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Raspberry Pi: Überblick

Der Raspberry Pi ist ein kleiner Computer in der Größe einer Kreditkarte, der Programmier-Neulingen – und Programmierern mit etwas mehr Erfahrung – die Möglichkeit gibt, Projekte von Grund auf zu entwickeln. Auch wenn das Gerät nicht von Haus aus mit Peripherie-Geräten oder integriertem Speicherplatz ausgestattet ist, stellt der Pi dank seiner geringen Größe und den leistungsstarken Funktionen einen idealen Anfangspunkt für alle dar, die mehr über das Thema „Programmieren“ erfahren möchten.

 

Die Geschichte des Raspberry Pi

Die Geschichte des Raspberry Pi spiegelt letztlich auch die Geschichte des Themas „Programmieren“ seit den 1980er-Jahren wider. Das Aufkommen des sogenannten ZX-Spektrums und des BBC Micro B ließ das Interesse am Programmieren stark ansteigen, da ganz neue zugängliche Computersprachen – darunter BBC Basic und Spectrum Basic – einer Generation autodidaktischer Programmierer auftrieb verschafften. So konnten junge Programmierer mit Hilfe von BASIC Befehle verstehen und manipulieren, die dann in einen Maschinen-Code – bzw. Chip-Befehle – übersetzt wurden. Zudem stellte BASIC eine erstklassige Grundlage für all diejenigen dar, die auch später noch mit Computern arbeiten sollten.

Auf der anderen Seite des Atlantik fand eine ähnliche Entwicklung statt: Mit dem Commodore C64 konnten auch amerikanische Kinder erste Schritte im Bereich Programmieren wagen und mussten ihren Altersgenossen aus Europa somit in nichts nachstehen. Als Programmieren nicht länger bloß in sterilen Labors sondern auch in unseren Wohnzimmern im Fokus stand, keimte auch das Wissen über die Prozesse auf, die zum Konstruieren, Erstellen und Betreiben von Computer-Programmen benötigt werden. Zu Zeiten, in denen ausschließlich der Commodore 64 (später auch der Spectrum +2) über rudimentäre grafische Benutzeroberflächen (sogenannte GUIs) verfügte, blieb oftmals nichts anderes übrig, als eine Komponente mit einer Befehlszeilenanweisung zu erschaffen, um mehr aus einem Computer herauszuholen als das nächste Kapitel eines Spiels.

Im darauf folgenden Jahrzehnt sollte die PC-Revolution die grundlegende Anforderung des Verständnisses darüber, wie die Chips eines Computers zu aktivieren sind um bestimmte Funktionen für ein bestimmtes Ergebnis auszuführen, auf den Kopf stellen. Mit dem fortschreitenden Gebrauch von Betriebssystemen (und deren GUI-„Frontends“) war es auf einmal weniger wichtig mehr zu verstehen als die grafische Darstellung der Dateistruktur, die dem Benutzer geboten wurde und über die navigiert werden konnte.

Doch um die Jahrtausendwende begann die Computer-Industrie erstmals, Bedenken über die Qualität der Bewerber im Bereich Software-Entwicklung anzumelden. Selbes galt für zahlreiche Hochschulen, und so stellten Mitte der 2000er-Jahre Mitglieder der Fakultät Informatik der University of Cambridge ganz offen die Qualität der Studienbewerber in Frage. Die Lehrbeauftragten in Cambridge fanden nach einiger Recherchearbeit heraus, dass der fehlende Zugang zu Computern, die eine angemessene Möglichkeit zur Aneignung von Fähigkeiten im Bereich Programmieren bieten können, Schuld daran war, dass nicht genügend gut ausgebildete Computer-Experten zur Verfügung stehen, die mit den wachsenden Herausforderungen des Informatik-Zeitalters zurecht kommen würden.

So schloss sich das Team des Cambridge Computer Science Department (Eben Upton, Jack Lang, Alan Mycroft und Rob Mullins) 2006 mit David Braben (Co-Author von Elite, dem BBC Micro Spiel, das mit vollem Erfolg auch für Spectrum umgewandelt wurde) und Pete Lomas (Norcott Technologies) zusammen, um der mangelhaften Ausbildung entgegen zu wirken: Raspberry Pi war geboren. Ihr erklärtes Ziel war es, den Markt für Heim-Computer um eine preiswerte Alternative zu PCs und Mac-basierten Systemen zu ergänzen, die noch dazu die Entwicklung der Programmierer von morgen fördern sollte.

