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

Tenemos muchas opciones para elegir cuando se trata de computadoras de placa única, ya sea que estén basadas en un microcontrolador o en un SoC más 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 gran cantidad de arquitecturas diferentes.

Cada uno tiene su favorito entre ellos y, junto con él, 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 en estándares de conectores de interfaz de facto 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. Consideremos, por ejemplo, el puerto USB-C, en lugar de simplemente suceder porque un fabricante decidió colocar un puerto de datos reversible de alta velocidad con capacidades de energía en una máquina, fue el resultado de muchos años de experiencia y trabajo por parte de un consorcio industrial. .

A veces, sin embargo, un estándar de interfaz aparece 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 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 energía para los pocos accesorios electrónicos para automóviles que estaban disponibles 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 los ordenadores de placa única. Casi todos tienen un conector de expansión, que sirve para reunir la mayor cantidad posible de interfaces disponibles en un solo lugar. Algunos están bien diseñados y otros no tanto, pero ninguno está diseñado de la misma forma que la toma USB para ser independiente del hardware específico y pensando en la comodidad para la aplicación deseada. En cambio, se dejan en manos del diseñador de la placa, quien tal vez no espere que el dispositivo se convierta en un estándar ampliamente adoptado y, por lo tanto, tal vez no piense en el futuro sobre cómo se podría utilizar su creación.

Si nos pidieran que nombremos algunas placas cuyas interfaces se han convertido en estándares de facto no intencionados, aquellas con las que terminaríamos no sorprenderían a la mayoría de ustedes. El Arduino original, el Raspberry PI, el Adafruit Feather y tal vez el Raspberry Pi Pico, tal vez el BeagleBone, y uno que vemos cada vez más, el BBC micro:bit. Vale la pena echarles un vistazo individualmente por un minuto para descubrir qué nos gusta de ellos y qué no.

El abuelo de todos ellos tiene que ser 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 el uso de encabezados de pin económicos de 0.1″, pero el tamaño del dispositivo y la necesidad de dos conjuntos de encabezados muy separados parece claramente difícil de manejar y anticuado. No nos hagas empezar con el desplazamiento de filas impares. Aún así, probablemente pasará mucho tiempo antes de que nos liberemos 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 aportado el Pi, diríamos que el conector de expansión no es una de ellas. Es una víctima de la génesis del Pi en 2012 a partir de una entonces pequeña organización que producía lo que pensaban que sería una tirada relativamente pequeña de una placa que en ese momento apenas había dejado de ser un prototipo.

Las primeras placas Raspberry Pi tenían opciones de componentes y enrutamiento basadas en la conveniencia y los recursos disponibles para ellas, por lo que lo más importante era que las líneas llegaran a un encabezado, 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 siguió tienen las diversas interfaces dispersas al azar a su alrededor, y estamos seguros de que si hicieran el mismo trabajo hoy, le pondrían algo de orden. Nos gusta el uso de un único cabezal 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 de expansión muy conveniente, siguiendo el mismo camino que los CI DIP más grandes del pasado. Por lo tanto, un Arduino Nano a menudo se encontrará montado en una placa de circuito impreso o PCB, o conectado a una placa de pruebas. El Feather y el Pico van más allá, con ambos tableros de clasificación adicionales que se acoplan a ellos. Nos gustan por su distribución de pines bien pensada, 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 de microcontrolador 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 hacer la vida más fácil a los niños, intercalados con conexiones de paso más fino que transportan otros interfaces. Está bien diseñado y es una opción lo suficientemente atractiva como para aparecer en bastantes placas de la competencia, pero depende de un receptáculo de conector de borde especializado más caro. Nos gustan los conectores de borde, pero no los que necesitan un conector caro.

Entonces, después de haber estudiado el campo, tenemos una variedad de estándares que son esencialmente propietarios y 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 sea con el propio conector. Aquí, Raspberry Pi lo hace bien con encabezados estándar de dos filas, son baratos y están fácilmente disponibles sin forzar un factor de forma de placa como lo hacen las placas de formato Arduino o DIP o requerir un conector especial como lo hace el ecosistema micro:bit. Entonces la siguiente área a considerar es la distribución de pines. 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 interconexión.

Creemos que las interfaces del microcontrolador y del SoC son lo suficientemente similares como para que esto pueda lograrse. Tampoco creemos que haya una ventaja comercial particular para los fabricantes al tener su propia configuración de pines, porque en este contexto la exclusividad tiene poco valor. Un pinout común en varias placas no debería requerir un consorcio industrial multimillonario como ocurre con el USB; en lugar de eso, se debe conectar un simple conjunto de líneas de E/S a un conjunto de encabezados.

La razón por la que no ha sucedido todavía es probablemente que no ha habido ningún 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 para 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?