوحة دوائر مطبوعة واحدة .

على عكس أجهزة الكمبيوتر الشخصية المكتبية ، لا تعتمد أجهزة الكمبيوتر أحادية اللوحة عادةً على فتحات توسعة للوظائف الطرفية أو التوسعات . وقد صُممت هذه الأجهزة باستخدام مجموعة واسعة من المعالجات الدقيقة. تستخدم التصاميم البسيطة، كتلك التي يصممها هواة الكمبيوتر، ذاكرة وصول عشوائي ثابتة (SRAM) ومعالجات منخفضة التكلفة 32 أو 64 بت مثل معالجات ARM . أما الأنواع الأخرى، مثل خوادم الشفرات ، فتؤدي وظائف مشابهة لخوادم الكمبيوتر ، ولكن بحجم أصغر.

الحاسوب المدمج هو نوع من الحواسيب أحادية اللوحة، مصمم للتوصيل بلوحة حاملة أو لوحة أساسية أو لوحة خلفية لتوسيع النظام. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

لم يمضِ وقت طويل بعد ظهور المعالجات الدقيقة الأولى في السوق حتى ظهرت أولى الحواسيب أحادية اللوحة، مثل لوحتي التطوير SIM4-01 وSIM8-01 من إنتل عامي 1971 و1972 على التوالي. تعتمد لوحة SIM8-01 على معالج إنتل 8008 ^{[ 4 ]} ، وتحتوي على وحدة معالجة مركزية، وذاكرة وصول عشوائي (RAM)، وذاكرة قراءة فقط (ROM)، وواجهة طرفية TTY. تتميز بذاكرة وصول عشوائي (RAM) سعتها 1 كيلوبايت موزعة على 32 شريحة P1101A، وذاكرة قراءة فقط قابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا (EPROM) سعتها 2 كيلوبايت موزعة على ثماني شرائح C1701. تتمتع لوحة SIM8-01 بإمكانيات إدخال وإخراج البيانات عبر منفذ تسلسلي لطرفية خارجية، ويمكن القول إنها أول حاسوب أحادي اللوحة حقيقي بهذا المعنى. وباتباع مفهوم مماثل مع وحدة المعالجة المركزية/ذاكرة الوصول العشوائي/ذاكرة القراءة فقط وواجهة طرفية، تم إصدار جهاز MYCRO-1 القائم على معالج Intel 8080 في ديسمبر 1974، ^{[ 5 ]} بالإضافة إلى كل من Intel SDK-80 و Motorola MEK6800D1 في عام 1975. وسيتم الإعلان لاحقًا في عام 1975 عن جهاز كمبيوتر أحادي اللوحة أرخص وأكثر شيوعًا، وهو KIM-1 القائم على معالج MOS 6502 ، والذي تم إصداره في عام 1976.

لعبت الحواسيب أحادية اللوحة المبكرة دورًا بارزًا في تاريخ الحواسيب المنزلية ، مثل Acorn Electron و BBC Micro ، اللذين طورتهما شركة Acorn أيضًا. وكانت بعض الحواسيب أحادية اللوحة المبكرة الأخرى، مثل KIM-1، تُشحن غالبًا بدون غلاف ، وكان على المستخدم إضافته بنفسه. ومن الأمثلة المبكرة الأخرى Ferguson Big Board و Ampro Little Board ^{[ 6 ]} و Nascom . وكانت العديد من الحواسيب المنزلية في ثمانينيات القرن الماضي أحادية اللوحة ، بل إن بعضها شجع المستخدمين على لحام المكونات المطورة مباشرةً في نقاط محددة مسبقًا على اللوحة.

