Für Kinder der 1980er Jahre hat der Raspberry Pi eine Flamme neu entfacht, die zuletzt flatterte, als ZX Spectrums und Commodore 64s die Welt beherrschten. Und das war auch so gewollt! Ingenieure wie Eben Upton erkannten, dass das Interesse am Programmieren mit dem Aufstieg der nicht programmierbaren Spielekonsolen abnahm. Der Raspberry Pi, ein Projekt aus Leidenschaft, ist heute der meistverkaufte Computer aller Zeiten in Großbritannien. Wenn Sie herausfinden wollen, was es damit auf sich hat und welche Version für Sie die beste ist, lesen Sie weiter!

Warum wurde der Raspberry Pi entwickelt?

In weniger als 10 Jahren ist der Raspberry Pi zur Lingua Franca von Bastlern und professionellen Elektronikern geworden. Dieser scheckkartengroße Computer, der von einem Arm-Prozessor angetrieben wird, hat mehrere Iterationen durchlaufen, die auch eine verkleinerte Version hervorgebracht haben. Mit mittlerweile über 40 Millionen verkauften Einheiten [1] (2021) wurde er 2015 zum meistverkauften Computer in Großbritannien [2]. Der Rekord, den er brach, wurde vom Sinclair ZX Spectrum [3] gehalten, einer schwarzen Box mit Gummitasten, die zur Home-Computing-Revolution der 1980er Jahre beitrug. Und um zu verstehen, warum es überhaupt dazu kam, ist es notwendig, auf das Jahrzehnt der Kindheit seines Schöpfers Eben Upton zurückzublicken.

Da sich die Industrie regelmäßig über einen Mangel an MINT-Nachwuchs (Science, Technology, Engineering, Math) beklagte, stellten Leute wie Eben Upton [4] die Frage, was zu dem Mangel an programmierkompetenten, ingenieurwissenschaftlich interessierten Studenten geführt hatte (Abbildung 1). Wie viele Kinder, die in den 1970er Jahren geboren wurden, wuchs Eben während des Home-Computing-Booms der 1980er Jahre auf. Mit 8-Bit-Prozessoren wie dem Z80 und dem 6502 wurden Computer gebaut, die billig genug für den privaten Erwerb waren. Das vielleicht kritischste Element war jedoch, dass der Benutzer beim Einschalten mit einem blinkenden Cursor konfrontiert wurde: keine Fenster, keine Maus, kein Startsound. Es lag in der Verantwortung des Benutzers, zu entscheiden, was er als nächstes tun wollte. Viele luden ein Spiel von einer Kassette, was zumindest die Eingabe des Befehls LOAD erforderte. Aber irgendwann beschlossen viele, sich der Programmierung dieser Geräte zuzuwenden, und zwar mit der Programmiersprache, die jedes dieser Geräte unterstützte: BASIC.

Figure 1: Eben Upton, the face of Raspberry Pi.

Dieser "Sweet Spot" in der Computergeschichte war entscheidend für den Start der Karrieren vieler heutiger Ingenieure. In den 1990er Jahren richteten sich die Spielkonsolen von Nintendo und Sega an diejenigen, die einfach nur spielen wollten. Aufgrund ihres Geschäftsmodells waren ihre Konsolen so konzipiert, dass sie vom Benutzer nicht programmiert werden konnten. Wollte man ein Spiel schreiben, brauchte man spezielle Tools vom Hersteller der Konsole [5]. In ähnlicher Weise rückte mit dem Aufkommen der PCs und des Windows-Betriebssystems auch die Notwendigkeit zu programmieren, damit der Computer das tat, was man wollte, in den Hintergrund, was zu einer Generation von Anwendern und nicht von Programmierern führte.

Es schien klar, dass die Kinder von heute Zugang zu der Art von zugänglichen, programmierbaren Computern brauchen würden, die Eben in seiner Kindheit erlebt hatte, wenn man den MINT-Mangel bekämpfen wollte.

