Kan en fullvärdig Linuxkärna köras på en dator med bara 16 MB arbetsminne? YuzukiNeko visar att svaret är ja. Den lilla enkortsdatorn bygger på en 64-bitars RISC-V-processor och är ungefär lika stor som en Raspberry Pi Pico.
När vi i dag tänker på en Linuxdator föreställer vi oss kanske en vanlig PC eller en Raspberry Pi med flera gigabyte arbetsminne. Men Linux behöver inte alls kräva så kraftfull hårdvara.
Det lilla utvecklingskortet YuzukiNeko visar hur långt åt andra hållet man kan gå.
Kortet mäter bara omkring 51 × 21 millimeter. Trots det finns här en 64-bitars processor som arbetar med omkring 1 GHz, anslutning för minneskort och bildskärmar – och möjlighet att starta Linux.
Det placerar YuzukiNeko i ett spännande gränsland mellan en mikrokontroller och en traditionell enkortsdator.
RISC-V är processorns språk
I centrum sitter systemkretsen Allwinner F101. Den innehåller en T-Head XuanTie C907, en 64-bitars processorkärna som använder processorarkitekturen RISC-V.
RISC-V kan enklast beskrivas som regelboken som bestämmer vilka instruktioner en processor förstår.
Intel- och AMD-datorer använder huvudsakligen x86-arkitekturen, medan mobiltelefoner och många enkortsdatorer använder ARM. RISC-V är ett yngre alternativ med en viktig skillnad: instruktionsarkitekturen är öppen och kan användas utan samma typ av licensmodell som flera etablerade processorarkitekturer.
Det har gjort RISC-V allt mer intressant för allt från små mikrokontroller till betydligt kraftfullare datorer.
Processorn i YuzukiNeko kan köras i upp till cirka 1,008 GHz. Det är inte särskilt imponerande jämfört med en modern PC, men för den typ av arbetsuppgifter kortet är konstruerat för kan det vara fullt tillräckligt.
Linux med bara 16 MB RAM
Den kanske mest fascinerande siffran är inte processorns klockfrekvens utan mängden arbetsminne.
YuzukiNeko har 8 eller 16 MB PSRAM.
Inte gigabyte – megabyte.
En modern dator med 16 GB RAM har alltså ungefär tusen gånger mer arbetsminne än 16 MB-versionen av YuzukiNeko.
Att försöka starta ett modernt skrivbord med exempelvis KDE Plasma eller GNOME på YuzukiNeko vore därför helt orealistiskt. En modern webbläsare kan ensam använda hundratals megabyte eller flera gigabyte minne.
Men Linux är inte samma sak som ett grafiskt skrivbord.
Själva operativsystemet kan byggas mycket mindre.
Man tar bara med det som behövs
YuzukiNeko har demonstrerats med Linux 7.2 och Buildroot.
Buildroot är ett verktyg för att skapa små Linuxsystem för inbyggda datorer. I stället för att installera en stor Linuxdistribution med tusentals program och bibliotek bygger man ett system som bara innehåller de delar som apparaten faktiskt behöver.
Om datorn exempelvis ska styra en display behöver den inte LibreOffice, en webbläsare och hundratals andra program.
Den behöver Linuxkärnan, rätt drivrutiner, ett litet grundsystem och programmet som utför själva uppgiften.
Det är lite som att packa inför en resa med en mycket liten väska. Man kan inte ta med hela garderoben – men om man vet exakt vad man ska göra kan man ta med precis det som behövs.
Det är så Linux kan fungera även med mycket små resurser.
Mer dator än mikrokontroller
Utseendet gör det naturligt att jämföra YuzukiNeko med Raspberry Pi Pico, men under ytan är skillnaderna stora.
Raspberry Pi Pico är ett mikrokontrollerkort. Sådana kort är utmärkta för att exempelvis läsa sensorer, styra motorer, blinka lysdioder och reagera snabbt på elektriska signaler.
YuzukiNeko befinner sig närmare en traditionell dator.
Med Linux får utvecklaren bland annat filsystem, processer, Unixverktyg och en stor mängd existerande programvara och bibliotek.
Det betyder inte att Linux alltid är bättre. En mikrokontroller kan starta nästan omedelbart, använda mycket lite energi och ge mycket exakt kontroll över hårdvaran.
Det handlar snarare om två olika verktyg.
