Development Boards: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

In den letzten Jahren ist die Bedeutung des Begriffs „Development Board“ in den unzähligen Bezeichnungen untergegangen, die für Hardware-Boards zu Entwicklungszwecken verwendet werden, wie beispielsweise „Demo-Boards“, „Evaluierungskits“ und „Referenzdesigns“. In diesem Artikel erklären wir die Bedeutung des Begriffs „Development Board“ und zeigen, wie sie sich von ihrem nahen Verwandten, dem Single Board Computer (SBC), unterscheiden. Wir beschreiben ihre Entwicklung von der Vergangenheit bis zur Gegenwart und untersuchen einige Trends, wie sie sich in Zukunft weiterentwickeln könnten.

 
Zu Beginn müssen wir klar definieren, was unter einem Development Board zu verstehen ist und wie es sich von einem Single Board Computer (SBC) unterscheidet. Ein Development Board wird in der Regel vom Hersteller eines Mikrocontrollers entwickelt, um dessen Funktionen zu präsentieren (obwohl der Begriff inzwischen auch häufig für andere Arten von Komponenten verwendet wird). Ein Mikrocontroller ist ein integrierter Schaltkreis, der einen Prozessor, etwas RAM und einen Flash-Speicher enthält und über E/A-Funktionen verfügt, mit denen er mit der realen Welt interagieren kann. Er arbeitet im Grunde wie ein Mini-Computer in einem einzigen Gehäuse und soll Entwicklern eine bequeme Möglichkeit zur Steuerung von externen Komponenten wie Lichtern, kleinen Motoren und so weiter an die Hand geben. Ein SBC bietet ebenfalls diese Funktionalität, mit dem wesentlichen Unterschied, dass die CPU, der Arbeitsspeicher und der Speicher jeweils in separaten ICs auf der Platine untergebracht sind und über Schnittstellen mit einer Tastatur und/oder einem Display verbunden werden können.

Der Mikroprozessor auf einem SBC benötigt ein Betriebssystem, während ein Mikrocontroller mit einer vom Hersteller bereitgestellten integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) verwaltet wird. In vielen Fällen stellen die Hersteller inzwischen Development Boards her, die zwar einen Mikrocontroller enthalten, deren Hauptzweck aber nicht darin besteht, die Funktionen des Mikrocontrollers selbst zu demonstrieren, sondern die der Sensoren oder anderer integrierter Schaltungen, mit denen er verbunden ist. Diese Boards werden als „Demo-Boards“, „Evaluierungskits“ oder – wenn sie so zusammengesetzt sind, dass die Teile einen konkreten Zweck erfüllen – als „Referenzdesigns“ bezeichnet.

Manche Boards dienen nicht in erster Linie der Hardwareentwicklung, sondern bieten Zugang zu den realen Daten, mit denen Softwareentwickler Algorithmen für Anwendungen in den Bereichen Künstliche Intelligenz und Machine Learning erstellen und weiterentwickeln können. Diese Boards entsprechen zwar nicht der ursprünglichen Definition und dem Zweck eines „Development Boards“, werden aber heute allgemein als jedes Stück Hardware verstanden, das für die Hard- und Softwareentwicklung neuer elektronischer Produkte verwendet werden kann.

Vergangenheit

Im Jahr 2006 kam das erste Development Board für Mikrocontroller auf den Markt, das die Aufmerksamkeit der Entwicklergemeinde auf sich zog. Diese Prototyping-Plattform, die später unter dem Namen Arduino (Bild 1) bekannt wurde, wurde schnell von vielen Elektronikentwicklern, darunter Enthusiasten, Bastler und Heimwerker, angenommen. Arduino legte den Grundstein für den kommerziellen Erfolg späterer SBCs und mikrocontrollerbasierter Plattformen und wurde im Jahr 2008 vom sogenannten BeagleBoard abgelöst, das den Entwicklern eine preisgünstige, von der Community unterstützte Open-Source-Entwicklungsplattform bot. Im Jahr 2012 kam mit dem Raspberry Pi der erste Einplatinencomputer auf den Markt. Wie das Beagleboard war auch er als Lernplattform konzipiert, mit der Schüler und Studenten kostengünstig lernen konnten, wie man Programmcode schreibt. Doch der Raspberry Pi begeisterte nicht nur Studenten, sondern wurde schnell von Hobbybastlern wie auch von professionellen Entwicklern angenommen.
 

