Обзор Raspberry Pi 4

Как и у людей, у микрокомпьютеров есть своя судьба — и складывается она у всех по-разному. Одни ведут спокойную размеренную жизнь и тихо уходят на покой в срок. Другим уготовано вписать свое имя в историю, стать хитом продаж, признанной легендой и иногда породить целую субкультуру. Выход четвертой версии популярного микрокомпьютера Raspberry Pi 4 не оставляет скептикам ни единого шанса: английский одноплатник с нами всерьез и надолго.

Получив в народе ласковое прозвище «малинка», Raspberry Pi стал своего рода ZX Spectrum для современной эпохи. Параллели можно проводить долго: оба микрокомпьютера появились на свет в Англии (да не где-нибудь, а в знаменитом Кембридже!), оба предназначались в первую очередь для образования, но при этом легко «переросли» отведенные рамки. Будучи не самыми мощными для своего времени, они привлекали пользователей низкой ценой, простотой использования и, конечно же, поддержкой со стороны сообщества.

Хоть основатель Raspberry Pi Foundation Эбен Аптон и не получил пока от английской королевы титул рыцаря, как это было с Клайвом Синклером 39 лет назад, можно не сомневаться, что общественное признание его заслуг еще впереди. Вполне возможно, через пару десятилетий кто-то из нового поколения хакеров и кодеров с теплотой вспомнит свой первый микрокомпьютер Raspberry, который помог определиться с выбором жизненного пути. Да, Линус Торвальдс учился программированию на Sinclair QL, если вы это не знали!

Про легендарного разработчика Клайва Синклера и разработку первых микрокомпьютеров в Sinclair Research сняли художественно-исторический фильм Micro Men с Мартином Фрименом в одной из главных ролей. Успеха другой его работы — сериала «Шерлок Холмс» — эта картина не получила, но если судьба первопроходцев мира IT вас немного интересует, то я однозначно рекомендую посмотреть фильм.

Думаю, теперь вы понимаете, почему я просто не мог пройти мимо Raspberry Pi 4 и приобрел данный микрокомпьютер, как только он появился в продаже и в максимальной комплектации. Официальных поставок в Россию, пока нет, но самые нетерпеливые энтузиасты могут купить Raspberry Pi 4 у перекупщиков. Итак, начнем обзор Raspberry Pi 4 и узнаем, что приготовило нам нынешнее обновление!

Обзор платы Raspberry Pi 4

Интересные детали вы можете обнаружить уже в комплектации. Плата не упакована в антистатический пакет — и это странно. Разработчик не раз говорил, что его команда старается максимально удешевить производство микрокомпьютера, но это какая-то уж слишком радикальная мера оптимизации затрат. Подобную экономию ожидаешь увидеть в применении к Raspberry Pi Zero за $5, но никак не к новой версии самой навороченной модели за 55$.

Но все это мелочи жизни, о которых быстро забываешь, едва ознакомившись с бумажной инструкцией. Вы наверное уже в курсе, что Raspberry Pi 4 постволяется с разными объемами оперативной памяти на выбор. Летом разработчики анонсировали появление сразу трех моделей, с микросхемами LPDDR4 емкостью в 1, 2 или 4 гигабайта. Но в инструкции содержится упоминание о еще одной версии, которая, видимо, не дошла до релиза — на целых 8 гигабайт! Ого!

Про нее в новостях не было ни слова, и нам остается только гадать, по какой причине разработчики отказались от подобной модели. Вполне возможно, что итоговая стоимость «малинки» с такой микросхемой памяти оказалась слишком высокой и не укладывалась в рамки дешевого микрокомпьютера, которой стараются придерживаться в Кембридже. Кроме того, не надо забывать, что выпуск нового поколения сразу в нескольких вариантах — это смелый эксперимент и в самой организации никто пока не знает, какая модель в итоге окажется самой популярной среди пользователей.

В такой ситуации подождать с выпуском версии на 8гб и оценить спрос на ее ближайший аналог с 4гб — вполне правильный шаг. Так что вероятность выхода еще более производительного Raspberry Pi сохраняется, тем более что разработчикам еще предстоит как-то пофиксить аппаратную проблему совместимости с некоторыми блоками питания (об этом чуть ниже).

Дальнейший осмотр неожиданных сюрпризов не принес. Как и было заявлено изначально, форм-фактор остался прежним, а вот расположение и набор разъемов чуть изменились, из-за чего микрокомпьютер потерял обратную совместимость с некоторыми прежними аксессуарами. В истории Raspberry Pi такое произошло, кстати, впервые, если не считать оригинальные модели с полноразмерными карточками SD. Стоило ли оно того?

