Давайте изучим ваш новый крошечный компьютер Raspberry Pi. Откройте для себя безграничный мир возможностей этого девайса
R aspberry Pi - замечательное устройство. Это точная, бюджетная, миниатюрная копия полноценного компьютера. Вне зависимости от ваших целей, будь то поиск информации в интернете, игры, написание собственных программ, конструирование цепей или подключение физических устройств, Raspberry Pi, оснащенный замечательным дополнительным оборудованием, несомненно поддержит вас во всех начинаниях.
Raspberry Pi известен как одноплатный компьютер. Из определения мы понимаем, что данное устройство состоит из одной печатной платы, при этом схоже со стационарным компьютером, ноутбуком или смартфоном. Как и большинство одноплатных компьютеров, Raspberry Pi имеет небольшой размер (с банковскую карту), при этом это не означает, что он абсолютно не мощный. Напротив, Raspberry Pi обладает теми же функциями, которыми обладают более мощные компьютеры. Отличие заключается лишь в производительности.
Серия компьютеров Raspberry Pi появилась благодаря желанию распространить рациональное обучение программированию по всему миру. Поначалу основатели некоммерческого фонда не ожидали, что устройство окажется настолько популярным. В 2012 году несколько тысяч устройств были мгновенно скуплены из-за необходимости проверки качества водных ресурсов, а в последующие годы миллионы девайсов были распространены уже по всему миру. Вскоре устройства Raspberry Pi стали неотъемлемой частью в большинстве школ, домов, офисов, информационных центров, фабрик и даже беспилотных лодок и космических аэростатов.
Все началось с модели В. В дальнейшем она была модифицирована под различные конкретные случаи использования. Отсюда и появилась серия компьютеров Raspberry Pi, где каждая последующая модель является улучшенной версией предыдущей. Возьмем, к примеру, модель Raspberry Pi Zero, которая представляет собой мини-версию полноразмерного компьютера Raspberry Pi. У модели Zero в силу своего размера и низкого энергопотребления отсутствуют некоторые функции: несколько USB-разъемов и интерфейс проводной сети.
Несмотря на отличительные черты каждой модели, в целом они совместимы. Поэтому программное обеспечение (ПО), созданное для одной модели, подойдет и для всех других. Если хотите убедиться сами, то просто установите на прототип модели В последнюю версию операционной системы Raspberry Pi. Конечно, работать она будет гораздо медленней, чем должна, но все же.
В этом руководстве речь пойдет о новейшем и самом мощном миниатюрном одноплатном компьютере Raspberry Pi 4 Model B. Однако если вы используете другую модель семейства Raspberry Pi, не волнуйтесь, вся информация, найденная вами здесь, легко применима и к иным моделям.
Экскурсия по Raspberry Pi
В отличие от обычного компьютера, внутренние компоненты которого спрятаны под крышкой, все составляющие Raspberry Pi находятся на поверхности. Если же вы хотите дополнительно защитить устройство снаружи, то можете приобрести специальный корпус. Однако в отсутствии корпуса есть свои плюсы: вы можете с легкостью изучить все его составляющие и процесс подключения дополнительных периферийных устройств.
Рис. 1.1: Raspberry Pi 4 Model B
На рис. 1.1 изображен вид сверху модели Raspberry Pi 4 B. Чтобы не запутаться, рекомендуем вам при изучении повернуть ваш мини-компьютер так же, как показано на картинке, особенно когда речь идет об интерфейсе GPIO (подробно поговорим о нем в главе 6).
Вам может показаться, что крошечная плата Raspberry Pi состоит из огромного количества сложных для понимания деталей. На самом деле составляющие и механизм работы устройства достаточно просты. Для начала изучим компоненты, приводящие в работу внутренние компоненты устройства.
Компоненты Raspberry Pi
Как и любой компьютер, Raspberry Pi состоит из определенного набора компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию в дальнейшей его работе. В данном компьютере используется система на кристалле (systemon-chip, SoC). Найти этот бесспорно важный компонент вы можете на верхней части платы чуть выше середины. Он защищен металлической крышкой (рис. 1.2).
Рис. 1.2: Система на кристалле на плате Raspberry Pi
Название «система на кристалле» говорит само за себя. Если вы решите посмотреть, что находится под крышкой, то увидите кремниевый кристалл, который носит название интегральной схемы. Она и составляет основную часть механизма Raspberry Pi. Сюда также входят: центральный процессор (central processing unit, CPU), часто известный как «мозг» компьютера и графический процессор (graphics processing unit, GPU), отвечающий за воспроизведение изображения.