مع ازدياد انتشار الحواسيب الشخصية، انخفضت حصة الحواسيب أحادية اللوحة في السوق بسبب محدودية قابليتها للتوسع. وقد ساهم التبني السريع لمعايير IBM للأجهزة الطرفية وتوحيد ناقل PCI في التسعينيات في جعل اللوحات الأم والمكونات والأجهزة الطرفية المتوافقة رخيصة ومتوفرة على نطاق واسع، في حين بدأ تطوير منصات الوسائط المتعددة مثل أقراص CD-ROM وبطاقات Sound Blaster يتجاوز بسرعة وتيرة حاجة المستخدمين لاستبدال حواسيبهم الشخصية. وقد أدى هذان الاتجاهان إلى تثبيط الحواسيب أحادية اللوحة، وشجعا بدلاً من ذلك انتشار اللوحات الأم ، التي كانت تضم عادةً وحدة المعالجة المركزية والمكونات الأساسية الأخرى، مع وجود مكونات طرفية مثل وحدات تحكم محركات الأقراص الصلبة ومعالجات الرسومات ، وحتى بعض المكونات الأساسية مثل وحدات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ، على لوحات فرعية .

بدأت أجهزة الكمبيوتر بالعودة إلى استخدام عدد أقل من اللوحات الأم في العقد الأول من الألفية الثانية. ومع ظهور معايير جديدة مثل USB التي قللت بشكل كبير من تنوع معايير الأجهزة الطرفية التي كان يُتوقع من اللوحات الأم دعمها، أتاحت التطورات في تصنيع الدوائر المتكاملة شرائح جديدة قادرة على توفير وظائف العديد من اللوحات الفرعية، وخاصة منافذ الإدخال /الإخراج ، في شريحة واحدة. وبحلول نهاية العقد، وفرت لوحات الكمبيوتر الأم دعمًا مدمجًا لمحركات الأقراص، بما في ذلك IDE و SATA و NVMe و RAID ووحدات معالجة الرسومات المدمجة وشبكة Ethernet ، بالإضافة إلى منافذ الإدخال/الإخراج التقليدية مثل المنافذ التسلسلية والمتوازية و USB ، ودعم لوحة المفاتيح والماوس. وحافظت "البطاقات" الإضافية على أهميتها كمكونات عالية الأداء، مثل معالجات الرسومات المساعدة الكبيرة والمعقدة، ووحدات تحكم RAID المتطورة ، وبطاقات الإدخال/الإخراج المتخصصة مثل بطاقات جمع البيانات وبطاقات معالجة الإشارات الرقمية .

تميزت فترة العقد الثاني من الألفية الثانية بنمو سريع ومستدام في مجال الحواسيب أحادية اللوحة، ويعود الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى التطورات في تقنيات إنتاج الدوائر المتكاملة التي أتاحت لأول مرة إمكانية دمج معظم أو كل المكونات الأساسية للوحة الأم على شريحة واحدة من الدوائر المتكاملة . وكان جهاز Raspberry Pi أحد أشهر الحواسيب أحادية اللوحة في ذلك العقد ، والذي بُني حول معالج Broadcom SoC مخصص مع برامج تشغيل مفتوحة المصدر . ورغم أن Raspberry Pi صُمم في الأصل لأغراض تعليمية، إلا أنه احتوى على عدد من الميزات، مثل دعم Linux المُحسّن ودبابيس GPIO القابلة للبرمجة ، والتي لاقت استحسانًا كبيرًا لدى الهواة ، الذين استخدموا Pi، وحواسيب أحادية اللوحة مماثلة، في مشاريع مثل أتمتة المنازل ، ومحاكاة ألعاب الفيديو ، وبث الوسائط ، وغيرها من التجارب. ^{[ 7 ]} في القطاع الصناعي، شجع النمو السريع للهواتف الذكية والأجهزة الصغيرة الأخرى مصنعي الأجهزة على التوجه نحو استخدام أنظمة على رقاقة (SoCs) بشكل أكثر تواتراً، وتقليص حجم اللوحات الأم وقابليتها للتوسع وتعقيدها، في حين أدى انتشار إنترنت الأشياء إلى زيادة الطلب على مكونات صغيرة ورخيصة تُمكّن الأجهزة غير التقليدية من الوصول إلى الإنترنت. وقد ساهم هذان العاملان بشكل كبير في زيادة إنتاج الحواسيب أحادية اللوحة طوال العقد.

