La Raspberry Pi

En el año 2006, un grupo del Computer Lab de la Universidad de Cambridge empezó a preocuparse por el nivel con el que llegaban los alumnos de secundaria a la Universidad. Por alguna razón los alumnos que tenían alguna exposición previa con tecnologías informáticas acumulaban conocimientos sobre aplicaciones concretas, en lugar de conocimientos sobre las propias tecnologías. Raspberry Pi surge como una iniciativa de bajo coste para promover la experimentación con la programación desde edades tempranas, aunque no por ello se trata de un mero juguete.

La familia Raspberry Pi

En la línea de tiempo de arriba puedes ver un conjunto de los hitos más significativos relacionados con Raspberry Pi. En la corta historia de la Raspberry Pi Foundation ya se han generado un respetable número de modelos:

• Raspberry Pi modelo B fue el primer modelo puesto a la venta, el 29 de febrero de 2012. El diseño original incluía dos modelos con el mismo circuito impreso. Ambos se diseñaron alrededor de un SoC (System On a Chip) de Broadcom, el BCM2835 a 700MHz, pensado para aplicaciones móviles que requieran tratamiento de video o gráficos 3D (cámaras de vídeo, reproductores multimedia, teléfonos móviles, etc.). La mayoría de los pines de entrada/salida del BCM2835 se dispusieron en una cabecera de 26 pines. El modelo B era la versión de gama alta, orientada a desarrolladores, con más memoria (512MB de RAM frente a 256MB) , un puerto Ethernet 100BaseTX y un hub USB con dos puertos USB 2.0. Los modelos originales incorporaban una ranura SD. En septiembre de 2012 se revisó ligeramente el diseño para corregir algunos problemas. Esta revisión modifica ligeramente los pines de entrada/salida disponibles.

• Raspberry Pi modelo A es la versión reducida del modelo B. Incorpora la mitad de memoria RAM que el modelo B (256MB), no incluye interfaz Ethernet y solo incorpora un puerto USB 2.0. Está pensada para aplicaciones finales donde el consumo y/o el coste sean factores importantes.

La logomarca de Raspberry Pi es una marca registrada de la Raspberry Pi Foundation. Fue diseñada por Paul Bleech, que ganó la competición de logos que organizó la fundación en 2011.

La mayoría de los candidatos siguen estando disponibles en el foro de la fundación. Cuidado con la logomarca, tiene unas normas de uso bastante estrictas. No puedes usarla donde te parezca.

• En abril de 2014 se anuncia la Raspberry Pi Compute Module. Es similar al modelo B, pero en lugar de ranura SD incorpora 4GB de eMMC Flash e integra todo en un circuito impreso DDR2 SODIMM, similar al de las memorias de los portátiles. Esto permite disponer de todos los pines del BCM2835 pero exige otro circuito impreso con el zócalo SODIMM y los conectores necesarios. Se utiliza extensivamente en el desarrollo de productos basados en Raspberry Pi, como el media player Slice de FiveNinjas, los satélites CubeSat, la cámara Otto, el Cube Solver que es capaz de solucionar un cubo Rubik, Sphinx que sirve para utilizar una tableta como un ordenador de escritorio, etc.

• En julio de 2014 se anuncia la Raspberry Pi modelo B+. Se trata de un rediseño del modelo B, muy similar pero con importantes consecuencias. Se amplía el número de pines de la cabecera de GPIO a 40 pines, se sustituye el zócalo SD por uno microSD, se aumenta el número de puertos USB a cuatro, se mejora la alimentación y el audio, se incluye en el mismo conector la salida de video compuesto y el audio (como muchos portátiles), y se corrige el factor de forma para que encaje completamente en el tamaño de una tarjeta de crédito. La ampliación de la cabecera de pines se complementa muy poco después con la especificación HAT (Hardware Attached on Top) que determina las limitaciones físicas y eléctricas que deben cumplir las placas de expansión de Raspberry Pi para garantizar la compatibilidad futura. Todas las Raspberry Pi serán compatibles con esta especificación desde esta fecha. HAT permite configuración automática de entradas/salidas digitales así como de los drivers por medio de dos pines dedicados (ID_SD e ID_SC). Hoy en día hay multitud de HATs en el mercado (como ejemplo, véase la colección de Adafruit, de Pimoroni y de The Pi Hut). Además del BCM2835 el modelo B+ incorpora un SMSC LAN9514 que incorpora la interfaz Ethernet y el hub USB ocupando un único puerto USB del BCM2835.

• En noviembre de 2014 se anuncia la Raspberry Pi A+ como el rediseño equivalente del modelo A, sin SMSC LAN9514. Un cambio significativo es que se abandona la idea de usar el mismo circuito impreso. De esta forma se consigue reducir sensiblemente el tamaño y con ello el precio. Incorpora la cabecera HAT, que ya estará presente en todos los modelos posteriores, y se reduce significativamente el consumo.