Однако работа процессора не имеет смысла без наличия памяти. Сбоку от системы на кристалле вы можете заметить маленький черный пластиковый квадрат (рис. 1.3). Это чип, отвечающий за память, - оперативная память (random access memory, RAM) Raspberry Pi. При работе на Raspberry Pi все данные хранятся именно в оперативной памяти. И только после того, как вы сохраните свою работу, они будут записаны на карту microSD. В совокупности эти элементы составляют два вида памяти Raspberry Pi, энергозависимую и энергонезависимую: энергозависимая оперативная память теряет все свои данные при отключении Raspberry Pi от питания, в то время как энергонезависимая карта microSD, напротив, сохраняет свое содержимое.
Рис. 1.3: Оперативная память Raspberry Pi
Обратите внимание на правый верхний угол платы. Здесь находится еще одна металлическая крышка (рис. 1.4), защищающая модуль беспроводной сети, позволяющий Raspberry Pi соединяться с другими устройствами по воздуху. Этот модуль имеет две основные функции: во-первых, это связь по Wi-Fi, которая позволяет подключаться к сети другого компьютера, а во-вторых, связь по Bluetooth, дающая возможность подключать различные периферийные устройства (например, компьютерную мышь) и передавать или получать данные от «умных устройств» (например, смартфонов и датчиков), находящихся вблизи.
Рис. 1.4: Модуль беспроводной сети Raspberry Pi
Еще один черный, защищенный пластиковым коробом чип вы можете заметить внизу ближе к краю платы, рядом с USB-разъемами. Это USB-контроллер, отвечающий за работу четырех USB-портов. Рядом с ним расположен чип меньшего размера - сетевой контроллер, отвечающий за работу сети Ethernet Raspberry Pi. И последний, самый маленький чип находится чуть выше разъема питания USB Type-C, а именно в левом верхнем углу платы (рис. 1.5). Он получил название интегральной схемы управления питанием (power management integrated circuit, PMIC), поскольку преобразует энергию, поступившую из порта micro USB, в энергию, необходимую для питания и дальнейшего запуска Raspberry Pi.
Рис. 1.5: Интегральная схема управления питанием Raspberry Pi
Если вам показалось все вышепрочитанное слишком сложным, не стоит переживать! Для использования Raspberry Pi вы не обязательно должны запоминать каждый компонент и его местоположение на плате.
Порты Raspberry Pi
В Raspberry Pi вы можете обнаружить целый ряд различных портов, это четыре порта универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus, USB) (рис. 1.6), а также другие порты, размещенные в центре и внизу справа. Эти разъемы позволяют подключить к компьютеру Raspberry Pi любые периферийные USB-устройства, начиная от клавиатур и компьютерных мышей заканчивая цифровыми камерами и Flash-накопителями. Если уточнить технические детали, существуют два типа USB-портов: компоненты первых окрашены в черный цвет - это порты, основанные на старой версии универсальной последовательной шины, USB 2.0; компоненты вторых окрашены в синий цвет - эти порты поддерживают гораздо более высокую скорость передачи данных, чем предыдущие, поскольку основаны на более новой версии: USB 3.0.
Рис. 1.6: USB-порты платы Raspberry Pi
Справа от USB-портов находится Ethernet-порт, известный также как сетевой порт (рис. 1.7). Используйте этот разъем для подключения Raspberry Pi к проводной компьютерной сети с помощью кабеля со штекером RJ45. Если вы внимательно посмотрите на порт Ethernet, то заметите снизу два светоизлучающих диода (светодиода). Это светодиоды состояния, по которым мы с вами можем определить, осуществлено соединение или нет.
Рис. 1.7: Ethernet-разъем платы Raspberry Pi
Чуть выше порта Ethernet, в левой части Raspberry Pi, находится композитный разъем (AV-разъем) с диаметром 3,5 мм (рис. 1.8). Вы также можете его назвать разъемом для наушников, ведь его можно использовать и для этой цели. Однако звук будет гораздо лучше при подключении активной акустики, нежели наушников. У данного разъема есть дополнительная скрытая функция: помимо аудиосигнала, 3,5-мм AV-разъем способен передавать и видеосигнал. Поэтому вы также можете подключить телевизор, проектор и прочие видеоустройства, поддерживающие композитный видеосигнал и имеющие разъем для подключения специального кабеля TRRS.
Рис. 1.8: 3,5-мм AV-разъем платы Raspberry Pi
Непосредственно над 3,5-мм AV-разъемом находится разъем необычной формы с пластиковой заслонкой, которую можно сдвинуть вверх. Это разъем для модуля камеры, именуемый также как последовательный интерфейс камеры (Camera Serial Interface, CSI) (рис. 1.9). Благодаря этому порту вы можете подключать модуль камеры, специально разработанный для Raspberry Pi (подробней о котором мы поговорим в главе 8).
