Preiswertes Prototyping Raspberry Pi als Steuerknecht, Kleinrechner, Gateway

Die dritte Generation des populären Kleincomputers.

Die dritte Generation des Raspberry Pi ist die neueste Entwicklungsstufe der populären Maker-Plattform. Der Zuwachs an Rechenleistung hält sich allerdings in Grenzen – viel interessanter ist beim Raspberry Pi das umfangreiche Hardware-/Software-Ökosystem.

Im Februar 2016 erschien mit dem Raspberry Pi 3 die dritte Generation des populären Kleincomputers. Zwar gibt es inzwischen wesentlich mehr Versionen des Raspberry Pi (siehe Tabelle), aber der eigentlich Boom begann mit dem Modell B. Dieses Board wurde zwar für Ende Februar 2012 angekündigt, doch die Raspberry Pi Foundation wurde vom eigenen Erfolg überrannt und die viel zu wenigen Exemplare waren sofort ausverkauft. Zusammen mit den Distributoren Farnell und RS Components fuhr die Foundation die Fertigung hoch, sodass ab Juni 2012 die Auslieferung der Boards in großen Stückzahlen beginnen konnte.

Der Erfolg des Raspberry Pi beruht u.a. darauf, dass man für den sagenhaften Preis von 35 Dollar einen voll einsatzbereiten Linux-Rechner bekommt. In der Praxis kostet das nackte Board inkl. Mehrwertsteuer im Einzelhandel zwischen 35 und 40 Euro. Zusätzlich benötigt man noch eine (Mikro-)SD-Speicherkarte als Massenspeicher, ein USB-Netzteil sowie sinnvollerweise ein Gehäuse. Auch mit diesen Teilen kostet ein Raspberry Pi noch weit unter 100 Euro. Tastatur, Bildschirm und Kabel dürften in den meisten computeraffinen Haushalten vorhanden sein.

Etwas seltsam mutet heute an, dass fast alle Raspis den Namenszusatz „Model B“ tragen. Anfangs gab es noch ein „Model A“ ohne Ethernet-Buchse und mit nur einem USB-Anschluss, das jedoch keine Marktbedeutung erlangte. Ebenso folgte zwischendurch noch ein „Model A+“, das aber angesichts abweichender Board-Abmessungen in keines der bestehenden Gehäuse passte und ebenfalls keine Akzeptanz fand. Was den Raspis der ersten Generation gemeinsam ist, ist der Rechenkern ARM1176JZF-S, der schon damals nicht auf der Höhe der Zeit war. Die Entscheidung für den angestaubten ARM11 war allerdings den Kosten geschuldet und dem langwierigen Entwicklungszeitraum bis zur Marktreife.

Ein echter Durchbruch war dann der Raspberry Pi 2 im letzten Jahr, der mit dem Quadcore ARM Cortex-A7 einen zwar nicht brandneuen, aber preiswerten und leistungsfähigen Rechenkern brachte. Der Raspberry Pi 2 ist ein vollwertiger Linux-Rechner, der die von der Raspberry Pi Foundation betreute Linux-Distribution „Raspbian“ in einem grafischen Desktop bootet und eine Menge installierter Anwendungsprogramme bereithält. Zwar fühlt sich das Web-Browsen und die Arbeit mit den Libre-Office-Programmen etwas zäh an, aber für einen Sub-100-Euro-Rechner ist das Preis-Leistungs-Verhältnis unschlagbar.

Das gilt auch für den aktuellen Raspberry Pi 3 (Bild 1), bei dem mit den vier Cortex-A53-Kernen eine 64-bit-ARM-Architektur mit ARM-v8-Befehlssatz Einzug gehalten hat. Benchmarks sehen den Raspberry Pi 3 ca. 30 Prozent schneller als seinen Vorgänger. In der direkten Arbeit ist das eine gerade noch wahrnehmbare Beschleunigung, für die allein sich der Kauf der neuen Version kaum lohnen würde. Viel praktischer ist allerdings die Integration von WLAN und Bluetooth 4.0 in den neuen Pi, die entsprechende USB-Dongles überflüssig machen. Seit Mai 2015 gibt es in Raspbian endlich auch integrierte Treiberunterstützung für das Bluetooth-Modul, die händisches Herunterladen und Konfigurieren von Treibern überflüssig macht.