 

Raspberry Pi Modell B

Der Raspberry Pi Modell B ist ein sogenannter Single-Board-Computer mit einem ARM1176JZF-S 700 MHz Prozessor (mit ähnlicher Taktrate wie manche Mobiltelefone), einer Videocore IV GPU und 512 MB RAM. Im Gegensatz zu Desktop-PCs oder Laptops startet seine Boot-Sequenz nicht von einer Festplatte oder einem optischen Laufwerk aus. Vielmehr verwendet Modell B SD-Karten, um zu booten und Daten abzuspeichern. Modell B ist geringfügig kostspieliger als Modell A und bietet zahlreiche Extras, darunter ein Ethernet-Port für Netzwerkverbindungen und einen zusätzlichen USB-Port.

 

Raspberry Modell A

Der Raspberry Modell A bietet alle Funktionen des Modell B, verfügt jedoch nicht über einen Ethernet-Anschluss und hat zudem keinen zusätzlichen USB-Port. Bei diesem Modell stehen darüber hinaus lediglich 256 Megabyte RAM (Random Access Memory) zur Verfügung. Nichtsdestotrotz kann das Modell A an ein Netzwerk gekoppelt werden, indem eine WiFi-Antenne über den USB-Port angeschlossen wird.

 

Gehäuse für Raspberry Pi

Raspberry Pi Gehäuse sind darauf ausgelegt, den Single-Board-Pi in einer schützende Hülle einzuschließen. Sie verfügen standardmäßig über Öffnungen für die USB- und/oder Ethernet-Slots und bieten zudem Steckverbinder für das Netzteil sowie eine RCA-Buchse für den TV-Ausgang. Erhältlich sind Gehäuse gleichermaßen für Modell A und Modell B; viele Hersteller bieten inzwischen auch Slots für die neue Kamera des Pi.

 

Raspberry Pi Kamera

Dieses als maßgeschneidertes Anbauteil für den Raspberry Pi entwickeltes Kamera-Modul ist besonders wertvoll für Entwicklungsarbeiten, die eine Kamera erfordern. Angeschlossen wird das Modul direkt über die speziell für die Datenübertragung von Kameras entwickelte CSI-Schnittstelle. Über ein Flachbandkabel, das dem Modul Zugang zu dem CSI-Datenbus verschafft, wird es direkt in die Platine des Pi eingesteckt – diese Anbindung bietet sowohl der Kamera, als auch dem BCM2835 Prozessor eine ausreichend hohe Datenübertragungsrate, die für die Informationen der Pixel benötigt wird.

In Sachen Abmessungen und technischen Spezifikationen ist das Kameramodul des Pi mit 25 x 20 x 9 mm sehr diskret, während manche der speziell entwickelten Pi Gehäuse bereits über Öffnungen für die Kamera verfügen. Die Kamera bietet eine respektable Auflösung von 5 Megapixel und erzeugt Bilder mit 2592x1994 Pixeln sowie 1080 Full-HD-, 720- und 640x480p 60/90-Videos. Unterstützung für das Betriebssystem erhalten Sie in Form von Raspbian – dem vom Hersteller des Raspberry Pi empfohlenen Betriebssystem.

 

SD-Karte

Der Raspberry Pi ist nicht von Haus aus mit einer externen Festplatte ausgestattet – stattdessen verwendet er Solid-State-Speicherkarten (SD) als Speicherkomponente. Eine SD-Karte ist für die Installation eines Betriebssystems auf dem Pi unerlässlich. SD-Karten eignen sich zudem hervorragend als mobile Speicherkomponenten und sind in zahlreichen Größen und Geschwindigkeiten erhältlich. Für die Installation eines OS werden jedoch mindestens 2 GB benötigt. Größere Speichervolumen bieten mehr Optionen für die Installation eines OS und lassen zudem extra Speicherplatz für Software-Pakete. Die größte SD-Karte, die mit dem Pi verwendet werden kann, verfügt über eine Speicherkapazität von 32 Gigabyte.