• En febrero de 2015, casi en el tercer aniversario de la Raspberry Pi original, se anuncia la Raspberry Pi 2 modelo B. Actualiza el procesador a un BCM2836 (quad-core Cortex-A7) a 900MHz e incorpora 1GB de RAM. Por primera vez se abre la posibilidad de usar Microsoft Windows 10 en Raspberry Pi aunque el sistema operativo recomendado por la Raspberry Pi Foundation sigue siendo Raspbian.

• En noviembre de 2015 se anuncia la Raspberry Pi Zero. Se trata de una versión diminuta del modelo A+ con mayor velocidad (1GHz) y más memoria (512MB). Sin poblar los zócalos se llegó a bajar el precio a 5$. El número 40 de la revista The MagPi incluía una Raspberry Pi Zero de regalo. Parece que la presión de Google tras una reunión de Eric Schmidt y Eben Upton fue decisiva en su desarrollo. Sin embargo se trata de un modelo producido directamente por Raspberry Pi Trading, que tiene una capacidad de producción relativamente limitada, por lo que resulta dificil de conseguir.

• En febrero de 2016 se anuncia la Raspberry Pi 3 modelo B, coincidiendo con el cuarto cumpleaños de la Raspberry Pi modelo B original. Se vuelve a actualizar el procesador por un BCM2837 diseñado específicamente para la Raspberry Pi 3 (quad-core Cortex-A53) a 1.2GHz, incluye un BCM WiFi 802.11n, Bluetooth LE y Bluetooth 4.1 Classic. El cambio es muy importante, porque se pasa a una arquitectura de 64 bits, aunque la compatibilidad hacia atrás sigue siendo total. Además del BCM2837 incorpora un BCM43438 que implementa todas las nuevas capacidades de comunicación inalámbrica. Tan solo se deja sin conectar el receptor de radio FM.

• En febrero de 2016 Eben Upton ha anunciado en diversos foros que se está preparando un Compute Module 3 y habrá una Raspberry Pi 3 modelo A. Las especificaciones no son públicas aún, pero ya hay versiones beta disponibles para algunos ingenieros.

Si quieres conocer más sobre la historia de Raspberry Pi y su comunidad te recomendamos que visites el sitio web de la revista The MagPi. Se trata de una revista de gran calidad y completamente gratuita en su versión electrónica. Además es una fuente muy interesante de proveedores de productos relacionados con Raspberry Pi.

Los sistemas en chip de Broadcom

La mayoría de los modelos de Raspberry Pi se basan en el Broadcom BCM2835. Este sistema-en-chip incorpora un núcleo ARM1176JZF-S de bajo consumo y un coprocesador multimedia (GPU) de doble núcleo VideoCore IV. La GPU implementa OpenGL-ES 2.0 y es capaz de codificar y decodificar vídeo FullHD a 30fps, a la vez que muestra gráficos FullHD a 60fps en un LCD o en un monitor HDMI. Una característica llamativa de este procesador es su montaje apilado con la memoria RAM (package on package). La estructura se muestra en la figura. Por este motivo el circuito impreso de la Raspberry Pi no deja ver procesador alguno. Esta técnica permite reducir considerablemente el tamaño del PCB (Printed Circuit Board) necesario.

Además del procesador y la GPU, el SoC de la Raspberry Pi incorpora un amplio conjunto de periféricos:

• Temporizador.
• Controlador de interrupciones.
• Entradas/salidas digitales de propósito genérico, GPIO (General Purpose Input-Output). Dispone de 54 pero no todas están disponibles en la Raspberry Pi.
• Puerto USB.
• Audio PCM a través de bus I2S (Integrated Interchip Sound).
• Controlador de acceso directo a memoria, DMA.
• Maestro y esclavo de bus I2C (Inter-Integrated Circuit).
• Maestros y esclavo de bus SPI (Serial Peripheral Interface).
• Módulo para generación de pulsos de anchura variable, PWM.
• Puertos serie, UART.
• Interfaz para memorias eMMC, SD, SDIO.
• Interfaz HDMI

Aplicando técnicas de ingeniería inversa se documentó una parte sustancial de la GPU en el repositorio GitHub de Herman Hermitage. Es posible que este trabajo haya influido en la reciente decisión de Broadcom de liberar la documentación oficial de Videocore IV. Los usuarios avanzados pueden ya disfrutar de unas bibliotecas de desarrollo razonablemente maduras y un driver OpenGL acelerado completamente libre.

El BCM2836 de la Raspberry Pi 2 modelo B tiene básicamente la misma arquitectura interna que su antecesor pero incorpora un procesador Cortex-A7 de cuatro núcleos que sustituye al ARM117JZF-S del BCM2835 y no utiliza la técnica de montaje package-on-package. Tiene importantes consecuencias desde el punto de vista del software, puesto que este procesador implementa el repertorio de instrucciones de ARM v.7 en lugar de ARM v.6 como su antecesor.

