Ein Picobello-Microcontroller – Raspberry Pi Pico Board

Der Pragmatische Architekt Michael Stal  –  73 Kommentare

Bisher galten das Arduino-Ökosystem, die Boards mit den Espressif-Microcontrollern ESP8266 und ESP32 und die Boards von ST Microelectronics als Lösung der Wahl für Elektronikprojekte. Nun treten der Microcontroller RP2040 und das zugehörige Raspberry Pi Pico Board an, um frischen Wind in die Maker-Bewegung zu bringen.

Der Microcontroller RP2040 der Raspberry Pi Foundation adressiert im Gegensatz zu bisherigen Produkten keine Einplatinencomputer (engl. SBC = Single Board Computer), sondern schließt die Lücke zu den Microcontrollern. Zwar ließen sich mit den Raspberry Pis bereits Lösungen beispielsweise für Heimautomatisierungsaufgaben erstellen, doch waren dazu häufig Zusatzkomponenten notwendig. Zudem ist der Einsatz eines vollwertigen Einplatinencomputers für Elektronikprojekte zum einen teuer, zum anderen auch platzintensiv.

Diese Lücke soll der Raspberry Pi Pico schließen, dessen Ziel hohe Leistung und niedriger Preis waren. Mit einem empfohlenen Preis von rund 4 Euro dürfte das Board viele Maker zu einem Erwerb verführen. Und auch die Leistungsdaten des Pico können sich sehen lassen.

Raspberry Pi Foundation
Das Raspberry Pi Pico Board bietet für rund 4 € eine Microcontroller-Lösung mit sehr gutem Leistungspotenzial (Bild: Raspberry Pi Foundation)

RP2040 Microcontroller

Die zugehörige MCU (Micro Controller Unit) trägt den Namen RP2040, hat auf einem 7-mm-x-7-mm-IC-Die Platz und ist Ergebnis eines 40-nm-Herstellungsprozesses. Wer sich über den Namen des Chips wundert, sei auf folgende Tabelle verwiesen, die den Namen dekodiert:

RP steht für Raspberry Pi

2 ist die Anzahl der Rechenkerne

0 kodiert die Art des ARM-Prozessors, im vorliegenden Fall ein Cortex-M0+-Kern.

4 gibt nach folgender Formel die Größe des verfügbaren RAMs an floor(log2(RAM / 16k))

0 bezieht sich auf die Größe des nichtflüchtigen Speichers nach der Formel floor(log2(nonvolatile / 16k))

Raspberry Pi Foundation
Hinter dem Namen des Microcontrollers RP2040 steckt System (Bild: Raspberry Pi Foundation)

Die beiden Cortex-32-Bit-M0+-Prozessorkerne arbeiten mit variablen Taktfrequenzen mit bis zu 133 MHz Taktfrequenz, wobei mittlerweile auch schon von erfolgreichen Übertaktungen berichtet wurde. Der Chip enthält des Weiteren 264 KB statisches RAM, das sich auf sechs Speicherbänke verteilt. Dazu kommen 2 externer MByte Flash-Speicher.

Für Ein- und Ausgabe stehen 26 Multifunktions-GPIO-Ports mit 3,3 V zur Verfügung, davon 23 digital und drei für die Analog-Digital-Wandlung. Letztere bestehen aus 4-Kanal-ADCs mit 12-Bit-Auflösung. Dazu kommen jeweils zwei UARTs, zwei I2C-Anschlüsse, zwei SPI-Anschlüsse sowie 16 PWM-Kanäle. Sechs IO-Ports sind speziell für SPI-Flash reserviert.

Der Prozessor verfügt zudem über Timer, vier Alarme, einen internen Temperatursensor und eine Echtzeituhr. Zusätzliche Hardware ist häufig benutzten Peripheriegeräten gewidmet.

Raspberry Pi Foundation
Die Architektur des RP2040 ist auf hohe Leistung und ausgefeilte Ein-/Ausgabeoperationen optimiert (Bild: Raspberry Pi Foundation)

Auf dem Chip befinden sich integrierte Bibliotheken zur Beschleunigung von Fließkommaberechnungen.

Um effizientes Multithreading zu ermöglichen, umfasst der Microcontroller FIFO-Speicher, die als Mailboxen zwischen den beiden Kernen fungieren. 32 hardwarebasierte Spinlocks dienen der Synchronisation zwischen Threads.

Hinsichtlich seines geplanten Einsatzzweckes ist der RP2040 also bestens bestückt.