Für die Einrichtung des Raspberry Pi wird zudem ein anderer Computer mit Internet-Anschluss benötigt, sowie eine SD-Karte, die bereit ist für die Formatierung und die Übertragung des OS von dem sogenannten Host-Computer hin zu dem Pi.

 

Wichtige technische Elemente

Die Architektur des Raspberry Pi besteht aus einer Reihe an „auf das Wesentliche reduzierten“ Komponenten auf einer einzelnen Hauptplatine. Dabei ist diese Platine nicht mit all den Peripherie-Geräten ausgerüstet, die normalerweise bei Computern zu erwarten sind – darunter Eingabegeräte –, und ist zudem nicht in einem Gehäuse untergebracht (es sei denn, ein solches Gehäuse wird als Zubehörteil mitbestellt).

Das Herzstück der Platine bildet die Broadcom ARM CPU/GPU mit einer Taktrate von 700 MHz. Hierbei handelt es sich um eine Kombination aus einer zentralen Rechnereinheit (CPU) und einem Grafikprozessor (GPU), die alle grundlegenden Rechen- und Displayfunktionen des Computers in einer zentralen Einheit übernimmt. In der neuesten Version erlaubt die Firmware sogar dynamisches Übertakten; so können Benutzer aus fünf Übertakt-Optionen auswählen, die die Taktrate der CPU - je nach Last und Temperatur - auf maximal 1 GHz (im Turbo-Modus) anheben können. Bearbeitet der Pi beispielsweise Aufgaben mit geringer Last, werden die Geschwindigkeit der CPU und die Kernspannung verringert. Bei Aufgaben mit hoher Last ist das genaue Gegenteil der Fall.

Die GPU ist eine Broadcom Videcore IV mit OpenGL ES 2.0 als Grafik-Standard. So ist die GPU in der Lage, 24 GFlops (eine Einheit der Anzahl an Grafik-bezogenen Fließkommaberechnungen, die pro Sekunde durchgeführt werden können) verarbeiten sowie H.264 Videos mit einer Auflösung von 1080p entschlüsseln und abspielen.

 

Verbindung

Der Pi verfügt über Universal-E/A-Anschlüsse, an welchen Enthusiasten passende externe Geräte anschließen können. Ebenso steht eine RCA-Buchse für herkömmliche analoge Fernseh-Signale zur Verfügung. Für qualitativ hochwertigere Anschlüsse ist ein HDMI-Slot vorhanden, an dem Geräte wie hochauflösende Fernseher und ähnliches angeschlossen werden können.

 

USB

Der Großteil aller modernen Geräte wird über einen USB-Slot an einen Computer angeschlossen, da hierbei Zeit und Ressourcen dank der schnellen Datenübertragung bestmöglich genutzt werden können. Der Raspberry Pi Modell A kommt standardmäßig mit einem USB-Anschluss (gleichwohl die Anzahl der verfügbaren Peripherie-Optionen mit Hilfe eines USB-Hubs deutlich vergrößert werden kann), während Modell B zwei solcher Anschlüsse besitzt.

 

Strom

Die Stromversorgung erfolgt über einen 5-V-Micro-USB-Steckverbinder. Da Netzteile nicht im Lieferumfang des Raspberry Pi enthalten sind, sollten Benutzer vorher sicherstellen, dass sie ein entsprechendes Netzteil für das Gerät zur Hand haben.

 

Ethernet

Ethernet-Anschlüsse ermöglichen den Zugang zu verdrahteten Netzwerken. Eingesetzt werden sie oftmals in Situationen, bei denen ein Computer direkt an einen Netzwerk-Hub angeschlossen wird, während sie zudem eine beliebte Alternative zu drahtlosen Verbindungen darstellen. Aktuell ist der Raspberry Pi Modell B das einzige Modell der Raspberry-Familie, das über einen Ethernet-Anschluss verfügt, und sollte daher in Betracht gezogen werden, wenn andere Netzwerkanschlüsse eher nicht zur Verfügung stehen.

