Einplatinen-Computer

LC80 vom Kombinat Mikroelektronik Erfurt

PandaBoard – moderner Einplatinenrechner seit 2010 für den Heimbereich

Einplatinenrechner und Einplatinen-Computer sind Bezeichnungen für ein Computersystem, bei dem sämtliche zum Betrieb nötigen elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte zusammengefasst sind. Einplatinen-Computer werden vorwiegend in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR) eingesetzt. Sie können dort in vielen Bereichen festverdrahtete Steuerungen vorteilhaft ersetzen, da Änderungen der Steuerungsabläufe in den meisten Fällen durch einfachen Austausch des Programms realisiert werden können. Gleichzeitig sind sie wesentlich billiger als speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und können daher wirtschaftlich in Bereichen eingesetzt werden, für die eine große SPS völlig überdimensioniert wäre.

Im Verbraucherbereich wären das Beagle Board und das PandaBoard zu nennen, für den Betrieb zumeist von Linux im Heimbereich.

Aufbau

Ein Einplatinen-Computer besteht mindestens aus dem eigentlichen Prozessor, einem Taktgenerator, einer Reset-Logik, einem Festspeicher (ROM) für das Programm und Ein- bzw. Ausgabebaugruppen. Mit dieser Ausstattung lassen sich bereits einfache Ablaufsteuerungen realisieren. Für komplexere Aufgaben werden weitere Komponenten erforderlich, vornehmlich RAM, um Zwischenergebnisse ablegen oder Unterprogramme ausführen zu können, und EEPROM- und/oder Flash-Speicher für veränderliche Parameter, die einen Stromausfall überstehen müssen.

Sehr häufig werden Einplatinen-Computer mit Überwachungsschaltungen (Brown Out Detection, Watchdog) versehen, die den Rechner im Falle eines unerwarteten Fehlers im Programm oder in der Stromversorgung in einen definierten Ausgangszustand zurücksetzen.

Weiterhin können Einplatinen-Computer mit Analog-Digital-Wandlern, Zählerbausteinen und anderen speziellen Schaltungen an die jeweilige Anwendung angepasst werden.

Geschichte

Der KIM-1

Einplatinen-Computer kamen Ende der 1970er Jahre mit der zunehmenden Verbreitung von Mikroprozessoren auf den Markt. Sie deckten zunächst den Bedarf an preiswerten Entwicklungssystemen ab, waren aber von Beginn an auch dafür konzipiert, in Produktivumgebungen eingesetzt zu werden.

Einer der ersten Selbstbau-Computer wurde vom Elektor-Verlag 1977 auf der Basis des SC/MP von National Semiconductor veröffentlicht. 1981 wurde in Deutschland ein weiteres Selbstbauprojekt von der Fachzeitschrift mc vorgestellt. Es verwendete einen 6504-Prozessor. Schon kurz danach kamen auch Entwürfe mit 6502- und Z80-Prozessoren auf den Markt. Im Dezember 1986 wurde von mc ein BASIC-EMUF veröffentlicht. Im Laufe der Zeit sind weitere Einplatinen-Computer entwickelt und vorgestellt worden, so z. B. EPAC und CEPAC auf Basis unterschiedlicher Prozessoren (u. a. 680x0) von der Fachzeitschrift c’t.

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Mikrocontroller, die neben dem eigentlichen Prozessorkern immer mehr Funktionen in einem Chip vereinigten, erweiterte sich auch das Anwendungsspektrum stürmisch. Heute stecken die Abkömmlinge der Einplatinen-Computer in Waschmaschinen, Automatikgetrieben, Fernbedienungen, Heizungssteuerungen und unzähligen anderen Geräten des täglichen und industriellen Bedarfs. Dabei entwickelten sich die kleinen Rechner sowohl zu immer größerer Leistungsfähigkeit, auch mit 16-Bit- und 32-Bit-Prozessoren, als auch in Richtung winziger Minimalsysteme mit nur wenigen, einfachen Funktionen (BASIC-Briefmarke).

Varianten

Sehr viele Heimcomputer sind prinzipiell ebenfalls Einplatinen-Computer, erweitert durch Tastatur und weitere Bedienungselemente und Anschlüsse für Peripheriegeräte. Sie ähneln daher äußerlich und vom Einsatzgebiet eher Personal Computern.

6502-Einplatinenrechner

MOS 6502-Prozessor

In der frühen Computerentwicklung waren diese Einplatinenrechner sehr verbreitet. So zum Beispiel die Modelle Apple I, KIM-1 und AIM-65, alle auf Basis des 6502-Mikroprozessors. Dieses gilt auch für die Commodore-Typen PET 2001, VC 20 (US-Version: VIC 20), C64 und den C128. Ein Bausatz auf Basis der 6502-CPU wurde im Mai 1980 vom Elektor-Verlag als Junior-Computer vorgestellt und entwickelte sich mit mehreren tausend Exemplaren in Europa zu einem beliebten Selbstbaucomputer. Entwickelt wurde der Junior-Computer bei Elektor von Loys Nachtmann, der später als Redakteur zur Zeitschrift Chip wechselte.

SC/MP-Einplatinenrechner

Einer der ersten Selbstbau-Computer wurde vom Elektor-Verlag im Juni 1977 (G 3078EX) auf der Basis des SC/MP (Typ I) veröffentlicht. Ein weiterer Bausatz wurde seitens des Elektronikherstellers und Lehrmaterialanbieters Christiani-Verlag aus Konstanz als SC/MP-Lehrcomputer 1978 auf den Markt gebracht.

Z80-Einplatinenrechner

Microprofessor I

Als einer der ersten in Deutschland verfügbaren Einplatinenrechner kam 1977 der NASCOM 1 auf Basis der Z80-CPU auf den Markt. Auch die ersten Computer des englischen Herstellers Sinclair Research, der Sinclair ZX80 und der ZX81 sowie die ZX Spectrum-Serie, waren Einplatinenrechner. Auf der Basis von Z80-kompatiblen CPUs wurden weitere Einplatinencomputer (sog. SBC) realisiert, so u. a. der NDR-Klein-Computer aus dem Jahre 1984, sowie der EURO-Z80 (ELEKTOR-Verlag) aus dem Jahre 1989. Auch der Z80-EMUF (Einplatinen-Mikrocomputer für universelle Festwertprogramm-Anwendung) ist ein verbreiteter Einplatinentyp im Selbstbau gewesen. Da Zilogs Z80 Prozessor auch heute noch verfügbar ist, werden aktuell wieder neue Systeme mit Taktraten von 20 MHz entwickelt.

Heutige Einplatinenrechner

Ältere 8-Bit-Einplatinencomputer, z. B. Siemens ECB-85 (mit Intel 8085 Prozessor), Intels System-Development-Kit SDK-51 (mit Intel MCS-51 Microcontroller) und weitere wurden als Einplatinensysteme aufgebaut und zu Mess-Steuer-Regel-Zwecken (MSR) wie beim EURO-Z80 eingesetzt. Heute werden Einplatinenrechner mit speziellen Mikrocontrollern bestückt und decken den unterschiedlichen Bedarf für Industrie-, Automobil- und Militärzwecke ab. Die Embedded-Controller stellen eine Erweiterung dar, da sie auf dem eigentlichen Chip außer der CPU weitere Funktionen (Digitale I/O-Kanäle und A/D-Wandler, usw.) integriert haben.

Siehe auch

• Hauptplatine
• Kleincomputer
• Embedded-PC

Weblinks

 Commons: Single-board computers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Virtuelles Computermuseum
• Elektronik und Mikrocontroller