Gegenwart

Heute gibt es zwei Hauptkategorien von SBCs: Proprietäre und Open-Source-SBCs. Proprietäre SBCs sind in der Regel für den Einsatz in Endanwendungen konzipiert und wurden den gleichen Tests und der gleichen Qualitätssicherung unterzogen wie andere Endprodukte. Sie werden entweder in elektronische Geräte integriert oder in einer Rackmount-Konfiguration installiert. Bei Open-Source-SBCs haben die Benutzer Zugriff auf das Hardware-Design und -Layout sowie auf den Quellcode, den sie verwenden. So können sie schnell und einfach lernen, wie Software und Hardware funktionieren, und das Design dann an ihre Anforderungen anpassen.

Development Boards und SBCs werden heute mit vielen verschiedenen Prozessortypen angeboten. Diese reichen von X86-basierten Prozessoren im traditionellen PC-Bereich (AMD und Intel) bis zu ARM-Prozessoren, die in industriellen und mobilen Anwendungen eingesetzt werden. Dabei kommen Linux und seine Derivate (Ubuntu, Fedora, Debian und so weiter), Android und Windows CE als Betriebssysteme auf SBCs am häufigsten zum Einsatz. Mikrocontroller-Development-Boards benötigen kein Betriebssystem und werden über eine vom Hersteller bereitgestellte IDE programmiert. Mittlerweile verfügen sowohl Mikrocontroller-Development-Boards als auch SBCs über drahtlose Konnektivität (WLAN, Bluetooth) und die neuesten Audio- und Videoschnittstellen. Somit bieten einige SBCs inzwischen Funktionen, die mit denen vieler PCs und Tablets vergleichbar sind.

Zukunft: Development Boards werden zum Endprodukt

In der Vergangenheit haben die Hersteller ihre Entwicklungstools mit der Absicht entwickelt, sie als Marketinghilfe zu nutzen, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, ihre Mikrocontroller an potenzielle Kunden zu verkaufen. Das wird in der Branche oft als „Design-in“ bezeichnet. Sie versprachen sich davon, dass durch die Minimierung des Arbeitsaufwands für die Entwickler, um ein Produkt im Labor zum Laufen zu bringen, und durch die Erleichterung des Zugriffs und der Analyse seiner Funktionen die Wahrscheinlichkeit steigen würde, dass sie sich bei der Entwicklung von Produktprototypen für ihren Mikrocontroller und die dazugehörigen Bauteile entscheiden. Dies sollte schließlich zu höheren Bestellmengen führen, wenn das entsprechende Bauelement für die Massenproduktion ausgewählt wurde. Dieser Ansatz ist bei Produkten sinnvoll, bei denen der Unterschied in den technischen Spezifikationen zwischen den Bauteilen verschiedener Anbieter vernachlässigbar ist. Für die Hersteller ist dieser Ansatz jedoch in gewisser Weise ein Opfer seines eigenen Erfolgs geworden. Sie haben erkannt, dass sie den Arbeitsaufwand für einen Entwickler, der sich mit ihren Produkten beschäftigt, noch weiter reduzieren müssen. Somit ist das Development Board zum wichtigsten Unterscheidungsmerkmal geworden, vor allem bei Produkten, die denen der Konkurrenz sehr ähnlich sind.

Die Erwartungen der Entwickler sind so gestiegen, dass sie selbst bei Bauteilen, die einen klar erkennbaren Wettbewerbsvorteil haben (etwa bei der Leistung oder der Geschwindigkeit), erwarten, dass die zugehörigen Development Boards Plug'n'Play-fähig sind.

