12.14. System on a Chip-Controller, Arduino, CALLIOPE, Raspberry, Banan-Pie & Co. - eben "Physical Computing" history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 29.08.19 15:04:44

... in meiner Wahrnehmung machte der ARDUINO den Anfang - nach oben jedoch dürfte die Spirale offen sein und im Bereich der neuen Generation von Microcomputern haben wir wohl einige neue "Durchstarter" - dies gilt zumindest für den Bereich der "Minianwendungen" (Microsteuerungen, aber dies schon auf Basis eines Betriebssystems mit eigener grafischer Oberfläche) - und diese können derzeit schon ganz schön groß werden ...
Für mich nach reiflicher Überlegung habe ich vier Stufen der Einarbeitung in die Controllertechnik festgelegt - jede mit jeweils ganz anderen hardwaretechnischen Voraussetzungen - vom blanken Controller bis zum Komplettrechner - alle relativ preiswert - zwischen 5,- € bis fünfzig, wenn 50,- € als preiswert gelten darf. Natürlich sind Ziele und Wünsche grundlegend und auch die Vorstellung davon, wie weit man ins Detail gehen will spielen eine entscheidende Rolle.

  • Gruppe I: die einfachste Stufe. der reine Microcontroller - Typ eigentlich egal - jedoch mit dem Problem, dass einmal entschieden nichts anderes mehr geht, weil dann nichts mehr passt - dies betrifft vor allem die Hardware sowie die Programmierumgebungen (... und genau diese sind ziemlich teuer). Beispiele wären hier ATMEGA, Z80, PIC-Controller

    • die Betriebsspannug muss organisiert werden

    • der Takt muss organisiert werden

    • die RESET-Logik muss aufgebaut werden

    • ein WRITER-System muss vorhanden sein

    • bei den "höher organisierten sind auch bereits  I2C-Busse sowie USB implementiert

  • Gruppe II: offene Gesamtsysteme mit einer kompletten Grundbeschaltung (Betriebsspannung, Takt, RESET, Basis-Betriebssystem, Standrad-Funktionalität - einige davon bringen da sogar sehr viel mit (z. B. der ESP32)) - das ist das Feld von ARDUINO sowie dem bereits zitierten ESP32

    • hier gibt es verschiedene Ausbaustufen, Leistungen, Größen und natürlich auch Preise - alle Bausteine haben aber eine parallele Port-Philosohie (gleiche Anschlüsse mit gleicher möglicher Funktionalität)

    • das Management sowie die Stromversorgung erfolgt über einen via USB verbundenen PC

    • die funktional nicht gebundenen Bits der einzelnen Ports stehen dem Anwender unbeschalten als Steckpfostenleiste zur freien Verfügung

    • spezielle Funktionen, wie zum Beispiel PWM oder AD/Da-Wandler, werden nicht auf allen Bits unterstützt

    • diese Gruppe eignet sich somit vorzüglich für kleine Steuerungsaufgaben

  • Gruppe III: minimale Gesamtsysteme - Basisbetriebssystem sowie Kommunikation sind an Bord, Schnittstellen via USB sind vorhanden und realisieren evtl. auch gleich die gesamte Stromversorgung - die gesamten Ports sind mit Anwendungen fest verdrahtet, Ein- und Ausgabeschnittstellen sind festgelegt - typischer Vertreter ist hiervon CALLIOPE aus Berlin sowie Microbot aus England

    • elektrisch muss hier gar nichts mehr getan werden - alles ist verdrahtet und Ein- sowie Ausgabesignale fest definiert

    • die Anwendung reduziert sich auf die Programmierung

    • der größte Vorteil ist, dass bedingt durch die strenge Kapselung einschließlich deren Sicherheits-Mechanismen nichts "kaputt-prgrammiert" werden kann, - funktioniert also prinzipiell auch für Schüler der Klasse 5 schon sicher (natürlich sollte die Installation nicht auf Metalltischen erfolgen) und eine Flachbatterie reicht aus (wird sie verpolt, geht's halt nicht!)

  • Gruppe IV: Minimal-Computer mit abgespeckten Betriebssystem sowie grafischer Oberfläche - ein HD-Grafikcontroller ist auch mit an Bord - der RAM ist via Zusatzkarten erweiterbar - die Typvertreter sind hierbei der Raspberry PI sowie der Banana Pi

    • das sind eigentlich bereits kleine Workstations oder Server für detizierte Anwendungen

    • sie benötigen eine wirklich Betriebsspannung (meist 5 Volt) und ziehen unter Last auch Strom

    • LAN, USB, hochauflösende Grafik sowie Tastaur und Maus als Peripherie sind bereits teilweise mehrfach vorhanden

    • das Betriebssystem wird via Miro-SD wahlweise installiert (damit gibt es auch eine Auswahl an entsprechenden Minimal-betriebssystemen wie WINDOWS oder LINUX)

    • es gibt eine Menge frei verwendbare Ports mit jeweils universellen Funktionen - wie immer liegen Speizalfunktionen auf speziellen Bits

