Seit Jahren hängen Einplatinenrechner eng mit Mutterplatinen zusammen. Sie führten ähnliche Aufgaben aus und bei beiden ging es um eine höhere Geschwindigkeit, bessere Grafik und besseren Speicher. Mit dem Aufkommen von Hobby-SBCs wie dem Raspberry Pi 3, die grundlegende Aufgaben akzeptabel ausführen können und schon für wenig Geld zu haben sind, entsteht eine Kluft bei Einplatinenrechnern. Einige, wie der Pi und BeagleBone, zielen auf ein breites Publikum und einen vernünftigen Preis ab. Andere, wie der NVIDIA Jetson und der Intel Joule 570x, erweitern die Leistungsgrenze für SBCs immer noch.
Grundlagen der Architektur
Die Frage besteht seit ewigen Zeiten – RISC oder CISC. Nutzer neigen dazu, sich für eine dieser Architekturen zu entscheiden, basierend auf Erlebnissen mit Desktop-Computern und Handys oder anderen High-Level-Interaktionen mit Geräten, die auf diesen Architekturen basieren. Doch der SBC-Markt gibt den Nutzern einen tieferen Einblick in die Unterschiede und Vorteile.
Die CPU (Central Processing Unit, zentrale Verarbeitungseinheit) eines Geräts, ob RISC oder CISC, nutzt speziellen Code, sogenannte „Anweisungen“, mit denen die umgebende Hardware gesteuert wird. Diese Anweisungen ergeben Assembly-Code, eine der letzten Abstraktionsebenen zwischen dem eigentlichen Binärcode und extrem granularem, jedoch von Menschen noch lesbarem Code.
Abbildung 1. A64-Assembly-Code, wie er auf dem Raspberry Pi ausgeführt wird.
RISC steht für „Reduced Instruction Set Computing“ (EDV mit reduziertem Anweisungssatz), und CISC steht für „Complex Instruction Set Computing“ (EDV mit komplexem Anweisungssatz). RISC-Anweisungen, wie die zuvor gezeigten, sind einfach genug, um innerhalb eines einzelnen Taktzyklus ausgeführt zu werden. Darunter fallen simple Anweisungen wie ADD (Addieren), SUB (Subtrahieren), MOV (Verschieben) und BIC (bitweises Löschen von Bits). RISC-Code sieht länger aus, da jede Operation in mehreren, einfachen Schritten erfolgen muss, doch der Code ist eine genauere 1-zu-1-Darstellung dessen, wie der Prozessor den Code interpretiert. CISC ermöglicht komplexere Operationen wie IMUL (vorzeichenbehaftetes Multiplizieren) und MOVS (Daten von Zeichenkette zu Zeichenkette verschieben), die nicht in einem einzelnen Taktzyklus abgeschlossen werden können und in RISC-Assembly mehrere Zeilen Code erfordern würden.
Mit der detaillierten Besprechung dieser beiden Architekturen wurden ganze Bücher gefüllt. Für unsere Zwecke ist wichtig, dass CISC-Programme kürzer sind und daher weniger RAM benötigen, während RISC-Programme höhere Taktfrequenzen ermöglichen, denn komplexere Anweisungen begrenzen die maximale Taktfrequenz einer CPU. Früher wurden Computer fast vollständig mit CISC erstellt, doch als RAM immer günstiger wurde, wurde RISC die verbreitetere Architektur. ARM verwendet wegen der potenziellen Energieeinsparungen traditionell RISC, was dazu führt, dass ARM-Kerne meist effizient arbeiten und daher häufig bei eingebetteten oder mobilen Designs zum Einsatz kommen. Intel ist das bekannteste Unternehmen, das noch auf CISC setzt, und dort werden die komplexen Anweisungen vorteilhaft für leistungsstarke Computer und Server genutzt, bei denen es nicht so sehr auf die Akkuleistung oder Hitzeentwicklung ankommt.