Mit Referenzdesigns, die aus einem Mikrocontroller und anderen integrierten Schaltkreisen (in der Regel Sensoren) bestehen, haben die Hersteller ihr Leistungsangebot weiter verbessert. Ursprünglich sollten diese Referenzdesigns nur einen Leitfaden dafür bieten, wie die einzelnen Bauelemente miteinander verbunden werden können und damit die elektrische Funktionalität des Endprodukts nachbilden. Der Formfaktor, die Größe des Designs und die Einfachheit der Fertigung standen dabei im Hintergrund. Einige Hersteller sind jedoch mit ihren Referenzdesigns einen Schritt weiter gegangen und haben vollwertige Produktprototypen und sogar voll funktionsfähige Produkte entwickelt.

Die Referenzdesigns der Health Sensor Platform (HSP) von Maxim Integrated (jetzt Teil von Analog Devices) sind ein gutes Beispiel für diese Entwicklung. Die erste Version dieser Referenzdesigns war ein kleines Development Board mit einer Reihe von Sensoren (Temperatur, Druck, Beschleunigungsmesser, Biopotenzial et cetera), die für den Einsatz in Gesundheits- und Fitnessanwendungen geeignet waren und mit einem Mikrocontroller konfiguriert werden konnten. Die beiden Nachfolger, HSP2.0 und HSP3.0, hatten Formfaktoren. Sie konnten am Handgelenk getragen werden und sehen anderen auf dem Markt erhältlichen Wearables sehr ähnlich (Bild 2).
  Die Entwickler konnten dadurch die Funktionalität ihrer Sensoren in der Praxis testen. Ein wichtiger Vorteil dieser Designs war auch, dass Softwareentwickler freien Zugang zu den Sensormesswerten hatten (Informationen, die bei anderen Gesundheits- und Fitness-Wearables nicht so leicht zugänglich sind). Mit diesem Ansatz konnten Algorithmen für Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz entwickelt werden, die einen Mehrwert für die Anwendung darstellen.

Maxim wollte demonstrieren, dass seine Hardware einen einfachen Zugang zu den Daten ermöglicht, und hoffte, dass Produktentwickler einige (oder alle) der ICs in seiner Sensorlösung für den Einsatz in ihren Produkten auswählen würden. Dieser Ansatz ging so weit, dass Maxim das MAX HEALTH BAND (Armband) und den MAX ECG MONITOR (Brustgurt) entwickelte, die beide als voll funktionsfähige Gesundheits- und Fitness-Wearables konzipiert und produziert wurden. Sie waren zwar nicht für den direkten Verkauf an Verbraucher bestimmt, aber Unternehmen konnten gegen eine Lizenzgebühr einen Vertrag mit Maxim abschließen, um diese Produkte unter ihrem eigenen Label zu vermarkten.

Indem ein voll funktionsfähiges Produkt auf diesem Wege angeboten wird, bei dem die gesamte Entwicklungsarbeit bereits geleistet wurde, kann eine neue und breitere nicht-technische Kundenbasis angesprochen werden. Das Thingy:91 von Nordic Semiconductor ist ein weiteres Beispiel für eine Entwicklungsplattform, bei der die Hardware fast zur Nebensache geworden ist. Die Entwickler müssen die Software und die Algorithmen entwickeln, mit denen die eigentliche Leistungsfähigkeit der Hardware optimal ausgeschöpft werden kann (und die dadurch gleichzeitig zur offensichtlichen Wahl für die Verwendung in neuen Produktdesigns wird, die diese Algorithmen nutzen). Es ist davon auszugehen, dass dieser Ansatz in Zukunft von noch mehr Herstellern übernommen werden wird.

Vermehrter Einsatz von Development Boards in Industrieprodukten

Development Boards und SBCs werden immer häufiger für den Einsatz in kommerziellen Produkten angepasst. Doch ein weiterer Trend ist ihr Einsatz in Anwendungen mit geringerem, aber gleichzeitig höherwertigem Volumen: industrielle Endprodukte wie Speicherprogrammierbare Steuerungen, die strengeren Standards unterliegen als ihre kommerziellen Pendants (Bild 3).
 