Gescheitertes Compute Module

Eine Sonderstellung nehmen das Compute Module und der Raspberry Pi Zero ein. Das Compute Module hat einen SO-DIMM-Kantensteckverbinder und wird auf ein I/O Board gesteckt. Dementsprechend hat das Modul selbst keine I/O-Schnittstellen – die entsprechenden Steckverbinder müssen auf dem I/O Board aufgelötet werden. Das Compute Module zielt nach dem Paradigma der ARM- und x86-Computermodule à la Qseven und COM Express auf den professionellen Einsatz, wo ein anwendungsspezifisches Träger-Board entwickelt wird.

Der Vorteil soll darin bestehen, dass die Schnittstellen für die integrierte Peripherie (Display, Audio, USB) und weitere per GPIO angebundene Peripherie zusammengefasst werden können. Das war ein von der Raspberry Pi Foundation gut gemeinter Ansatz; in der Praxis verwendet die Industrie aber lieber den originalen Raspberry Pi, der günstiger und seit Version 2 noch dazu viel leistungsfähiger ist.

Auf mehr Resonanz scheint das Raspberry Pi Zero (Bild 2) zu stoßen. Bei diesem mit 65 × 35 mm2 extrem kompakten Modul wurde an Prozessor und Schnittstellen gespart: Es trägt das SoC der ersten Raspi-Generation, allerdings höher getaktet, und hat HDMI- und USB-Schnittstellen nur in miniaturisierter Form an Bord. Die GPIO-Leiste ist nicht bestückt und muss vom Anwender aufgelötet werden. Dafür kostet das Board „nur 5 Dollar“ – in der Praxis werden mit den notwendigen USB- und HDMI-Adaptern 15 Euro fällig.

Mit EMTrust setzt auch ein industrieller Systemhersteller auf den Raspberry Pi Zero. Im Webshop von EMTrust gibt es verschiedene Gehäuse für den Zero (Bild 3). Die robusten Gehäuse bieten Zugang zu allen Schnittstellen und lassen sich einfach montieren. Eine Ergänzung ist mit dem EMTrust-Modul-System möglich. Diese Module sind eigentlich als robuste USB-Erweiterungen für x86-Industrie-PCs entwickelt worden, lassen sich über USB aber auch mit dem Raspberry Pi Zero verbinden. Zum Lieferprogramm gehören CAN-, Seriell- und Gigabit-Ethernet-Modul sowie ein Kartenträger für Mini-PCI-Express-Karten.

Viele Raspberry-Pi-Fans hätten sich mehr Arbeitsspeicher oder Gigabit-Ethernet, vielleicht auch einen SATA-Port gewünscht. Hier sind der Raspberry Pi Foundation allerdings durch die Architektur des Broadcom-SoC die Hände gebunden. Es fällt auf, dass ein Bestandteil über alle Raspberry-Pi-¬Generationen gleich geblieben ist: der VideoCore IV der drei Broadcom-Chips BCM2835/36/37. Dieser Videoprozessor ist das eigentliche Herz des Chips. Die ARM-Prozessoren sind jeweils nur an ihn angebunden und werden vom VideoCore gebootet. Auch die Peripherie und der Arbeitsspeicher werden über den VideoCore angesteuert. Das Broadcom-SoC wurde seinerzeit von Eben Upton, Mitbegründer der Raspberry Pi Foundation, ausgewählt, der zuvor bei Broadcom gearbeitet hatte. Da er in die spezielle Architektur des Bausteins eingearbeitet war, lag es nahe, diesen zu verwenden.Nun kann der Videocore IV allerdings nicht mehr als 1 GB Arbeitsspeicher adressieren und auch sonst gerät er mit der inzwischen dritten Raspi-Generation an seine Grenzen. Es wird spannend werden, wie sich der Raspberry Pi unter diesen Randbedingungen weiterentwickeln wird. Zumal die Foundation bisher alles daran setzte, die Software-Kompatibilität über die verschiedenen Generationen hinweg zu erhalten. Gerade die umfangreiche Software-Unterstützung hat den Raspberry Pi so erfolgreich gemacht.