Первое, что бросается в глаза, — разъем RJ45 для гигабитного Ethernet поменяли местами с парой портов USB, переместив его поближе к выводам PoE. Конечно, такое изменение напрашивалось само собой и только облегчило разводку платы. К слову, теперь сеть и периферия USB висят на отдельных интерфейсах. Раньше их объединял общий хаб, что создавало неудобство при одновременном использовании.

Кроме того, у нас наконец-то появились два порта стандарта USB 3.0, без него в 2019 году было бы совсем плохо. Это означает, что теперь есть возможность подключать внешние SSD и прочую современную скоростную периферию вроде веб-камер с разрешением 4К. Можно даже собрать собственный бюджетный NAS, благо связка из USB 3.0 и гигабитного Ethernet располагает к определенного рода безумствам — например, RAID на SSD. Кстати, ответственная за USB микросхема VIA VL805 общается с процессором по PCI Express, и энтузиасты сразу же нашли способ работать с еще более быстрыми дисками NVMe, просто отпаяв концентратор USB с платы. Неплохой аппаратный тюнинг!

С боковой стороны пплаты убрали полноразмерный разъем HDMI, заменив его парочкой Micro-HDMI 2.0. Увы, они стоят близко друг к другу, и из-за этого подключать переходники с толстыми коннекторами на хвостах будет неудобно. Зато теперь появилась возможность подключить сразу на два дисплея. Производитель в анонсах нескромно пишет о том, что поддерживается «до двух мониторов и до 4К@60», но на самом деле приходится выбирать: либо два дисплея на 30 кадрах, либо один, но с плавным изображением.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Хаб для умного дома на основе Z-Wave и Raspberry Pi

По сравнению с крохотными разъемами видеоинтерфейсов олдскульный 3,5-миллиметровый аудиоджек кажется огромным. Удивительно, но инженеры не только решили сохранить его, но еще и не стали выкидывать возможность выводить на него аналоговый видеосигнал! Так что все желающие могут попробовать вдохнуть жизнь в старые телевизоры и эмулировать ретроигры на аутентичном экране.

А вот с разъемом Mini-USB разработчики распрощались, теперь на его месте находится USB Type-C. По уверениям создателей, это позволяет прокормить новый «камень», аппетиты которого выросли до 3 ампер под нагрузкой — в сумме внушительные 15 Ватт потребления. Насколько верны столь смелые заявления, мы обязательно выясним чуть позже, а пока лишь замечу, что реализация стандарта USB Power Delivery на новой плате сломала совместимость с нынешними блоками питания у определенных пользователей (включая меня). Если для вас эта проблема критична, стоит дождаться следующей ревизии платы, в которой эта проблема будет исправлена.

Слот для microSD остался на своем законном месте. Если вы рассчитывали на встроенный флеш-накопитель в новом поколении (как на RPi Compute Module, например), увы и ах — надеждам не суждено было сбыться. Я тоже немного разочарован, если честно. На Raspberry Pi 2 данный разъем был не самой удачной конструкции — и на моей плате разболтался уже через год активного использования, так что успешная загрузка системы с карты памяти происходила через раз.

Штыревые контакты GPIO тоже не претерпели изменений. С одной стороны, это позволило сохранить совместимость с существующими платами расширения, что приятно. С другой стороны — как и раньше, очень не хватает выведенного сигнала RESET для принудительной перезагрузки системы (например, автоматически с помощью микросхемы-супервизора). Кроме того, было бы здорово иметь хотя бы парочку дополнительных интерфейсов USB на этом разъеме — чтобы было удобно пользоваться той периферией, которую не предполагается переподключать слишком часто (такие интерфейсы почти всегда можно обнаружить в нижней части обычных десктопных материнских плат).

Самый SoC: BCM2711

Однако самые интересные изменения произошли, конечно же, с центральным процессором. Теперь это SoC BCM2711 с четырьмя ядрами Cortex-A72 на архитектуре ARMv8, что выводит производительность системы на качественно иной уровень. Предыдущие модели основывались на ядрах от Cortex-A7 (Raspberry Pi 2) до Cortex-A53 (Raspberry Pi 3+), то есть с этим обновлением разработчики перемахнули сразу через несколько ступенек.

