树莓派

为学习编程教育设计的微型电脑

树莓派,(英语:Raspberry Pi,简写为RPi,别名为RasPi / RPI)是为学习计算机编程教育而设计,只有信用卡大小的微型电脑,其系统基于Linux。树莓派搭载基于Linux的Raspberry Pi OS操作系统(升级至Debian 13版本),可运行Windows 10 IoT及Windows 11 ARM版。内存从256MB到8GB不等,可以进行各种计算和控制任务。

名称由来 树莓派的命名方式其实很单纯,因为当时都在用各种水果来给计算机和公司命名。除此之外,厄普顿表示,Raspberry这个名字是对blowing a raspberry(大意是指秃噜嘴皮、发出带嘲弄意味的声音)的有趣引用。名字里的Pi就是对神奇的无理数π的致敬,同时也代表了用于开发的编程语言Python。当然,Raspberry Pi也可以理解成Raspberry Pie的双关语。

树莓派的用法从学习用 Python 编写计算机程序到追踪飞机航线,其作用非常广泛。概括来说树莓派可当作 台式机 使用,上网、社交媒体以及娱乐媒体,包括看视频和听音乐等;树莓派还是编程与硬件学习的好工具,可以用它来学习C、 C++ 、Python、 Rust 、Go、 ECMAScript 等语言;还可以与很多有趣的外接设备配合使用,包括3D打印机、相机和ADS-B接收器等。

树莓派在全球各行各业中被用于成千上万的商业应用。树莓派被全球用户广泛地应用在各种工业场景,应用包括物联网、工业自动化、智慧农业、人工智能、新能源等。2013年,获得了INDEX设计奖。2017年,获得了英国历史最长的工程创新奖——英国皇家工程院的MacRobert奖。

名称由来

树莓派的命名方式其实很单纯,因为当时都在用各种水果来给 计算机 和公司命名。除此之外,厄普顿表示,Raspberry这个名字是对blowing a raspberry(大意是指秃噜嘴皮、发出带嘲弄意味的声音)的有趣引用。名字里的Pi就是对神奇的 无理数 π的致敬,同时也代表了用于开发的 编程语言 Python 。当然,Raspberry Pi也可以理解成Raspberry Pie的双关语。

发展历程

树莓派由注册于英国的“Raspberry Pi 慈善基金会”开发,埃本·厄普顿(Eben Upton)为项目带头人。这一基金会以提升学校计算机科学及相关学科的教育,让计算机变得有趣为宗旨。基金会期望这一款电脑无论是在发展中国家还是在发达国家,会有更多的其它应用不断被开发出来,并应用到更多领域。埃本·厄普顿是在 英国广播公司 Micro的陪伴下长大,因为BBC Micro太贵了,厄普顿便有了自己发明一台平替的想法,他的目标是比BBC Micro便宜十倍,为了做到这点,厄普顿学习专业技术、业界趋势、教育和制造方面等专业知识,最终创造了树莓派。2012年3月,树莓派正式发售,成为当时世界上最小的台式机,又称卡片式电脑,外形只有信用卡大小,却具有电脑的所有基本功能。

早期

2011年年末时,树莓派雏形机两次大规模更动设计,最终定型,概念来源于 Atmel 的ATmega644 单片机 。2012年发布最早的树莓派是B型,一开始只有10块板在 eBay 上出售,它使用了来自博通的基于Arm的处理器,单核 ARM v6 CPU时钟频率为700MHz,博通的VideoCore Ⅳ GPU运行频率为250MHz,并且只有256MB的 内存 ,两个USB 2.0端口(用于连接 键盘 和鼠标)和一个HDMI端口可以将树莓派连接到显示器,使用了标准的micro-USB为其充电。2012年5月首款带摄像头 模组 的树莓派开发成功。可以运行多种操作系统,包括被称为树莓派OS的官方 Linux 发行版。 2013年树莓派销量突破200万台。

迭代

2011年年末时,树莓派雏形机两次大规模更动设计,最终定型,概念来源于Atmel的ATmega644单片机。2012年首批上市的10000“台”树莓派的“板子”,由中国台湾和大陆厂家制造。从第二代开始,由索尼英国工厂和深圳英蓓特科技(易络盟element14全资子公司)共同生产,并由深圳英蓓特科技为全球客户提供树莓派的行业定制方案,树莓派主板主要由索尼英国工厂生产。