بحلول نهاية العقد الثاني من الألفية الثانية وبداية العقد الثالث، أصبحت العديد من الأجهزة، بما في ذلك الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة الذكية، تعمل بحواسيب أحادية اللوحة تستخدم أنظمة على شريحة (SoC ) متطورة. ورغم أن هذا قد حسّن الأداء وكفاءة استهلاك الطاقة بشكل كبير، إلا أنه أثار مخاوف من أن الحواسيب أحادية اللوحة، وخاصة تلك المبنية على أنظمة على شريحة، يصعب إصلاحها وقد تكون أقل ملاءمة لمحاولات مراقبة أو تعديل التعليمات المبرمجة عليها من قبل الشركات المصنعة. ^{[ 8 ]}

أصبح تصنيع الحواسيب أحادية اللوحة ممكنًا بفضل زيادة كثافة الدوائر المتكاملة . يقلل تصميم اللوحة الواحدة من التكلفة الإجمالية للنظام، وذلك بتقليل عدد لوحات الدوائر المطلوبة، والاستغناء عن الموصلات ودوائر تشغيل ناقل البيانات التي كانت ستُستخدم لولا ذلك. بوضع جميع الوظائف على لوحة واحدة، يُمكن الحصول على نظام أصغر حجمًا، كما هو الحال في الحواسيب المحمولة على سبيل المثال. تُعد الموصلات مصدرًا شائعًا لمشاكل الموثوقية، لذا فإن نظام اللوحة الواحدة يُزيل هذه المشاكل. ^{[ 9 ]}

تُعرَّف أجهزة الكمبيوتر أحادية اللوحة الآن بشكل شائع من خلال بنيتين متميزتين: بدون فتحات ودعم الفتحات.

تُعدّ لوحات التحكم أحادية اللوحة المدمجة وحدات توفر جميع منافذ الإدخال/الإخراج المطلوبة دون الحاجة إلى بطاقات إضافية. تشمل تطبيقاتها عادةً الألعاب (ماكينات القمار، وألعاب الفيديو بوكر)، وأكشاك الخدمة الذاتية، وأنظمة التحكم الآلي . تتميز هذه اللوحات بصغر حجمها مقارنةً باللوحات الأم من نوع ATX الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية، كما أنها توفر مزيجًا من منافذ الإدخال/الإخراج مُصمم خصيصًا للتطبيقات الصناعية، مثل منافذ الإدخال/الإخراج الرقمية والتناظرية المدمجة، وذاكرة فلاش مدمجة قابلة للتشغيل (مما يُغني عن الحاجة إلى محرك أقراص )، وعدم وجود منفذ فيديو، وغيرها.

يُستخدم مصطلح "الحاسوب أحادي اللوحة" حاليًا بشكل عام للإشارة إلى بنية يتم فيها توصيل الحاسوب أحادي اللوحة بلوحة خلفية لتوفير منافذ الإدخال/الإخراج. في حالة PC104 ، لا تُعدّ ناقلة البيانات لوحة خلفية بالمعنى التقليدي، بل هي عبارة عن سلسلة من موصلات الدبابيس التي تسمح بتكديس لوحات الإدخال/الإخراج.

تُستخدم الحواسيب أحادية اللوحة بشكل شائع في التطبيقات الصناعية، حيث تُركّب في رفوف للتحكم في العمليات أو تُدمج ضمن أجهزة أخرى لتوفير التحكم والربط البيني. كما تُستخدم في استكشاف أعماق البحار على متن مسبارات أليس، وفي الفضاء الخارجي على متن صواريخ أريان وبيغاسوس ومكوك الفضاء . ^{[ 10 ]} وبفضل مستويات التكامل العالية جدًا، وانخفاض عدد المكونات والموصلات، غالبًا ما تكون الحواسيب أحادية اللوحة أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأكثر موثوقية من الحواسيب متعددة اللوحات المماثلة. ^{[ 11 ]}

