Durante años, las computadoras de placa única han estado estrechamente vinculadas a las placas madre. Realizaban tareas similares y ambas se esforzaban por alcanzar velocidades más rápidas, generar mejores gráficos y ofrecer más memoria. Con la llegada de las SBC para aficionados, como la Raspberry Pi 3, que lleva a cabo tareas básicas de forma aceptable y requiere una inversión financiera mucho menor, observamos una división en las computadoras de placa única. Algunas, como la Pi y la BeagleBone, tienen por objetivo lograr una amplia aceptación y un punto de precio razonable. Otras, como la Jetson de NVIDIA y la Joule 570x de Intel, aún están desafiando los límites de capacidad de las SBC.
Conceptos básicos de la arquitectura
Esta cuestión data desde hace tiempo: RISC versus CISC. Las personas tienden a tomar una posición al respecto según sus experiencias con computadoras de escritorio y teléfonos u otras interacciones generales con los dispositivos basados en estas arquitecturas. Sin embargo, el mercado de las SBC les ha ofrecido a las personas una visión más profunda acerca de las diferencias y los beneficios.
La CPU (unidad central de procesamiento) de un dispositivo, ya sea RISC o CISC, usa un código especial llamado “instrucciones” para controlar el hardware circundante. Estas instrucciones conforman el código de montaje, que es una de las capas finales de abstracción del código binario en sí mismo y es extremadamente detallado aunque, de algún modo, legible para el ser humano.
Figura 1. Código de montaje de A64, similar al que se ejecutaría en la Raspberry Pi.
RISC significa “sistemas de computación con un conjunto de instrucciones reducido”, mientras que CISC equivale a “sistemas de computación con un conjunto de instrucciones complejo”. Las instrucciones RISC, tal como se muestra arriba, son lo suficientemente sencillas como para ser consideradas ejecutables en un único ciclo de reloj. Aquí se incluyen instrucciones básicas como ADD, SUB (sustraer), MOV (mover) y BIC (operación Bit Clear bit a bit). El código RISC se ve más extenso porque cada operación debe realizarse en múltiples pasos sencillos, pero es una representación unívoca más detallada de la manera en que el procesador interpreta el código. CISC permite operaciones más complejas, como IMUL (multiplicación con signo) y MOVS (mover datos de una cadena a otra), que no pueden completarse en un único ciclo de reloj y se necesitarían varias líneas de código en el montaje RISC.
El análisis detallado de estas dos arquitecturas ha sido tema de libros completos. Para nuestros fines, los puntos importantes son que los programas CISC son más breves y, por lo tanto, requieren menos RAM. No obstante, los programas RISC permiten velocidades más altas de reloj porque las instrucciones más complejas limitan la velocidad máxima de reloj de una CPU. Las primeras computadoras se crearon casi de manera exclusiva usando CISC, pero a medida que disminuyeron los precios de la memoria RAM, RISC se convirtió en la arquitectura más habitual. Tradicionalmente, ARM ha usado RISC debido a los posibles ahorros de energía y, por lo tanto, los núcleos ARM son eficientes a nivel general y se usan a menudo en diseños móviles o integrados. Intel es la empresa más importante que aún emplea CISC y utiliza las instrucciones complejas a su favor en servidores y computadoras de alta gama que no necesitan conservar la vida útil de la batería ni preocuparse demasiado por la temperatura.
Implicancias para las computadoras de placa única
Cuando se trata de comprar una computadora de placa única, las consideraciones se resumen a algo más que solo una cuestión de preferencia. Los procesadores integrados (casi siempre RISC) dominan el campo de las SBC para aficionados debido a su eficiencia y velocidad. La Dragonboard410c se basa en el procesador Snapdragon410c de Qualcomm, el cual se encuentra en muchos teléfonos celulares.
Placas como esta revelan el rendimiento más alto posible del núcleo para permitir la mejor experiencia de desarrollo y experimentación. Estas placas pueden ejecutar Android al igual que un teléfono, aunque admiten un monitor HDMI de 1080 y mouse y teclado USB como una computadora de escritorio estándar, lo que elimina la necesidad de que los desarrolladores alternen entre entornos virtuales. Por desgracia, estas placas no necesariamente mitigan cualquiera de las desventajas de un procesador integrado. Los procesadores móviles, como el Snapdragon 410, usan puertos GPIO de 1,8 V y esto puede ser difícil de integrar con sensores u otro hardware. También es posible que los desarrolladores se encuentren con las limitaciones de velocidad o memoria inherentes del núcleo si intentan usar la placa como una computadora de escritorio.
Sin embargo, una placa como la Joule 570x de Intel está diseñada con un principio de reducción en lugar de ampliación. Intel aún es una marca importante en cuanto a placas madre y sistemas de computación de alto rendimiento, por lo que su desafío consiste en reducir un núcleo CISC completo para que pueda ser usado en una SBC. Los procesadores como Intel Pentium pueden consumir más de 20 vatios con cargas altas y esto requiere una administración térmica mucho más eficaz de lo que puede esperarse con una computadora de placa única.
Por lo tanto, el procesador Atom que se encuentra en la nueva SBC Joule es el resultado de los esfuerzos por comprimir tanta potencia de procesamiento como sea posible en un núcleo que es adecuado para aplicaciones con un consumo de energía más bajo. La familia Atom usa la arquitectura x86, que a nivel técnico es una arquitectura CISC que emplea RISC en algunos aspectos y, en verdad, es más un híbrido que estrictamente una CISC. Sin dudas, puede procesar instrucciones complejas, pero usa una operación secundaria para regular estas instrucciones a fin de reducir el impacto de las instrucciones extensas en el rendimiento.
Los resultados de intentar realizar el mismo proyecto usando un núcleo con características ampliadas o reducidas puede ser notablemente difícil. Si necesita una potencia de cálculo mínima y un factor de forma pequeño, la Raspberry Pi es un excelente lugar para comenzar y las placas más costosas quizás sean demasiado. Cuando piensa en proyectos como granjas de servidores, centros de medios o incluso equipos para videojuegos, puede ser muy difícil lograr implementarlos en placas integradas basadas en procesadores. No cuentan con velocidad y rendimiento, y tal vez se vea forzado a usar programas que no conoce debido a las limitaciones del sistema operativo. Las placas basadas en CISC tienden a funcionar de manera mucho más similar que una computadora de escritorio en lo que respecta a rendimiento y disponibilidad de programas habituales, ya que las arquitecturas x86 y x64 se emplean en la mayoría de las computadoras comerciales. Elegir la placa adecuada para su aplicación marcará la diferencia entre crear un sistema potente con rendimiento adicional e intentar jugar StarCraft en una configuración que tiene el mismo procesador que su teléfono.
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