El estado del ecosistema de interfaz SBC, ¿es hora de diseñar un estándar?

Sep 14, 2023

Tenemos muchas opciones cuando se trata de computadoras de una sola placa, ya sea que se basen en un microcontrolador o en un SoC más capaz capaz de ejecutar un sistema operativo como GNU/Linux. Se pueden obtener de marcas bien establecidas como Arduino, Adafruit o Raspberry Pi, o de un Lejano Oeste de módulos más baratos del Lejano Oriente que llevan una plétora de arquitecturas diferentes.

Todos tienen su propio favorito entre ellos, y junto con eso viene un ecosistema de sistemas operativos y entornos de desarrollo de software. Hay otro aspecto de estas placas que ha evolucionado; algunos de ellos se han convertido de facto en estándares de conectores de interfaz para periféricos de hardware. ¿Tienen algún sentido estos estándares? Hablemos de eso.

En la mayoría de los casos, un estándar de interfaz es el resultado de un esfuerzo específico para crearlo. Considere, por ejemplo, el puerto USB-C, en lugar de simplemente suceder porque un fabricante decidió colocar un puerto de datos de alta velocidad reversible con capacidades de alimentación en una máquina, fue el resultado de muchos años de experiencia y trabajo por parte de un consorcio industrial. .

Sin embargo, a veces, un estándar de interfaz surge por casualidad. El enchufe para accesorios del automóvil es, desde cualquier punto de vista, un sistema de conector de alimentación bastante horrible, que se originó hace décadas como el receptáculo para un encendedor de cigarrillos eléctrico. Debido a que no había otra forma práctica de acceder a una fuente de alimentación de 12 V en un automóvil, se convirtió en la fuente de alimentación para los pocos accesorios electrónicos disponibles en el automóvil y, desde entonces, ha evolucionado hasta convertirse en la toma de corriente estándar para automóviles. Curiosamente, muchos enchufes para accesorios de automóviles ahora no son adecuados para su propósito original, ya que ya no están diseñados para soportar el calor de un encendedor de cigarrillos.

Y así llegamos a los conectores de las computadoras de placa única. Casi todos tienen un conector de expansión, que tiene el propósito de traer tantas de las interfaces disponibles en un solo lugar como sea posible. Algunos están bien diseñados y otros no tanto, pero ninguno de ellos está diseñado de la misma manera que la toma USB para ser independiente del hardware específico y teniendo en cuenta la comodidad para la aplicación deseada. En su lugar, se dejan al diseñador de la placa, que puede no esperar que el dispositivo se convierta en un estándar ampliamente adoptado y, por lo tanto, puede que no piense en cómo se podría usar su creación.

Si nos pidieran que nombremos algunas placas cuyas interfaces se han convertido en estándares de facto no deseados, no sorprendería a la mayoría de ustedes. El Arduino original, el Raspberry PI, el Adafruit Feather y quizás el Raspberry Pi Pico, quizás el BeagleBone, y uno que estamos viendo cada vez más, el BBC micro:bit. Vale la pena echarles un vistazo individualmente por un minuto para determinar qué nos gusta de ellos y qué no.

El abuelo de todos ellos tiene que ser el Arduino. No sabemos si fue la primera placa que nos dio la idea de los escudos, pero sin duda fue la que los popularizó. Antes de Arduino, era más habitual que una placa viniera con un área de creación de prototipos junto con un encabezado con las líneas de E/S a las que se podría haber conectado una placa secundaria, Arduino dio origen a la idea de una familia de placas complementarias. dentro de un ecosistema definido.

Nos gusta el pinout de expansión de Arduino por su organización de los diferentes tipos de interfaz uno al lado del otro y en orden numérico y nos gusta su uso de encabezados de pin económicos de 0.1″, pero el tamaño de la cosa y la necesidad de dos juegos de encabezados son tan muy separados parece claramente difícil de manejar y anticuado. No nos haga comenzar con el desplazamiento de fila impar. Aún así, probablemente pasará mucho tiempo antes de que estemos libres del escudo Arduino clásico porque todavía hay muchos disponibles, pero ¿sería una opción razonable para un nuevo diseño aquí en 2022? No lo creemos.