Testboards für industrielle Anwendungen

Bei vielen der heutigen SBCs handelt es sich um vollständig verifizierte Designs, da die darin enthaltenen Teile ursprünglich für den Einsatz in Endprodukten entwickelt wurden und daher getestet und qualitätsgesichert sind. Hinzu kommt, dass Open-Source-Designs ständig von zahlreichen kompetenten Designern und Programmierern überprüft werden, die die Boards und die verwendete Software aktualisieren und bewerten.

Die Tests von SBC-Platinen werden jetzt von renommierten Design- und Fertigungsunternehmen durchgeführt. Dabei unterliegen sie den gleichen strengen Qualitätskontrollen wie alle anderen Endprodukte, sodass sie sogar eine CE- oder FCC-Zertifizierung erhalten können. Dieser Testablauf lässt sich leicht auf die Anforderungen von Industrieprodukten ausweiten.

Demgegenüber werden die von Herstellern oder Drittanbietern gelieferten Development Boards für Mikrocontroller, die zwar in der Regel für den Einsatz in kommerziellen Produkten geeignet sind, meist nicht denselben strengen Tests unterzogen, die für industrielle Produkte vorgeschrieben sind. Das bedeutet, dass die Hersteller sie gegenwärtig nicht für den sofortigen Einsatz (in ihrer jetzigen Form) in diesen Anwendungen empfehlen.

Auch wenn einige Boards mit Komponenten in Industriequalität bestückt sind, handelt es sich häufiger um kommerzielle Boards, die nur für den Betrieb bei Raumtemperatur ausgelegt sind. Prototypen von Development Boards werden in der Regel mehrere Tage oder Wochen lang bei Raumtemperatur getestet, wobei dies je nach Hersteller variiert, da es keine festen Standards gibt. Die primäre Qualitätsanforderung der Hersteller besteht darin, dass ihre Boards bei Raumtemperatur zuverlässig funktionieren. Daher sollten sich Käufer darüber im Klaren sein, dass es unwahrscheinlich ist, dass sie bei extremen Temperaturen oder Feuchtigkeit getestet wurden. Ebenso wenig werden sie üblicherweise daraufhin getestet, ob sie den Belastungen durch starke Vibrationen oder Stöße standhalten.

Daher besteht das Hauptziel bei der Auswahl eines Development Boards für den Einsatz in einer industriellen Anwendung darin, das Risiko zu reduzieren. Bei der Entscheidung für ein Board zur Verwendung in einer industriellen Anwendung müssen alle Komponenten des Boards die richtige Temperaturklasse besitzen. Zudem ist es sinnvoll, mehrere Boards gleichzeitig über mehrere Tage hinweg einem Stresstest bei hohen Temperaturen zu unterziehen. Wenn ein Development Board in einem Produkt eingesetzt werden soll, das hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, muss es unter vergleichbaren Bedingungen getestet werden. Gleichermaßen sollte ein Board, das für den Einsatz in einer Anwendung mit vielen Vibrationen vorgesehen ist, in einem Testrahmen montiert und auf Vibrationen getestet werden.

Fazit

Mit SBCs und Mikrocontroller-Development-Boards können kleine Unternehmen ihre Designs schnell auf den Markt bringen, ohne die Kosten für die Entwicklung neuer Hardware tragen zu müssen. Dadurch können sie sich auf Software-Innovationen und zunehmend auch auf die Entwicklung von Algorithmen für Machine Learning und Künstliche Intelligenz konzentrieren. Die Einsatzmöglichkeiten von SBCs und Development Boards gehen inzwischen weit über das hinaus, wofür sie ursprünglich gedacht waren, und sie haben die jüngste Geschichte der Elektronikindustrie nachhaltig beeinflusst. SBCs und Development Boards werden immer leistungsfähiger, intelligenter und reaktionsschneller und sind dabei sowohl für professionelle Entwickler als auch für Elektronikliebhaber gleichermaßen leicht zugänglich.