Folgen für Einplatinenrechner
Wenn es um den Kauf eines Einplatinenrechners geht, geht es bei den Überlegungen um mehr als nur um Vorlieben. Eingebettete Prozessoren (fast immer RISC) dominieren den Hobby-SBC-Bereich wegen ihrer Effizienz und Geschwindigkeit. Der Dragonboard410c basiert auf dem Qualcomm Snapdragon410c, der in vielen Handys zu finden ist.
Platinen wie diese bieten die höchstmögliche Leistung des Kerns, was für die beste Nutzung zu Entwicklungs- und Experimentierzwecken sorgt. Diese Platinen können wie ein Handy Android ausführen, dabei aber eine 1080p-HDMI-Anzeige nutzen und Eingaben per USB-Tastatur/‑Maus entgegennehmen wie ein Desktop-Computer. So müssen Entwickler nicht zwischen virtuellen Umgebungen wechseln. Leider umgehen diese Platinen nicht zwangsläufig die Nachteile eines eingebetteten Prozessors. Mobile Prozessoren wie der Snapdragon 410 nutzen 1,8-V-GPIO, was zu Schwierigkeiten bei der Integration von Sensoren oder sonstiger Hardware führen kann. Entwickler können auch auf inhärente Speicher- oder Geschwindigkeitsbeschränkungen des Kerns treffen, wenn der SBC als normaler Desktop-Computer eingesetzt werden soll.
Eine Platine wie die Intel Joule 570x ist hingegen herunter- statt heraufskaliert. Intel spielt bei Mutterplatinen und Hochleistungsrechnern immer noch eine große Rolle. Die Herausforderung besteht für Intel also darin, einen vollen CISC-Kern für die Nutzung in einem SBC anzupassen. Prozessoren wie der Intel Pentium können bei hoher Auslastung 20 Watt und mehr verbrauchen, was viel mehr Wärmemanagement erfordert, als von einem Einplatinenrechner erwartet werden kann.
Daher ist der Atom-Prozessor, der bei den neuen Joule-SBCs zum Einsatz kommt, das Ergebnis der Bemühungen, so viel Rechenleistung wie möglich in einen Kern zu stecken, der für Anwendungen mit geringerem Energieverbrauch geeignet ist. Die Atom-Familie nutzt die x86-Architektur, technisch also eine CISC-Architektur, die in einigen Punkten RISC ähnelt und eigentlich eher ein Hybrid als eine strikte CISC-Umsetzung ist. Sie kommt problemlos mit komplexen Anweisungen zurecht, nutzt aber eine sekundäre Operation, um diese Anweisungen zu regulieren und so die Auswirkungen langer Anweisungen auf den Durchsatz zu verringern.
Wenn man das gleiche Projekt basierend auf einem hoch- oder herunterskalierten Kern ausprobiert, können sich die Ergebnisse gravierend unterscheiden. Wenn Sie minimale Rechenleistung und einen kleinen Formfaktor benötigen, ist der Raspberry Pi ein guter Einstieg, und die teureren Platinen wären vermutlich zu viel des Guten. Wenn Sie an Projekte wie Serverfarmen, Mediacenter oder auch Gaming-Computer denken, lassen diese sich meist nur sehr schwer auf Platinen realisieren, die auf eingebetteten Prozessoren basieren. Da fehlt es einfach an Geschwindigkeit und Leistung, und wegen der Einschränkungen des Betriebssystems könnten Sie sich gezwungen sehen, Programme zu nutzen, mit denen Sie nicht vertraut sind. CISC-basierte Platinen fühlen sich da schon viel eher wie ein ordentlicher Desktop-Computer an, was die Leistung und Verfügbarkeit häufig genutzter Programme angeht, denn x86-64 kommt bei den meisten kommerziellen Computern zum Einsatz. Die Auswahl der richtigen Platine für Ihren Anwendungszweck macht also den Unterschied, ob Sie ein leistungsstarkes System schaffen, das bei der Leistung noch Luft nach oben hat, oder ob Sie versuchen, StarCraft auf einem System zu spielen, das den gleichen Prozessor hat wie Ihr Handy.
Wenn Sie weitere Informationen brauchen, abonnieren Sie unseren Newsletter. Darin finden Sie aktuelle Neuigkeiten.