El BCM2837 de la Raspberry Pi 3 modelo B es un sistema-en-chip diseñado específicamente para este modelo de Raspberry Pi. Actualiza el procesador por cuatro cores Cortex-A53 de 64 bits, pero sigue incorporando la GPU Videocore IV porque se trata de una de las pocas GPUs con documentación pública del fabricante.

El ARM Cortex-A53 tiene como nombre interno Apollo y suele usarse en procesadores de alto rendimiento en combinación con el ARM Cortex-A57 (Atlas) siguiendo la configuración big.LITTLE (multiprocesador heterogéneo). El A53 es la versión de bajo consumo, reducido tamaño y relativa simplicidad de la arquitectura ARMv8, mientras que A57 es la versión de alto rendimiento, elevado consumo y mayor tamaño de la misma arquitectura. Por ejemplo, el Exynos 7 Octa o el Snapdragon 810 que incorporan muchos teléfonos móviles de gama alta sigue esta configuración empleando cuatro núcleos de cada tipo. En el caso del BCM2837 se opta por incluir solo cuatro núcleos de bajo consumo, por lo que no pretende competir en alto rendimiento, sino en eficiencia energética. Básicamente el rendimiento esperable es algo mejor que un quad-core Cortex-A9 (por ejemplo, como el procesador del Apple iPad 2) pero a un coste sensiblemente inferior.

El Cortex-A53 es de 64 bits, pero mantiene compatibilidad con el software de 32 bits. Esto abre la posibilidad de utilizar un sistema operativo de 32 bits y aplicaciones de 32 bits, o bien un sistema operativo de 64 bits y aplicaciones de 32 y 64 bits indistintamente. La Raspberry Pi Foundation solo distribuye de momento un sistema operativo (Raspbian GNU/Linux) de 32 bits, y no tiene planes a corto plazo de mantener una versión de 64 bits.

Una Raspberry Pi para el taller

Este taller de iniciación podría realizarse sobre cualquier modelo de Raspberry Pi. La nueva Raspberry Pi Zero es ideal para prototipos de equipos, pero dificulta notablemente el desarrollo. Por ejemplo, conectar un teclado y un ratón exigiría un hub USB OTG, la mera actualización del sistema operativo requeriría algún tipo de conexión de red, y la conexión de dispositivos externos al puerto GPIO requiere incorporar cabeceras de pines o soldadura. Todo esto está ya en la Raspberry Pi modelo B+.

El coste agregado de todos los componentes adicionales que sería preciso incorporar a la Raspberry Pi Zero para desarrollar cómodamente supera ampliamente el coste de la Raspberry Pi B+.

Por desgracia el precio del modelo B+ está subiendo debido a la caida de la demanda desde la salida al mercado de la Raspberry Pi 2 modelo B. En esta coyuntura sale al mercado la Raspberry Pi 3 modelo B al mismo precio que la Raspberry Pi 2 modelo B, pero incluyendo además interfaz WiFi y Bluetooth. Por este motivo nos decidimos por incluir la nueva Raspberry 3 modelo B en esta edición. Sin embargo todos los ejemplos del taller son compatibles con cualquiera de los modelos.

Interoperabilidad con otros productos

Alrededor de la Raspberry Pi Foundation ha surgido una enorme comunidad de usuarios de todos los niveles que genera información y productos. Hoy en día hay periféricos específicos de todo tipo para Raspberry Pi. Hay cámaras, touch panels con pantalla TFT, y multitud de tarjetas de interfaz con otros dispositivos.

Merece la pena destacar los esfuerzos por integrar periféricos de otras plataformas que ya disfrutaban de una amplia comunidad de usuarios. Así por ejemplo, pueden utilizarse los periféricos de Lego Mindstorms y las piezas de LEGO Technic para construir robots controlados por Raspberry Pi empleando BrickPi de Dexter Industries.

También pueden utilizarse la enorme variedad de módulos de expansión de Arduino (shields) con GertDuino de Gert van Loo, o con ArduBerry de Dexter Industries, o con AlaMode de WyoLum o con ArduPi de Cooking Hacks. El tandem de Raspberry Pi y Arduino es muy interesante cuando se requiere estricto control de la latencia. El sistema operativo Raspbian GNU/Linux no es de tiempo real, no puede garantizar latencias de interrupción muy bajas y la resolución de los temporizadores es del orden de los milisegundos. Sin embargo la mayor simplicidad del software de Arduino hace que sea muy predecible en cuanto a tiempos de respuesta.

Por último nos gustaría mencionar las interfaces de Raspberry Pi a Grove, una arquitectura modular y abierta para construir sistemas electrónicos al estilo de LEGO en los sistemas físicos. Grove fue inicialmente concebida para ser compatible con Arduino, y por tanto pueden emplearse junto con los adaptadores mencionados arriba, pero también pueden emplearse directamente mediante GrovePi de Dexter Industries, una base shield especialmente concebida para Raspberry Pi.