В первую очередь этому способствовал переход на техпроцесс 28 нм. Микросхемы на всех предыдущих версиях микрокомпьютера изготавливались по технологии 40 нм, и с выходом BCM2873 на RPi 3+ инженеры уперлись в ограничения по площади кристалла. Более производительные ядра требовали больше транзисторов, которые просто негде было разместить. Как видите, пока Intel и AMD безуспешно штурмуют порог в 10 нм при разработке процессоров на х86, другие — более скромные — компании вполне комфортно себя чувствуют на уже проверенных и давно обкатанных техпроцессах.

На текущий момент документации к микросхеме BCM2711 нет в открытом доступе, но вы можете частично удовлетворить свое любопытство, ознакомившись с мануалом на Cortex-A72.

Что касается периферии, то новая система на кристалле получила в свое распоряжение ускоритель трехмерной графики Videocore VI (500 МГц, 2160p). Информации по GPU сейчас тоже немного, и остается только надеяться, что по прошествии какого-то времени в Broadcom поддержат сообщество и выложат соответствующий референс, как это произошло с Videocore IV во вторую годовщину проекта Raspberry Pi. Все-таки разработчики неоднократно заявляли, что их конечная цель — сделать со временем одноплатник максимально открытым.

Интересности Raspberry Pi 4

Пройдусь по самым важным пунктам из того, на что я обратил внимание при работе с RPi 4.

Проблема USB PD

Чуть выше я уже замечал, что новый микрокомпьютер привередлив в плане питания и согласится работать далеко не от каждой зарядки. Так, мой расчет использовать вместе с «малиной» блок питания с USB-C от MacBook Pro не оправдался: они просто не смогли договориться. А ведь я ждал подобного момента с 2017 года — иначе зачем вообще было затевать весь этот болезненный переход на унифицированный разъем?!

Попытаемся понять, в чем же здесь проблема. Некоторые пользователи на форумах высказывали предположение, что ноутбучные блоки питания Apple не поддерживают зарядку с напряжением 5 В. Но это не так: наклейка на одной из боковых поверхностей зарядки подтверждает, что устройство реализует стандарт USB Power Delivery с уровнями 5/12/20 вольт. В этом легко убедиться, просто подключив к блоку питания обычный смартфон через подходящий кабель.

На самом деле причина кроется в схеме Raspberry Pi и частично в способе электронной идентификации (eMark) кабелей некоторых производителей (Apple, Dell и других). Предлагаю убедиться в этом вместе. Для этого придется найти документацию (PDF) на сайте и внимательней приглядеться к распиновке разъема USB-C.

Здесь резистор R79 соединяет с GND не один, а оба контакта СС1 и CC2. Кроме того, R1 уходит к контроллеру питания платы, хотя тоже должен быть соединен с землей. Правильная схема приведена на рисунке ниже.

Детальнее вы можете прочитать о проблеме на страничке Тайлера Варда.

Скрытый JTAG

Любопытные сюрпризы на этом не заканчиваются. Повертев «малинку» пару минут в руках, вы наверняка обнаружите, что на обратной стороне под разъемами USB разведен еще один загадочный интерфейс без какого-либо припаянного коннектора. Он маркирован как J5 на плате, но само по себе это мало что объясняет.

Попробуем угадать его происхождение, исходя из количества контактов. Очевидно, что это не обычный UART или USB — проводников тут целых семь. По всей видимости, предполагается, что рядовому пользователю этот разъем никогда не пригодится. Хм-м, чем же таким особенным может быть занят разработчик?

А что если это интерфейс для отладки? Ну конечно! Несколько запросов в поисковике пролили свет на назначение таинственного разъема J5: это JTAG графического ускорителя Videocore. Оказывается, кое-кто в интернете уже задавался этим вопросом, подробности вы можете прочитать в заметке Энди Кирби.

Загрузка с EEPROM

Еще одна примечательная особенность нового Raspberry Pi — это загрузка с распаянной на плате микросхемы SPI EEPROM емкостью в 4 Мбита. Если помните, раньше одноплатнику для старта нужен был ‘bootcode.bin’ в загрузочном разделе карты памяти. В новом дистрибутиве Raspbian этот файл остался на своем месте, но лишь для поддержки предыдущих версий компьютера.

Сами разработчики указывают несколько причин для такого решения. Во-первых, возросла сложность интерфейсов, на которых подключается память и периферия — теперь это LPDDR4 и PCI Express, а они требуют значительно больше кода для инициализации. Прежде была возможность компактно разместить все в области ROM на самом SoC, но теперь для них не нашлось достаточно места.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Как из телефона сделать панель приборов автомобиля

Во-вторых, у команды большие планы по добавлению новых функций: так, в скором времени они обещают реализовать загрузку с USB и по Ethernet. Печально, что такая возможность нам не доступна с момента начала продаж устройства, но, по крайней мере, понятно, чего именно стоит ждать в обновлениях прошивки.