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1. SoC- und SBC ... history menue scroll up

System on a Chip Controller sowie Single Board-Computer übernehmen die Aufgabe der Mini-System Programmierung. Dabei haben sie bereits neben der Steuerungstechnik auch die Hochsprachen sowie den Multimedia-Bereich geschafft.
Microcontroller der gehobenen Klasse (... so etwas bekommt man derzeit im Handel zum Grundpreis von ca. 6,- Euro) beherrschen bereits heutzutage alle standardmäßigen Schnittstellen zur Kommunikation mit beliebigen "weiteren" Geräten. Je höher die Leistungsklasse (Frequenz, interner Speicher sowie von Hause aus implementierte Funktionalität), desto leistungsfähiger werden diese Kerlchen (allerdings dann auch schon deutlich teurer und stellen an die Programmierumgebung logischerweise ebenfalls erhöhte Anforderungen).

SBC im Unterricht ... der SoC - der System on a Chip auf dem Single Board-Computer RK3399 ... der Single Board-Computer RK3399 von Rockchip

... wird auch anderswo im Unterricht genutzt!!!

System on a Chip - Controller - hier RK3399

4 GB 32 GB Rockchip RK3399 Sechs Core H96 Max Android 7.1 Smart TV Box Bluetooth 4.0 Gigabit Dual WIFI USB 3.0/2.0 Media Player


2. ARDUINO ... history menue scroll up

ARDUINO war vom Start her eine Erfolgsstory mit Stolperern. Die Idee, geboren in einem Café in Rom namens Arduiono, war von Anfang an ein Hammer und in Kreisen der Maker-Szene eine zehn auf der Schießscheibe. Mit dem Teil lässt sich bis heute ungebrochen arbeiten und die Liga lechzt nach der nächsten Variante.

 

... und ab zum ARDUINO

Links zu ARDUINO-Seiten:

3. RASPBERRY ... history menue scroll up

... der gehört ganz deutlich in die Gruppe der SOC (System on a Chip), wenn er sie nicht gar als solche begründet hat. Alles andere ist kleiner, preiswerter und verfügt nicht über ein eigenes Betriebssystem.
Der Raspberry Pi (engl. Aussprache: ˈɹɑːzbɹi 'paɪ) ist ein Einplatinencomputer, der von der britischen Raspberry Pi Foundation entwickelt wurde. Der Rechner enthält ein Ein-Chip-System von Broadcom mit einem ARM-Mikroprozessor, die Grundfläche der Platine entspricht etwa den Abmessungen einer Kreditkarte. Der Raspberry Pi kam Anfang 2012 auf den Markt; sein großer Markterfolg wird teils als Revival des bis dahin weitgehend bedeutungslos gewordenen Heimcomputers zum Programmieren und Experimentieren angesehen. Der im Vergleich zu üblichen Personal Computern sehr einfach aufgebaute Rechner wurde von der Stiftung mit dem Ziel entwickelt, jungen Menschen den Erwerb von Programmier- und Hardware­kenntnissen zu erleichtern. Entsprechend niedrig wurde der Verkaufspreis angesetzt, der je nach Modell etwa 5 bis 35 USD beträgt.
Bis Ende 2017 wurden mehr als 17 Millionen Geräte verkauft. Die Entwicklung des Raspberry Pi wurde mit mehreren Auszeichnungen bzw. Ehrungen bedacht. Es existiert ein großes Zubehör- und Softwareangebot für zahlreiche Anwendungsbereiche. Verbreitet ist beispielsweise die Verwendung als Mediacenter, da der Rechner Videodaten mit voller HD-Auflösung (1080p) dekodieren und über die HDMI-Schnittstelle ausgeben kann. Als Betriebssystem kommen vor allem angepasste Linux-Distributionen mit grafischer Benutzeroberfläche zum Einsatz; für das neueste Modell existiert auch Windows 10 in einer speziellen Internet-of-Things-Version ohne grafische Benutzeroberfläche. Der Startvorgang erfolgt gewöhnlich von einer wechselbaren SD-Speicherkarte als internes Boot-Medium. Bei der neueren Generation mit dem BCM2837 ist der Start auch von einem USB-Massenspeicher oder Netzwerk möglich. Eine native Schnittstelle für Festplattenlaufwerke ist nicht vorhanden, zusätzlicher Massenspeicher kann per USB-Schnittstelle angeschlossen werden, beispielsweise externe Festplatten bzw. SSDs oder USB-Speichersticks.