Power of RP2040

Für viele Elektronikprojekte ist die Frage des Energieverbrauchs essenziell. Bisherige Raspberry Pi Boards besaßen dieses Problem nicht, da sie mehr als stationäre Einplatinencomputer zum Einsatz kamen. Bei Microcontroller-Lösungen hingegen stellt sich die Frage des Energieverbrauchs, speziell wenn sie für den ortsunabhängigen beziehungsweise batteriebetriebenen Einsatz konzipiert sind.

Das Pico Board verbraucht selbst bei Volllast lediglich 0,33 Watt, ganz im Gegensatz zu anderen Raspberry Pi Boards, die im Optimalfall (Raspberry Pi Zero) zwischen 1 und 2 Watt landen. Um den Energieverbrauch möglichst niedrig zu halten, implementiert der RP2040 Modi für Schlummer- und Schlafbetrieb. In diesen Modi verbraucht das Pico Board 6 Milliwatt (0,006 Watt) bei weniger als 2 mA Stromstärke (P = U * I = 3.3V * 0.002A). Mit der entsprechenden Batterie beziehungsweise Zelle ausgestattet und bei hinsichtlich Energieeffizienz optimierter Programmierung könnte ein Pico also Tage, wenn nicht sogar Wochen durchhalten, ohne eine Energieauffrischung zu benötigen. Das sind beeindruckende Werte.

PIO Programmable IO

Ein interessantes Merkmal des RP2040 ist die programmierbare Ein-/Ausgabe (engl. PIO = Programmable IO). Dahinter stecken zwei PIO-Blöcke mit je vier Zustandsmaschinen. Das "programmierbar" ist dabei durchaus wörtlich zu nehmen, denn Entwickler können sogenannte PIO-Programme schreiben und sie mit einem Assembler namens pioasm assemblieren. Klingt zunächst alles sehr abstrakt.

PIO dient dazu, um eigene Ein-/Ausgabeprotokolle zu integrieren und eigene Peripheriegeräte zu unterstützen, ohne den Hauptprozessor zu belasten. Häufig verwenden Entwickler für diese Aufgabe das sogenannte Bit-Banging (Emulation einer Hardwareschnittstelle mittels Software), was aber den Prozessor bisweilen in die Knie zwingt. Dieses Problem umschifft PIO. Ein einfaches Beispiel: Der RP2040 soll ein Rechteckssignal als Ausgabe erzeugen. Auf diese Weise ließe sich ein Pico als Funktionsgenerator einsetzen. Dafür schreiben Entwickler folgendes PIO-Programm:

7 .program squarewave
8 set pindirs, 1 ; Pin als Ausgabepin festlegen
9 again:
10 set pins, 1 [1] ; Pin auf 1 setzen und dann 1 Zyklus Pause
11 set pins, 0 ; Pin auf 0 setzen
12 jmp again ; Zu Label ‘again’ springen

Das Raspberry Pi Pico Board

Der Anschluss an den Host erfolgt beim Pico über einen USB-1.1-Port (Micro-USB). Dabei sind sowohl Host- als auch Gerätemodus möglich. So lässt sich Drag and Drop nutzen, um den Pico mit neuer Software zu versorgen. Drücken Entwickler die BOOTSEL-Taste auf dem Board und schließen dieses an den Host-Rechner (Windows, macOS, Linux) an, erkennt der Hostrechner den Pico als USB-Massenspeichergerät. Auf dem Host erscheint infolgedessen das Dateiverzeichnis des Pico. Sobald Entwickler eine Programmdatei auf das richtige Zielverzeichnis kopieren, erfolgt zunächst ein Reset des Pico und anschließend ein Neustart, worauf automatisch die Ausführung der Programmdatei beginnt. Die jeweilige Programmdatei muss im UF2-Format vorliegen – UF2 steht für USB Flashing Format.

Das Pico-Board bietet zahlreiche Ein- und Ausgabeports. Es lässt sich mit Headern ausstattet oder auf einer Platine verlöten
Das Pico-Board bietet zahlreiche Ein- und Ausgabeports. Es lässt sich mit Headern ausstattet oder auf einer Platine verlöten (Bild: Raspberry Pi Foundation)

Der Raspberry Pi Pico verfügt keine angelöteten Header-Pins, um ihn auch direkt auf einer Platine nutzen zu können. Zu diesem Zweck gibt es Aussparungen (Edge Castellations), die ein Anlöten auf der Platine erlauben. Zum Debuggen komplexerer Programme existiert ein 3-Pin ARM Serial Wire Debug Port.