Der Raspberry Pi ist geboren

Anfänglich spielte Eben mit einem Atmel ATmega644 herum, ähnlich wie es mit dem Arduino begann [6]. Die Herausforderung bei Mikrocontrollern ist jedoch, dass man einen Computer braucht, um sie zu programmieren, und C/C++ ist nicht die einfachste Programmiersprache, die man als Anfänger lernen oder als Lehrer unterrichten kann. Das Ziel war es, einen Computer einzuführen, der in Schulen verwendet werden konnte, ähnlich dem BBC Micro, mit dem die Schüler in britischen Schulen in den 1980er Jahren aufgewachsen waren [7]. Diese waren in den Lehrplan aufgenommen worden, um Programmier- und IT-Kenntnisse zu vermitteln. Der Raspberry Pi sollte das Gleiche leisten können.

Außerdem hatten sich Programmierung und Computertechnik seit den 1980er Jahren stark weiterentwickelt. Während BBC Micros über Econet [8] miteinander vernetzt waren, bräuchten die zukünftigen Programmierer von heute eine Internetverbindung. Und Programmiersprachen müssen nicht unbedingt geschrieben werden; grafische Programmiertools wie Scratch liefern die nötigen Grundlagen für junge Lerner, ohne dass sie sich mit der Grammatik einer Programmiersprache auseinandersetzen müssen.

Vielleicht am wichtigsten war der Preis, der mit 35 Dollar [9] anvisiert wurde. Ziel war es, eine vernünftige Menge an Computerleistung in die Hände der Menschen zu legen, die im Falle eines Defekts, den Verlust erträglich machen würde. Als damaliger Mitarbeiter von Broadcom sah Eben Potenzial in einem neuen kompakten, leistungsfähigen Arm-basierten System-on-Chip (SoC), dem BCM2835. Mit einer integrierten Grafikeinheit (GPU) und der in PCs üblichen Peripherie (USB) schien er die ideale Ausgangsbasis zu sein. Das Design der ersten Alpha-Version lag jedoch mit rund 110 US-Dollar weit vom Zielpreis entfernt. Weitere Optimierungsrunden, wie z. B. die Implementierung von Audio über einen pulsweitenmodulierten (PWM) Ausgang anstelle eines dedizierten Audiochips, brachten die Gesamtkosten nach unten. Die vielleicht beste Eigenschaft des Raspberry Pi, der GPIO-Header, wurde zu diesem Zeitpunkt hinzugefügt, wodurch er plötzlich in der Lage war, Motoren zu steuern und mit Peripheriegeräten zu interagieren.

Was kann ein Raspberry Pi?

Seit seiner Einführung hat der scheckkartengroße Raspberry Pi seinem Benutzer wenig abverlangt, was nicht jeder PC- und Smartphone-Besitzer bereits hat. Das Board kann über ein Smartphone-Ladegerät mit Strom versorgt werden (obwohl die Leistungsanforderungen der neuesten Designs etwas heftigere Versionen erfordern). Maus und Tastatur werden über USB angeschlossen, ein Monitor kann über die HDMI-Schnittstelle angeschlossen werden. Die Boards der ersten Generation unterstützten auch einen Composite-Video-Ausgang, dieser wurde aber mit der Einführung der zweiten Generation veraltet.

Es gibt eine Reihe von Linux-basierten Betriebssystemen (OS), die zunächst auf eine SD-Karte geschrieben werden müssen, wobei auch vorprogrammierte SD-Karten erhältlich sind. Das anfängliche OS war Raspian (jetzt Raspberry Pi OS genannt), eine Debian-basierte Distribution, die in jüngerer Zeit durch Ubuntu ergänzt wurde. Microsoft bietet auch Windows IoT Core an, ein schlankes Windows, das auf Internet-of-Things-Anwendungen abzielt. Es gibt auch Unterstützung für RISC OS, das ursprünglich für die Arm-basierten Archimedes-Computer erstellt wurde, die auf den BBC Micro folgten, und Media-Center-System-Distributionen wie LibreELEC.

Das Voll-Image des Raspberry Pi OS enthält eine Reihe von Software-Anwendungen, die Benutzern jeden Alters den Einstieg ermöglichen. Jüngere Anwender, die sich mit dem Programmieren vertraut machen wollen, können die visuelle Scratch-Umgebung nutzen. Ähnlich wie bei LOGO [10] aus der BBC-Micro-Zeit können einfache Abläufe beschrieben und in Schleifen gesetzt werden, wobei auch Reaktionen auf einfache Eingaben implementiert werden können. Für diejenigen, die eine Programmiersprache suchen, steht auch Python zur Verfügung. Ein spannendes, aber vielleicht oft übersehenes Programm ist der Synthesizer Sonic Pi [11], mit dessen einfacher Programmiersprache sich mehrstimmige Musik erzeugen lässt. Schließlich bieten Wolfram und Mathematica leistungsstarke Werkzeuge, um wissenschaftliche und technische Probleme mit Hilfe der Mathematik anzugehen.