树莓派2是在1的基础上进行了巨大的升级,CPU单核ARMv6升级到了时钟频率为900MHz的四核ARMv7,另外 内存 也提升到了1GB。CPU单线程速率提升1.5倍,Sunspider跑分提升4倍,基于NEON的多核视频解码速率提升20倍,SysBench整体多线程CPU分数为旧版的6倍。从第2代开始,由索尼英国工厂和深圳英蓓特科技(易络盟element14全资子公司)共同生产,并由深圳英蓓特科技为全球客户提供树莓派的行业定制方案,目前树莓派主板主要由索尼英国工厂生产。

到2014年,树莓派系列包括A型、A+型、B型和B+型,每一款的复杂程度都不相同,但保持了一致的性能水平。2016年,树莓派基金会发布了树莓派3B,实现了向64位的飞跃。新机型包括一个运行在1.2GHz的64位四核ARMv8处理器,以及支持802.11n Wi-Fi、蓝牙连接,并且可以从USB端口(不是内置的micro-SD卡插槽)启动。2016年,树莓派销量突破千万 。

2018年,树莓派3B+推出了更快的1.4GHz处理器、更快的 以太网 和双频Wi-Fi。2019年发布树莓派4,相对于树莓派3有显著的改进。首先,处理器从基于Cortex-A53的博通BCM2837升级到了更新的博通BCM2711。它采用了1.5GHz 64位四核ARM Cortex-72架构。新处理器还包括一个更好的GPU,博通VideoCore Ⅵ,时钟频率为500MHz。这意味着,树莓派要比3快很多。 内存 也进行了升级,由1GB、2GB和4GB版本改进为2GB、4GB和8GB。树莓派4还首次使用了USB-3.0接口, 以太网 接口则升级到真正的千兆以太网连接。电源接口也由USB-C取代了micro-USB,并且有两个HDMI接口(都是micro-HDMI),可以同时连接两个4K显示器。简而言之,树莓派4相对于3来说:速度更快、内存更大、以太网连接更好,还支持4K视频。到2022年,10年售出4600万台。

目前树莓派已经累计推出约20款型号单板 计算机 SBC(Single Board Computer),同时还推出了各类配件以及Raspberry Pi OS操作系统。 被全球用户广泛地应用在各种工业场景,应用包括物联网、工业自动化、 智慧农业 、 人工智能 、新能源等。上海晶珩电子科技有限公司是树莓派官方指定的全球设计合作伙伴,提供各种树莓派工业计算机及行业定制解决方案。

产品规格

树莓派非常简单,没有 机箱 ,也没有外接设备,只有主板和大量的连接端口,尺寸仅有信用卡大小,其系统基于 Linux ,不同型号CPU、 内存 、USB接口数等各不相同。树莓派系列包括A+型、B型、B+型、2代B型等 。树莓派A型与B型的区别:树莓派A型内置256MB内存,带一个USB端口,不带有线网接口。树莓派B型内置512MB内存,带两个USB端口,带100M有线网接口; 树莓派3代A+型尺寸是标准的树莓派A+尺寸,继承了3代的双频2.4GHz和5GHz 无线网络 、蓝牙4.2/BLE,以及经过改进的散热管理,拥有64位四核1.4 GHz处理器。 常见的树莓派型号产品规格如下表。

树莓派 PICO 规格参数:

双核Arm Cortex-M0+@133MHz;芯片内置264KB sram 和2MB的板载闪存;通过专用QSPI 总线 支持最高16MB的片外闪存;DMA控制器;30个 gpio 引脚 ,其中4个可用作模拟输入;2个UART、2个SPI控制器和2个I2C控制器;16个PWM通道;USB1.1主机和设备支持;8个树莓派可编程 I/O(PIO) 状态机 ,用于自定义外围设备支持;支持UF2的USB大容量存储启动模式;用于拖放式编程。Raspberry Pi Pico 是树莓派基金会发布了首款微控制器级产品。 。