YuzukiNeko är intressant när man vill ha den lilla datorns format men samtidigt behöver funktioner från ett riktigt operativsystem.
Gjord för att prata med bildskärmar
Allwinner F101 avslöjar också vilken sorts produkter kretsen kan vara tänkt för.
Den har ovanligt omfattande stöd för bildskärmar för att vara en så liten och billig krets.
Här finns bland annat MIPI DSI, LVDS och RGB888. MIPI DSI kan driva bildskärmar med upp till 1280 × 800 pixlar vid 60 Hz, medan LVDS kan nå 1366 × 768 vid 60 Hz.
Det finns även en enklare G2D-grafikaccelerator.
Det gör kretsen intressant för sådant som kontrollpaneler, informationsskärmar, mätinstrument och små terminaler.
Tänk exempelvis på displayen på en maskin, ett passagesystem eller en liten informationspanel. Där behövs inte prestandan hos en vanlig PC, men det kan ändå vara praktiskt att ha Linux under skalet.
Ett helt system på några kvadratcentimeter
Kortet har dessutom stöd för microSD, så lagringsutrymmet behöver inte begränsas av den inbyggda flashkretsen.
Den inbyggda SPI NOR-flashen är på 128 Mbit, alltså 16 MB.
USB-C används både för anslutning och strömförsörjning, och runt kortets kanter finns två rader med 20 anslutningar som kan användas för kommunikation med annan elektronik.
Systemkretsen erbjuder dessutom gränssnitt som SPI, UART, I²C, SDIO och I²S/PCM samt en inbyggd ljud-DAC.
Resultatet är en förvånansvärt komplett liten dator.
Linux är inte det enda alternativet
YuzukiNeko kan även användas med Zephyr.
Zephyr är ett realtidsoperativsystem som framför allt riktar sig mot inbyggda system. Det är betydligt mindre än Linux och lämpar sig för situationer där förutsägbara svarstider och nära kontroll över hårdvaran är viktigare än funktionerna hos ett större operativsystem.
Samma hårdvara kan alltså användas på två ganska olika sätt.
Det gör också YuzukiNeko intressant som experimentplattform för den som vill studera skillnaderna mellan Linux och ett realtidsoperativsystem.
Hårdvaran går att studera
YuzukiNeko är dessutom ett open source-projekt.
Konstruktionsmaterial som kretsschema, kortlayout, Gerber-filer, 3D-modell och komponentlista har publicerats.
Det är betydelsefullt eftersom kortet då inte behöver vara en svart låda. Den tekniskt intresserade kan studera hur datorn är konstruerad och i princip använda konstruktionen som utgångspunkt för egna projekt.
Hur billig kan en Linuxdator bli?
Allwinner F101 är också intressant ur ett ekonomiskt perspektiv.
Enligt CNX Software har själva systemkretsen uppgetts kosta omkring 18 kinesiska yuan, motsvarande ungefär 2,70 amerikanska dollar.
Det betyder inte att YuzukiNeko går att köpa för det priset. Ett färdigt kort behöver minne, kretskort, kontakter, spänningsreglering och andra komponenter.
YuzukiNeko var dessutom inte en vanlig kommersiellt tillgänglig produkt när projektet presenterades.
Men det låga priset på processorn visar hur billiga 64-bitars RISC-V-system börjar bli.
En glimt av en annan sorts Linuxdator
YuzukiNeko kommer knappast att ersätta en vanlig Raspberry Pi.
Det är heller inte särskilt intressant att fråga om den kan användas som vanlig skrivbordsdator. Med maximalt 16 MB RAM är svaret i praktiken nej.
Det intressanta är i stället att Linux kan pressas ned till en dator som nästan har samma fysiska format som ett mikrokontrollerkort.
En sådan dator behöver inte ha ett skrivbord, tangentbord eller ens en traditionell bildskärm. Den kan sitta dold bakom en liten kontrollpanel och ägna hela sitt liv åt en enda uppgift.
Det är också där RISC-V kan få en stor roll.
När processorer blir billigare och mindre samtidigt som Linuxstödet förbättras öppnas ett område mellan den enkla mikrokontrollern och den betydligt kraftfullare enkortsdatorn.
YuzukiNeko är ett litet kort, men det illustrerar en betydligt större utveckling: Linux och RISC-V är på väg in i allt mindre och billigare datorer.