Das Betriebssystem enthält auch einen Webbrowser und einen Store, in dem zusätzliche Programme und Apps heruntergeladen werden können. Für Spielbegeisterte ist auch eine Version von Minecraft enthalten. Mit Python lässt sich das Spiel auch programmieren, so dass Objekte in die blockige 3D-Welt eingefügt und manipuliert werden können.

Welcher Raspberry Pi ist der richtige für mich?

In den letzten 10 Jahren wurden vier verschiedene Generationen des Raspberry Pi im Scheckkartenformat vorgestellt. In dieser Zeit haben sich die Speichermenge und die Leistung des Prozessors im SoC stetig verbessert. Wer gerade erst anfängt, sollte in die neuesten Raspberry-Pi-4-Modelle investieren [12,13] (Abbildung 2). Das Benutzererlebnis ist dank des schnelleren Prozessors besser, vor allem bei der Verwendung des Webbrowsers und browserbasierter Anwendungen, wie Node-RED [14]. Es unterstützt außerdem zwei 4k-HDMI-Monitore, verfügt über Gigabit-Ethernet und Dual-Band-WLAN und bietet sowohl USB 2.0 als auch 3.0. Mit einer großen Auswahl an Gehäusen kann das Board einfach und sicher mit jeder externen Schaltung integriert werden, mit der Sie eine Schnittstelle wünschen.

Figure 2: The Raspberry Pi 4, the most recent design with dual HDMI outputs.

Wenn Ihr Fokus eher darauf liegt, den Raspberry Pi als Alternative zu einem klassischen Computer zu nutzen, ist der neue Raspberry Pi 400 [15] eine hervorragende Wahl (Abbildung 3). Der Rechner ist in ein Gehäuse mit QWERTZ-Tastatur integriert, so dass nur noch eine Maus und ein Monitor angeschlossen werden müssen, um loszulegen. Komplettpakete enthalten auch ein Netzteil und eine Anleitung zur Inbetriebnahme.

Figure 3: The Raspberry Pi 400 integrates this powerful credit-card-sized computer directly into a keyboard.

Nicht jeder braucht einen Monitor für seine geplante Anwendung, vor allem nicht, wenn Sie eine Linux-basierte Maschine in etwas wie eine Industriemaschine oder einen Roboter integrieren wollen. Für solche Anwendungsfälle ist der 2015 erstmals vorgestellte Raspberry Pi Zero eine Überlegung wert. Auch mit WLAN [16] erhältlich, behält diese kompakte Version die 40-polige GPIO-Schnittstelle zur Steuerung von Motoren oder zur Kommunikation mit I2C- und SPI-Peripherie.

Ebenfalls, im Jahr 2021, wurde der Raspberry Pi Pico vorgestellt, der sich jedoch von den Linux-betriebenen Plattformen seiner Vorgänger löst (Abbildung 4). Der Pico verfügt über einen RP2040-Mikrocontroller, der zwei Arm-Cortex-M0+-Prozessoren integriert, die sich nicht für die Ausführung von Linux eignen. Stattdessen kann der Pico als Alternative zu Arduino-Boards betrachtet werden, obwohl seine Leistung für Low-End-Machine-Learning (ML) mit TensorFlow Lite [17] gut genug ist.

Abbildung 4: Der Raspberry Pi Pico hat die Community schockiert, weil er mit einem eigens entwickelten Mikrocontroller, dem RP2040, ausgestattet ist.

Wie können die Fähigkeiten erweitert werden?

Dank des standardisierten GPIO-Headers sind verschiedene HATs und andere Erweiterungsplatinen verfügbar, um die Fähigkeiten des Raspberry Pi zu erweitern. Vergleichbar mit den Shields für Arduino-Produkte reichen sie von einfach bis komplex. Das Prototyping wird mit dem JOY-iT ProtoShield+ [18] vereinfacht, das lötbare Anschlüsse, Schraubklemmen und 0,1"-Steckerleisten bietet. Der Betrieb des Raspberry Pi an einer Batterie wird mit dem JOY-iT StromPi3 [19] vereinfacht, da ein breiterer Spannungseingangsbereich als nur 5 V unterstützt wird. Er informiert Sie nicht nur, wenn die Batteriequelle geladen werden muss, sondern enthält auch eine Echtzeituhr (RTC), die es dem Raspberry Pi ermöglicht, auch ohne Internetzugang die korrekte Zeit zu behalten.