Чуть выше в той же левой части платы находятся микропорты мультимедийного интерфейса высокой четкости (High Definition Multimedia Interface, HDMI) - уменьшенная версия разъемов, которые вы можете найти в игровых консолях, видеотехнике и телевизорах (рис. 1.10). Слово «мультимедиа» в названии данного разъема говорит нам о том, что здесь передаются как аудио-, так и видеосигналы. Фраза же «высокая четкость» уверяет нас в их отличном качестве. Благодаря этому разъему вы можете подключать Raspberry Pi к одному-двум устройствам воспроизведения: к монитору компьютера, к телевизору или к проектору.
Рис. 1.10: Разъемы microHDMI платы Raspberry Pi
Над портами HDMI находится USB-порт типа Type-C (рис. 1.11), предназначенный для подключения Raspberry Pi к источнику питания. Данный разъем часто используется в смартфонах, планшетах и других портативных устройствах. Конечно, для подзарядки вашего устройства вы можете использовать любое зарядное устройство, однако лучше будет, если вы выберете именно оригинальный USB Type-C адаптер для Raspberry Pi.
Рис. 1.11: Разъем USB Type-C платы Raspberry Pi
В верхней части платы расположен еще один разъем странной формы (рис. 1.12). На первый взгляд он напоминает разъем для камеры. На самом же деле это разъем дисплея, который в английском также носит название Display Serial Interface (DSI) и предназначен для совместного использования с сенсорным дисплеем Raspberry Pi (рис. 1.13).
Рис. 1.12: Разъем дисплея платы Raspberry Pi
Рис. 1.13: Сенсорный дисплей для Raspberry Pi
В правой части платы вы можете заметить 40 металлических пинов, разбитых на два ряда по 20 штук (рис. 1.14). Это низкоуровневый интерфейс ввода/выво-да общего назначения (general-purpose input/output, GPIO). Он необходим для взаимодействия с дополнительным оборудованием: светодиодами, различными кнопками, датчиками температуры, джойстиками, пульсометрами и т. д. Более детальная информация о GPIO приведена в главе 6. Чуть ниже и левее колодки GPIO находится разъем поменьше, и состоящий уже из 4 пинов. Он служит для подключения платы расширения Raspberry PI POE HAT - компонента, позволяющего компьютеру Raspberry Pi получать питание через сетевое подключение, а не через разъем USB Type-C.
Рис. 1.14: Колодка интерфейса GPIO платы Raspberry Pi и порт для подключения POE HAT
Наконец, мы добрались до финального порта Raspberry Pi, расположенного далеко не на самом видном месте. Переверните плату, и вы увидите разъем microSD-карты, находящийся в том же месте, что и разъем дисплея, только на другой стороне платы (рис. 1.15). Это так называемый «репозиторий» Raspberry Pi: microSD-карта, вставленная сюда, хранит все загруженные файлы, установленное программное обеспечение и операционную систему, под управлением которой работает Raspberry Pi.
Рис. 1.15: Разъем для microSD-карты на плате Raspberry Pi
Периферийные устройства Raspberry Pi
Без дополнительных девайсов функции Raspberry Pi ограничены точно так же, как и функции любого другого стационарного компьютера. Ведь без вспомогательной гарнитуры им можно разве что подпирать входную дверь. Для полноценной работы Raspberry Pi необходимо подключить некоторые периферийные устройства: как минимум это microSD-карта для хранения данных, монитор или телевизор для воспроизведения изображения, клавиатура и мышь для управления Raspberry Pi и 5-вольтовый USB-адаптер с силой тока 3 А с разъемом Type-C для питания платы. В совокупности эти устройства составляют полностью функциональный компьютер. Подробнее об их подключении вы узнаете в этой статье.
Однако существует множество других периферийных устройств для Raspberry Pi. Следующие оригинальные компоненты произведены компанией Raspberry Pi Foundation: корпус для Raspberry Pi, защищающий компьютер во время использования, не блокируя при этом доступа к различным разъемам; модуль камеры для Raspberry Pi (подробно описанный в главе 9); сенсорный дисплей для Raspberry Pi, который подключается к разъему дисплея и обеспечивает как воспроизведение видеосигнала, так и использование экрана компьютера в сенсорном режиме, наподобие планшета; а также дополнительная интеллектуальная многофункциональная плата расширения Sense HAT (рис. 1.16), подробнее о которой пойдет речь в главе 7.
Еще доступен широкий спектр сторонних аксессуаров, например: комплекты, трансформирующие Raspberry Pi в ноутбук или планшет, дополнительные модули, позволяющие Raspberry Pi распознавать вашу речь и даже предоставлять обратную связь. Звучит заманчиво, не так ли? Однако не торопитесь скупать все перечисленные девайсы, начните изучение постепенно. Прежде чем «бежать марафон» с аналогичными устройствами, сначала нужно «научиться ходить» с вашим Raspberry Pi.
Рис. 1.16: Плата расширения Sense HAT