 

Betriebssystem

Raspberry Pi ist speziell auf sogenannte Distributions des Linux Betriebssystems ausgelegt. Das ursprünglich von dem Computerwissenschaftsstudenten Linus Tovalds entwickelte Betriebssystem erweist sich zunehmend als beliebte Alternative zu Windows-basierten Systemen. Zu den grundlegenden Unterschieden zwischen Linux- und Microsoft- (bzw. MacOS) Produkten zählt der ungehinderte Zugriff auf den Quellcode des Systems, sodass Software-Entwickler und Enthusiasten viele verschiedene sogenannte Distributions – auch „Distros“ genannt – erschaffen können. Dieses „Open Source“-Modell bedeutet, dass das Kopieren und Ändern der Software vielmehr der erwartete Normalfall als eine illegale Ausnahme ist.

Linux ist vor allen Dingen für Geräte mit relativ geringen Hardware-Spezifikationen und keinerlei Hardware-Speicher eine gute Wahl. Aufgrund der relativ geringen Speicheranforderungen kann Linux selbst auf einfachen Geräten wie dem Raspberry Pi als vollständig funktionsfähiges Betriebssystem laufen.

Auch wenn der Pi mit vielen verschiedenen Betriebssystemen verwendet werden kann, ist und bleibt „Raspbian“ das vom Hersteller empfohlene Betriebssystem. Es basiert auf der sogenannten Debian Distribution und enthält über 35.000 vorgefertigte und installationsbereite Packages (das Linux-Äquivalent von .exe-Dateien in Windows).

Raspbian bietet zudem den entscheidenden Vorteil, dass auch LXDE abgespielt werden kann – sozusagen eine abgespeckte Variante der bewährten Linux Desktop-Umgebung KDE. Es ist speziell für ein System mit begrenzten Ressourcen optimiert und kann dank Openbox – einem vereinfachten Windows-Manager – in Nullkommanichts eingerichtet werden.

Etwas erfahrenere Programmierer können auch andere Linux-Distros installieren – beispielsweise Arch – und Versionen der Desktop-Umgebung direkt aus der Befehlszeilenschnittstelle erstellen. Im Gegensatz zu Betriebssystemen wie dem Raspian wurde Arch ohne eine Installationsdatei entwickelt, die den Benutzer von Beginn an durch die komplett ausgereifte GUI leitet. Stattdessen bootet Arch bis zur Command Prompt Shell und wartet dann auf spezielle Anweisungen.

 

Programmierung

Obwohl der Pi auf einer Linux-Distro läuft, steht die Wahl der Programmiersprachen komplett offen. Dabei werden zwei Sprachen besonders oft als die ideale Wahl für Neulinge angegeben: Python und Scratch unterscheiden sich zwar in der Herangehensweise, bieten jedoch gleichermaßen die Möglichkeit, die Funktionsweise des Programmierens von Grund auf zu verstehen, und machen den Weg frei für weitere Schritte.

Scratch verwendet eine visuelle Schnittstelle und stellt manche Programmierkonzepte, die oftmals mit traditionellen Sprachen verknüpft werden, hinter den grafischen Ansatz. Somit ist es nicht länger notwendig, mit der symbolischen Sprache und den Editors vertraut zu werden – wenngleich es nach wie vor möglich ist, ausgereifte Programme zu erstellen.

Python ist eine weit verbreitete Sprache mit Hunderten spezialisierter Module, die darauf ausgelegt sind, Programmierern Flexibilität und Leistung bei der Erstellung von Anwendungen zu verschaffen. Im Unterschied zu manch anderen Sprachen ermöglicht es die Syntax (bzw. die strukturellen Merkmale) von Python, mit vergleichsweise wenig Programmierarbeit Befehle auszuführen und Ergebnisse anzuzeigen. Darüber hinaus verfügt Python über die Fähigkeit, Apps und Windows-Anwendungen zu erstellen, und eignet sich somit hervorragend für die Entwicklung von 2D-Spielen.

Beide dieser Programmiersprachen sind mit der neuesten Version von Raspian erhältlich. Raspberry Pis mit anderen Betriebssystemen können diese Sprachen von relevanten Webseiten herunterladen.

 

Herstellung

Nach einem Fertigungsdurchgang der Platine in China wurde die gesamte Produktion des Raspberry Pi von dem Fernen Osten in ein Werk des japanischen Elektronikriesen Sony in Südwales verlegt. Oktober 2013 verkündete „The Raspberry Pi Foundation“ – die Organisation, die den Pi entwickelt und promotet –, dass bereits 1,75 Millionen Stück des Computers produziert worden sind.