Es gibt auch Optionen für diejenigen, die die Qualität der Audioausgabe verbessern wollen. Der HiFiBerry [20] verwendet hochwertige Digital-Analog-Wandler (DAC) von Burr-Brown und integriert sich in die ALSA-Mixer-Steuerung, die in Linux verwendet wird. Weitere HATs umfassen Relais für die Hausautomatisierung und -steuerung, CAN- und RS-485-Schnittstellen sowie I2C-Breakout-Boards [21].

Auf den Raspberry-Pi-Boards befinden sich außerdem zwei FPC-Schnittstellen (Flexible Printed Circuit). Eine davon unterstützt DSI, eine digitale Videoausgangsschnittstelle, die mit LCD-Panels verwendet wird. Eine Reihe von Sub-Ten-Zoll-Displays ermöglichen den Aufbau von Standalone-Anwendungen wie Wetterstationen oder Medienzentren, gekoppelt mit Touchscreen-Schnittstellen. Die andere Schnittstelle ist ein Videoeingang, für den es ebenfalls eine Reihe von Kameras gibt (Abbildung 5). Mit dem Raspberry Pi Camera Module V2 [22] lassen sich Videostreaming, Zeitrafferfotografie oder auch Bilderkennung zusammen mit ML-Tools realisieren. Für diejenigen, die festhalten wollen, was nachts in ihrem Garten passiert, sind auch Infrarotkameras verfügbar [23].

Abbildung 5: Es gibt eine Reihe von Kameras, die über ein FPC-Kabel an den Raspberry Pi angeschlossen werden.

Was kommt als nächstes?

Da die Raspberry Pi Foundation keine klare Roadmap zur Verfügung stellt, können wir nicht sagen, wie die nächste Generation von Boards aussehen wird. Als SoC-Anbieter entwickelt Broadcom seine Technologie weiter, so dass höchstwahrscheinlich mehr Leistung durch mehr Kerne verfügbar sein wird. Es besteht auch eine gute Chance, dass die Grafikfähigkeiten ebenfalls ein Upgrade erhalten werden. Die Speichertechnologie hat sich ebenfalls weiterentwickelt, so dass es vielleicht auch einen Wechsel zu LPDDR5 SRAM geben wird. Wenn man Blogs, Foren und Online-Artikel liest, scheint der Wechsel zu Micro-HDMI viele Leute verärgert zu haben, aber es ist schwer zu sehen, wie der Ersatz durch HDMI-Anschlüsse in voller Größe in dem winzigen Formfaktor untergebracht werden kann.

Ein nützliches Upgrade wäre die Abkehr von der SD-Karte hin zu UFS-Speicher. Smartphones und bis zu einem gewissen Grad auch die Automobilindustrie bewegen sich bereits in diese Richtung, daher wäre es eine Überraschung, wenn Broadcom dies nicht unterstützen würde. Alternativ könnte die integrierte Unterstützung für eine M.2-NVMe-SSD als Modul oder gelötetes Paket Hunderte von Gigabyte Speicherplatz leicht verfügbar machen. Weitere Aufrüstungsmöglichkeiten liegen bei Wi-Fi 6, aber es ist zweifelhaft, dass ein solcher Schritt den Nutzern einen sinnvollen Nutzen bringen würde.

Außerhalb des Bildungsbereichs und der Maker-Szene haben sich auch industrielle Anwender in großer Zahl dem Raspberry Pi zugewandt. Mit der Zunahme von maschinellen Lernalgorithmen, die in Bildverarbeitungssystemen verwendet werden, würde ein Board mit einer Art KI-Beschleuniger Sinn machen.

Bei der kürzlichen Vorstellung des Raspberry Pi Pico waren wohl alle verblüfft, als ein neues Siliziumboard vorgestellt wurde. Vielleicht sollte dies als Zeichen dafür gewertet werden, dass auch ein Raspberry Pi 5 mit einer Überraschung ausgestattet sein wird.