El encabezado de 40 pines de Raspberry Pi y el factor de forma HAT parecen haberse convertido en un estándar de facto para placas más potentes, generalmente aquellas que ejecutan Linux. Es un guiño al éxito de la pequeña placa de Cambridge, pero a pesar de todas las cosas buenas que nos ha traído Pi, diríamos que el conector de expansión no es una de ellas. Es una víctima de la génesis de Pi en 2012 de una organización entonces pequeña que producía lo que pensaban que sería una tirada relativamente pequeña de una placa que en ese momento apenas estaba fuera del estado de prototipo.

Las primeras placas Raspberry Pi tenían componentes y opciones de enrutamiento basadas en la conveniencia y los recursos disponibles para ellos, por lo que las líneas se llevaron a un encabezado era lo más importante, y no organizarlas bien para una placa de mercado masivo que dominaría. el sector una década después. Por lo tanto, la interfaz original de 26 pines y la extensión de 40 pines que le siguió tienen varias interfaces dispersas al azar a su alrededor, y estamos seguros de que si hicieran el mismo trabajo hoy, lo pondrían en orden. Nos gusta el uso de un solo encabezado de 0.1″, pero aunque entendemos por qué es así, no podemos decir lo mismo de la disposición de los pines.

Las placas duales en línea, como Feather, Pi Pico y varios Arduinos más pequeños, tienen un enfoque muy conveniente para la expansión, siguiendo el mismo camino que los circuitos integrados DIP más grandes del pasado. Por lo tanto, un Arduino Nano a menudo se encontrará montado en una pieza de placa de circuito impreso o PCB, o conectado a una placa de prueba. El Feather y el Pico llevan esto más allá, con tableros complementarios de clasificación que se montan sobre ellos. Nos gustan por sus pines bien pensados, pero creemos que un solo conector brinda más flexibilidad.

Finalmente, en nuestra lista de tableros, hay uno que toma un rumbo completamente diferente. BBC micro:bit es una placa microcontroladora educativa diseñada originalmente para escuelas británicas y su conector de expansión es un conector de borde de PCB con cinco almohadillas grandes para pinzas de cocodrilo y enchufes de 4 mm para facilitar la vida de los niños, intercalado con conexiones de paso más fino que llevan otros interfaces Está bien diseñado y es una opción lo suficientemente atractiva como para aparecer en bastantes placas de la competencia, pero se basa en un receptáculo de conector de borde especializado más costoso. Nos gustan los conectores de borde, pero no los que necesitan un conector caro.

Entonces, después de haber examinado el campo, tenemos una gama de lo que son esencialmente estándares patentados que han sido adoptados por otros. Ninguno de ellos es la solución perfecta para la interfaz SBC, por lo que nuestra siguiente pregunta es: ¿cuáles serían las cualidades que buscaríamos en algo mejor? Es una conversación que creemos que la industria debería abordar, pero ¿cómo creemos que deberían abordarla?

Quizás el mejor lugar para comenzar es con el propio conector. Aquí, Raspberry Pi lo hace bien con los encabezados estándar de dos filas, son baratos y fácilmente disponibles sin forzar un factor de forma de placa como lo hacen las placas de formato Arduino o DIP o que requieren un conector especial como lo hace el ecosistema micro: bit. Luego, la siguiente área a considerar es el pinout. No hay ninguna razón por la que GPIO digital, líneas analógicas e interfaces como SPI o I2C no puedan organizarse en pines numerados secuencialmente para facilitar la interfaz.

Creemos que las interfaces de microcontrolador y SoC son lo suficientemente similares como para que esto se pueda lograr. Tampoco creemos que haya una ventaja comercial particular para los fabricantes en tener su propio pinout patentado, porque en este contexto hay poco valor en la exclusividad. Un pinout común en varias placas no debería requerir un consorcio industrial multimillonario como lo hace con USB, sino que un conjunto simple de líneas de E/S debe conectarse a un conjunto de encabezados.

La razón por la que aún no ha sucedido es probablemente porque no ha habido un incentivo de ventas inmediato para que lo hagan, pero creemos que hay un ángulo que podría resultar persuasivo. Los fabricantes de hardware deberían imaginar un mundo en el que, además de que todos los SBC tengan la misma interfaz, todas las tarjetas de expansión, escudos, HAT o alas también la tengan. De repente, el mercado potencial de una tarjeta se vuelve mucho más lucrativo y, dado que todos los principales fabricantes de SBC también venden tarjetas, esperamos que ellos también puedan ver el potencial.

Nos interesaría saber de nuestros lectores sobre este tema, ¿qué opinas?