产品设计

自 2019 年发布以来,树莓派官方操作系统 Raspberry Pi OS一直是以Debian ‘buster’ 为基础,而 Debian ‘bullseye’ 发布之后,树莓派官方也将操作系统同步升级了。Debian ‘bullseye’ 对用户可见的重大更改相对较少——文件系统和打印有一些底层更改,但大部分更改是对现有应用程序和功能的补丁和升级。 即便是在2012年购买的树莓派,仍然可以运行最新的操作系统。

树莓派Raspberry Pi OS Bullseye系统的发布,不仅提供了多项操作系统软件的改进,对于树莓派 4B型来说,解锁1.8GHz CPU频率,增加了SoC内核电压专用的切换器,如图白色圆圈区域所示,系统会自动将CPU频率从之前的1.5GHz调整到1.8GHz。

产品结构

树莓派是 移动设备 的内脏,常配备可二次开发的接口。右图展示了树莓派的全貌。树莓派是由A.处理器、B.SD卡插槽、C.USB接口、D. 以太网 接口、E.HDMI接口、F.状态指示灯、G.模拟音频输出、H.复合视频输出、I.电源接口这些接口组合而成的。

树莓派的USB接口旁有两个限制电流用的 保险丝 ,用于确认自己用的是哪一个型号批次的;树莓派上没有电源开关,在电源接口上插上MicroUSB power cord 就接通了树莓派的电源。

树莓派主板上有5个 发光二极管 (LED),可以用于显示系统的工作状态。具体情况如下表。

特色功能

普通电脑

树莓派能胜任普通 台式机 或者笔记本上能完成的工作。像其他任何一台台式 计算机 或者便携式计算机那样,上网和使用社交媒体、播放视频音乐,也可以文字处理、电子表格、游戏等。

编程与硬件学习

树莓派是学习编程的好工具。它预装了各种 编程语言 的解释器和 编译器 ,可以学习C、 C++ 、 Rust 、Go-lang和 ECMAScript 等。 此外,还可以用 Python 让树莓派与 LED 、警报器、开关、 传感器 、电机、继电器等硬件进行交互。它提供了一个专用的摄像头 接插件 ,可以与兼容的摄像头一起使用,可以探索到更多的东西,包括图像识别和 机器学习 。

控制外接设备

树莓派可以与很多有趣的外接设备配合使用,包括3D打印机、相机和ADS-B接收器等。使用树莓派来控制和监控外接设备意味着可以不必一直开着电脑,没有噪音,功耗也更低。树莓派可用于控制LED及其他电器设备、读取按钮和开关状态,支持通过Putty或VNC远程桌面连接实现无显示器操作。其应用场景还包括:搭配摄像头与GPIO按钮进行定格动画拍摄;利用摄像头模块结合Python脚本开展延时摄影,记录花朵开放、云景变化等画面;通过无红外滤镜摄像头捕捉星轨等夜空景象;构建智能镜子显示天气、新闻等信息;连接麦克风进行鸟类物种鸟鸣的记录与分析。这些应用体现了树莓派“硬件+软件”结合的灵活性特点。

操作系统

Raspberry Pi OS(Raspbian)

树莓派官方深度定制的硬件驱动与 软件 ,官方推荐系统。

Arch Linux ARM

系统Arch Linux 在ARM架构上的移植。注重对于开发者的简洁,任何可有可无的软件一律不自带。仅有 命令行界面 ,不建议初学者使用。Arch Linux的软件策略是相当激进的,使用Arch Linux能用到最新的软件包,但也需要承担尝鲜可能的风险。

Ubuntu MATE for the Raspberry Pi

Ubuntu mate 是桌面Linux发行,其宗旨是通过 MATE 这个经典、传统的桌面环境来提供Ubuntu操作系统的简洁和典雅。MATE是GNOME 2桌面环境的继续,曾经作为Ubuntu的缺省桌面,Ubuntu MATE同样适合树莓派新手使用,界面是最好看的,但是在CPU优化方面不如官方的系统做得好。