Bei all diesen Leistungsdaten fragen sich interessierte Maker, ob das Pico-Board auch etwas nicht kann. Solche Dinge gibt es in der Tat. So stellt der Pico für die Kommunikation über WiFi oder Bluetooth keine Funktionalität zur Verfügung. Allerdings könnte sich das in Zukunft ändern, zumal auch andere Elektronikschmieden den RP2040 für eigene Boards nutzen wollen. Das in einigen Wochen verfügbare Arduino Nano RP2040 Connect Board enthält ebenfalls eine RP2040-MCU, stellt darüber hinaus weitere Komponenten bereit, etwa Funktionalität für WiFi und Bluetooth.

Programmierung

Für die Programmierung eines Pico Board hat die Raspberry Pi Foundation ein SDK für C beziehungsweise C++ entwickelt. Auch an der Integration in Visual Studio hat man schon gearbeitet. Das "Hello World" der Maker-Elektronik in Gestalt des Blinkens einer LED gestaltet sich in C wie folgt:

#include "pico/stdlib.h"

int main() {
const uint LED_PIN = 25;
gpio_init(LED_PIN);
gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
while (true) {
gpio_put(LED_PIN, 1);
sleep_ms(250);
gpio_put(LED_PIN, 0);
sleep_ms(250);
}
}

Alternativ lässt sich aber auch Micropython einsetzen. Dazu müssen Entwickler eine MicroPython-UF2-Datei über USB auf das Board laden. Der Zugriff auf das REPL (Read-Eval-Print-Loop) lässt sich über USB Serial bewerkstelligen. Das oben präsentierte Blink-Programm würde in MicroPython wie folgt aussehen:

from machine import Pin, Timer

led = Pin(25, Pin.OUT)
timr = Timer()
def tick(timer):
global led
led.toggle()

timr.init(freq=2.5, mode=Timer.PERIODIC, callback=tick)

Entwicklungsumgebungen

Das Arduino-Team hat angekündigt, einen sogenannten Arduino IDE Core für Pico Boards bereitzustellen. Dadurch lässt sich ein Pico in die Arduino IDE integrieren und programmatisch nutzen, als ob ein Arduino Board vorläge. Auch für die PlatformIO IDE soll in Kürze eine entsprechende Integration des Raspberry Pi Pico möglich sein.

Ebenfalls laufen nach Auskunft der Raspberry Pi Foundation die Arbeiten an einem Echtzeitbetriebssystem (RTOS). Visual Studio Code von Microsoft ist hingegen schon jetzt für die Pico-Entwicklung einsetzbar.

Eine weitere positive Nachricht: Google hat Tensorflow Lite for Microcontrollers auf den Pico portiert.

Boards

Wie bereits erwähnt, wollen auch andere Hersteller den RP2040 in ihre eigenen Boards integrieren. Die folgende Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit:

  • SparkFun bietet zum einen das Board Pro Micro an, das unter anderem eine WS2812B LED, einen USB-C-Anschluss und einen Qwiic Connector integriert.
  • Zum anderen offeriert SparkFun ThingsPlus-Board inklusive SD card slot, JST-Connector für LiIon-Zellen, eine RGB LED, und einen Qwiic-Connector.
  • Von Adafruit stehen das ItsyBitsy RP2040 Board mit 4 MB Flash, einem RGB NeoPixel, und einen USB-B-Anschluss zur Verfügung. Daneben bietet die Firma das Feather RP2040 Board mit 4 MB Flash an.
  • Auf dem schon erwähnten Arduino-Board, dem Arduino Nano RP2040 Connect, sollen 16 MB Flash, u-blox NINA WiFi & Bluetooth, ein STMicro MEMS Sensor (Mikro-Elektronisch-Mechanische-Systeme) mit 9-Achsen IMU (Inertial Measurement Unit), ein Mikrofon, und ein ECC608 Crypto Chip Platz finden.

Zusammenfassung

Das neue Raspberry Pi Board und insbesondere der Microcontroller-Chip RP2040 haben das Potenzial, eine große Verbreitung zu finden. Neben einem günstigen Preis sticht das Board durch gute Leistungsdaten hervor. Noch dazu haben andere bekannte Hersteller angekündigt, den RP2040-Microcontroller auf eigenen Boards zu integrieren.

Daher dürfte der RP2040 auch in zukünftigen Artikeln meines Blogs eine wichtige Rolle spielen.

Referenzen

Bezugsquellen für Raspberry Pi Pico