تتمثل الميزة الرئيسية للوحة الأم ATX مقارنةً بالكمبيوتر أحادي اللوحة (SBC) في التكلفة. تُصنّع اللوحات الأم بالملايين لتلبية احتياجات المستهلكين والمكاتب، مما يتيح وفورات هائلة في الإنتاج . أما أجهزة الكمبيوتر أحادية اللوحة، فهي تُصنّع في سوق متخصصة، ويتم إنتاجها بوتيرة أقل وبتكلفة أعلى. توفر اللوحات الأم وأجهزة الكمبيوتر أحادية اللوحة الآن مستويات متقاربة من تكامل الميزات، مما يعني أن أي عطل في اللوحة الأم، بغض النظر عن المعيار، يتطلب استبدالها بلوحة مماثلة.

تشمل أنواع الحواسيب أحادية اللوحة Raspberry Pi و BeagleBoard و LattePanda و Nano Pi و ODROID و Orange Pi و PINE64 و Banana Pi . ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

يستخدم أحد أنواع الحواسيب أحادية اللوحة الشائعة أشكالًا قياسية مصممة للاستخدام في حاويات اللوحة الخلفية . من هذه الأنواع: CompactPCI و PXI و VMEbus و VXI و PICMG . بُنيت هذه الحواسيب حول هياكل معالجة داخلية متنوعة، بما في ذلك معمارية إنتل ، ومعماريات المعالجة المتعددة ، وأنظمة المعالجة منخفضة الطاقة مثل RISC و SPARC . في عالم حواسيب إنتل، توضع دوائر الذكاء والتحكم/الواجهة على لوحة قابلة للتوصيل، ثم تُدخل في لوحة خلفية سلبية (أو نشطة). والنتيجة مشابهة لنظام مُصمم بلوحة أم ، إلا أن اللوحة الخلفية هي التي تحدد تكوين الفتحات. تتوفر اللوحات الخلفية بمزيج من الفتحات ( ISA وPCI و PCI-X و PCI-Express ، إلخ)، عادةً ما يبلغ مجموعها 20 فتحة أو أقل، مما يعني أنها ستناسب حاوية تثبيت في رف قياس 19 بوصة (هيكل بعرض 17 بوصة).

تحتوي بعض الحواسيب أحادية اللوحة على موصلات تسمح بتجميع مجموعة من لوحات الدوائر، تحتوي كل منها على مكونات توسعة، دون الحاجة إلى لوحة خلفية تقليدية. ومن أمثلة أشكال الحواسيب أحادية اللوحة القابلة للتكديس: PC/104 وPC/104- Plus و PCI-104 و EPIC وEBX؛ وتتوفر هذه الأنظمة عادةً للاستخدام في أنظمة التحكم المدمجة.

غالبًا ما تحتوي الحواسيب أحادية اللوحة من نوع المكدس على ذاكرة مُدمجة في بطاقات التوصيل مثل SIMMs و DIMMs . كما لا تُؤخذ لوحات دوائر القرص الصلب في الاعتبار عند تحديد ما إذا كان الحاسوب أحادي اللوحة أم لا، وذلك لسببين: أولهما أن القرص الصلب يُعتبر وحدة تخزين كتلة واحدة، وثانيهما أن الحاسوب أحادي اللوحة قد لا يحتاج إلى قرص صلب على الإطلاق، حيث يمكن تشغيل معظمها من خلال اتصالات الشبكة الخاصة بها.

• AdvancedTCA
• CompactPCI
• مضمن مضغوط موسع (ECX)
• Mini-ITX
• ناقل متعدد
• PC/104
• PICMG
• بيكو-آي تي ​​إكس
• PXI
• كيو سيفن
• VMEbus
• VPX
• VXI
• 96 لوحة (CE، EE، EETV وIE)

• وحدة حاسوبية
• النظام المدمج
• اللوحة الأم
• قم بتوصيل الكمبيوتر
• وحدة تحكم دقيقة أحادية اللوحة
• نظام على شريحة
• قائمة أجهزة الحوسبة مفتوحة المصدر
• راسبيري باي
• نانو باي
• أورانج باي
• فطيرة الموز
• سايبرديك