Fedora

fedora 项目团队 于2016年宣布添加对树莓派2和3的系统支持。树莓派2和3单板计算机都能安装使用Fedora 25 Beta的系统,不过需要注意的是最初还未支持树莓派3的WiFi和蓝牙技术,不过在2016年11月15日发布的最终版本 中将 会得到修复。 Pidora是社区对Fedora在树莓派上的移植。不是Fedora官方版,但被Fedora官网推荐用于树莓派。

应用领域

树莓派可应用于计算机科学、编程、电子电路、物联网等领域的教学与学习场景。其低成本与易用性特点助力学校及教育机构普及计算机科学教育。通过拆解学习硬件组成、网络通信等计算机原理知识,树莓派可融入电子技术、机器人等课程教学,有助于激发学习者的科技探索兴趣。

可以作为一个物联网设备的中心控制器,与各种 传感器 、 执行器 和其他硬件设备进行通信和控制。

可以用作家庭娱乐中心,用于播放音频和视频文件。它可以连接到电视或音响系统,并通过 流媒体 服务或本地存储播放媒体内容。

可以用来构建智能家居系统,控制灯光、温度、安全系统等。该系统可与多种智能设备及传感器进行交互,通过HomeAssistant、Node-RED等平台,能够连接温湿度传感器、人体红外传感器、智能灯泡、空调等设备,实现智能家居自动化控制(如温度过高时自动开启空调),并具备扩展语音控制功能。

树莓派因小尺寸和低功耗特性,在嵌入式系统中应用广泛,可实现对机器人、摄像头、安防系统等设备的控制与监测。例如,其可通过集成AI摄像头与机械臂,支持六轴机器人视觉控制功能(如实时定位并抓取物品),适用于人力密集型产线场景。

可以作为低功耗、小型的网络服务器使用。它可以用于搭建个人网站、文件服务器、数据库服务器等。

可以用于科学研究中的数据采集和控制。它可以与各种 传感器 和实验设备进行接口连接,实现实时数据采集和分析。

树莓派是一个非常灵活的平台,可以被艺术家用来创作交互式艺术作品和装置。树莓派在全球各行各业中被用于成千上万的商业应用中,在线资源的编码俱乐部、程序和竞赛,已经覆盖了来自100多个国家的数百万人,激发了年轻人对编码的兴趣。 树莓派不仅为来自不同年龄和背景的人们打开编程世界之门。它的适应性、稳定性和低廉的价格使其成为电动汽车、物联网或自动化 流水线 等应用场景的理想选择。

营销与销量

树莓派基金会与E络盟与RS合作,可以从这两家经销商处购买树莓派。同时,在全球销售树莓派,包含中国大陆在内(中国公司名:易络盟电子、欧时电子)。

树莓派基金会在2013年12月15日宣布他们的 单板机 微电脑的销量已经突破200万台  ;2016年,树莓派销量突破千万 ;到2022年,10年售出4600万台。

配件

SD 卡(预装系统)

USB 键盘 和鼠标

有HDMI 接口的显示器或电视机

HDMI 信号线

USB 电源

Micro-USB 连接线

WiFi 适配器 *(USB 无线网卡 )

USB HUB*

HDMI 转VGA 的转接器*

网线*

外壳*

* 为可选

参考资料

  1. 树莓派介绍以及FAQ 树莓派实验室 2023-07-06
  2. 树莓派的前世今生:10年,售出4600万台! 树莓派实验室 2023-07-07
  3. 少年派的奇幻漂流:树莓派的十年 剑桥大学 2023-07-07
  4. 树莓派各版本对照表 树莓派实验室 2023-07-11
  5. 树莓派新里程碑:销量突破 200 万台 树莓派实验室 2023-07-22
  6. 树莓派升级 Raspberry Pi OS:基于 Debian 12 三峡新闻网 2023-10-24
  7. 树莓派销量突破千万! 树莓派实验室 2023-07-22
  8. 极客都在玩的树莓派 如何选? 腾讯网 2023-08-02
  9. Raspberry Pi (树莓派) 3A+版发布 树莓派实验室 2023-07-11
  10. 树莓派 Pico 树莓派实验室 2023-07-22
  11. Bullseye:树莓派新版操作系统 树莓派实验室 2023-07-14
  12. Raspberry Pi OS Bullseye 的 1.8GHz 树莓派4B福利 树莓派实验室 2023-07-14
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