Наконец, не стоит забывать, что такой способ позволяет проще устранять ошибки (или добавлять новые!). Кстати, c подобными целями вы можете поковырять загрузчик и его бета-версию самостоятельно:

Тесты Raspberry Pi 4

Сегодня микрокомпьютеры массово производятся в самых разных форм-факторах, и только крупных компаний на этом рынке легко насчитать с десяток. Конечно, Raspberry Pi Foundation выгодно выделяется на их фоне своей известностью, но здоровая конкуренция позволяет покупателям подбирать оптимальное решение для своих задач. А что помогает принять решение в первую очередь? Конечно же тесты!

Во время знакомства с Raspberry Pi 4 выяснилась интересная особенность модуля WiFi: если выставить регион RU в настройках микрокомпьютера, то попытка подключения к точке доступа с диапазоном частот 5 ГГц (802.11ac) завершится с ошибкой. Звучит невероятно, но я столкнулся именно с такой проблемой, и только чтение форумов помогло прояснить причину.

Лично меня в новом микрокомпьютере больше всего интересует память и процессор, поэтому предлагаю начать с них. Производительность ЦП замерим с помощью бенчмарка HWBot Prime, а характеристики ОЗУ оценим по результатам утилиты Sysbench. Но прежде всего сконфигурируем систему на максимальное быстродействие командой:

Теперь установим сам бенчмарк:

Для него требуется OpenJDK, которой у вас в системе может и не быть, так что заберем заодно и ее:

После этого запускаем тест и наблюдаем результат.

Думаю, вам будет интересно узнать, что предыдущая модель «малинки» набирала в этом тесте всего лишь около 440 «попугаев» на стандартных частотах и примерно 520 при экстремальном разгоне с жидким азотом и отрицательными температурами. Такие любопытные данные приводили оверклокеры из команды K|ngp|n в выпуске журнала HackSpace за декабрь 2017 года. Четвертая версия оставляет эти результаты далеко позади и демонстрирует впечатляющий прирост более чем в шесть раз! Какие же показатели стоит ждать от оперативной памяти?

Комплект тестов Sysbench устанавливается еще проще:

Здесь я не буду пересказывать все возможные настройки и объяснять, за что отвечают конкретные параметры этой утилиты, — как всегда, вы сможете найти детальное описание с помощью команды --help. Мне же вновь хочется сравнить между собой новую и старую ревизии одноплатника:

И вот тут неожиданный результат: третья версия демонстрировала пропускную способность на уровне 2210 Мбайт/с, а здесь даже 1400 не набирается! Единственное объяснение, какое я вижу: современное ОЗУ на основе динамической памяти нельзя считать полностью «случайным» в плане времени доступа: накладные расходы неизбежны в любом случае. А современные интерфейсы памяти стараются оптимизировать скорее в пользу последовательного чтения, для работы совместно с кешем процессора. Поэтому однозначный вывод о производительности здесь сделать сложно.

Также я решил протестировать графическую подсистему Videocore VI на страничке WebGL Aquarium. Современные планшеты здесь справляются с отрисовкой 15 тысяч рыбок, сохраняя частоту обновления картинки на уровне 30 кадров в секунду. Возможности Raspberry Pi в этом плане гораздо скромнее, но и результат в 500 рыбок можно считать достойным для встроенной графики.

Несколько дополнительных тестов (включая картинки с тепловизора) вы можете найти на страничке разработчиков. Обратите внимание, насколько экономичным получился новый микрокомпьютер при всех своих достоинствах.

Общие впечатления от Raspberry Pi 4

В целом новый Raspberry Pi определенно удался. Пожалуй, это первая модель, которой действительно комфортно пользоваться в качестве замены офисного неттопа или домашнего ПК, если тот используется в основном для запуска браузера.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Обзор, установка и программирование на ESP32

Нет, конечно, видео в 4К на YouTube вы на нем не посмотрите, но вряд ли кто-то всерьез ожидал подобного. Тем более Raspberry Pi — это по-прежнему отличный эмулятор старых игровых платформ и хорошая основа для медиацентра. Не говоря уже про всякое гиковство, мейкерство и хакерство. Ну да не мне вам рассказывать!