   
 

Raspberry-Pi

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4. Banana-Pi ... history menue scroll up

Banana Pi ist ein Einplatinencomputer der chinesischen Bildungsinitiative Lemaker.org. Der Verkaufsstart war im März 2014. Als Betriebssystem können Android, Ubuntu, Arch Linux, Debian, FreeBSD, Raspbian u. a. eingesetzt werden. Sein Prozessor ist ein ARM Cortex-A7 mit zwei Kernen in einem Allwinner A20. In diesem Ein-Chip-System (SoC) sind die Prozessorkerne mit einem Mali-400-Grafikprozessor vereint.
Obwohl der Banana Pi durch seinen Namen, die Lage der Steckverbinder und die Größe dem Raspberry Pi ähnelt, gibt es keine Verbindungen zwischen Lemaker.org und der Raspberry Pi Foundation.
Auch der Banana Pi ist Open Source und kann als Plattform benutzt werden, um eigene Projekte zu verwirklichen

 

Banana-Pi

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5. ESP32 history menue scroll up

Der ESP32 ist eine kostengünstige und mit geringen Leistungsbedarf ausgeführte 32-Bit-Mikrocontrollerfamilie der chinesischen Firma espressif, welche im Jahr 2016 vorgestellt wurde. Die Mikrocontroller ermöglichen durch ihre offene Bauweise, als freie Entwicklungswerkzeuge stehen unter anderem die GNU Compiler Collection inkl. Toolchain zur Verfügung, den Aufbau und Vernetzung von netzwerkbasierten Aktuatoren und Sensoren.
Die Prozessoren bestehen intern und je nach Typ verschieden aus einem oder zwei Prozessorkernen vom Typ Xtensa LX6 von Tensilica und arbeiten mit einem Systemtakt von 160 MHz – 240 MHz. Der interne RAM-Speicher weist eine Größe von 520 kB RAM auf, kombiniert mit einem internen Festwertspeicher (ROM), welcher einen unveränderlichen Bootloader beinhaltet. Wie sein Vorgänger ESP8266 besitzen die meisten Modelle aus der Familie ESP32 keinen internen Flash-Speicher für die anwendungsspezifische Firmware. Die Firmware ist dann in einem externen, seriellen Flash-Speicher abgelegt welcher über dezidierte Anschlusspins an den Prozessor angeschlossen wird.
Die ESP32-Familie weist diverse Peripherieschnittstellen auf, unter anderem stehen mehrere UARTs, SPI-, CAN- und I²C-Schnittstellen, ein integriertes Wireless Local Area Network (WLAN nach IEEE 802.11 b/g/n) welches auch Bluetooth unterstützt, und eine Ethernet-Schnittstelle über das Media Independent Interface (MII) zur Verfügung. Als analoge Schnittstellen sind Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer für die Verarbeitung analoger Signale und eingebaute Sensoren wie einen integrierter Hall-Sensor zur Messung der magnetischen Flussdichte vorgesehen. Intern besitzt der ESP32 eine kryptografische Einheit zur hardwareunterstützten Beschleunigung von Verschlüsselungsverfahren wie dem Advanced Encryption Standard (AES) und einen Koprozessor mit niedrigem Stromverbrauch welcher neben einer Echtzeituhr auch die Abfrage von Sensordaten im Bereitschaftsbetrieb erlaubt.
Die Prozessoren sind in dem Chipgehäuse Quad Flat No Leads Package (QFN) mit 48 Pins untergebracht (Größe: 6 mm × 6 mm) und werden im Handel meist auf kleinen Modulen unter Bezeichnungen wie ESP-WROOM vertrieben. Diese halbfertigen Leiterplattenmodule umfassen neben den Prozessor und einem seriellen Flash-Speicher für die Firmware auch die WLAN-Antenne und eine Stromversorgung und erlauben so einfache Anwendungen, beispielsweise im Rahmen der Hobbyelektronik. Für die Softwareentwicklung steht ein Software Development Kit (SDK) von der Herstellerfirma unter MIT-Lizenz zur Verfügung, weiters verschiedene Entwicklungsplattformen wie Arduino, MicroPython oder LUA RTOS.

nach WIKIPAEDIA

Expressiv 32

Links zu ESP32-Seiten:

6 Calliope history menue scroll up

Der kleine Minicomputer lässt sich einfach programmieren, probier‘ es doch mal aus! Auf unserer Website erfährst du, wie du erste Schritte mit dem Calliope mini unternimmst. Es gibt verschieden Möglichkeiten, den Calliope mini zu programmieren, dazu stellen wir die unsere Editoren vor. Du kannst dir anschauen, welche Projekte du mit dem mini basteln kannst und gelangst zum Forum, falls du mal eine Frage hast. Schau dich in Ruhe um, viel Spaß!

CALLIOPE-Mini 

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7. Verwandte Themen ... history menue scroll up

 

Logikfunktionen und technologische Fertigungsverfahren

logische Arrays

Transistoren

Integrierte Schaltkreise

Kombinatorik

INTEL 404

... und so funktioniert ein Computer

Mikroprozessorgeschichte

Prozessoraufbau

Z80

Mikrocontrollertechnik

Automatisierungstechnik

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Logikschaltungen - der Entwurf

Bool'sches Aussagenkalkül

Das Kombinatorik-Projekt

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Logische Grundschaltungen

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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost am 14. September 2014 um 18.09 Uhr

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist