Raspberry Pi Tutorial [EP1] : Raspberry Pi คืออะไร ?

สรุปให้เป็นภาษาบ้าน ๆ เลยว่า จริงๆ Raspberry Pi มันก็คือคอมพิวเตอร์ตัวหนึ่งแหละครับ (ย้ำนะว่าคือ คอมพิวเตอร์) ซึ่งแตกต่างจาก Arduino โดยที่ Arduino เป็นเพียงไมโครคอนโทรเลอร์ตัวหนึ่งที่เราสามารถโปรแกรมคำสั่งให้มันทำงานต่าง ๆ ผ่านคอมพิวเตอร์ ส่วน Raspberry Pi เป็นคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งที่มี CPU (หน่วยประมวลผลกลาง), RAM (หน่วยความจำหลัก), ROM (หน่วยความจำรอง), มี OS (ระบบปฏิบัติการ) สามารถต่อจอ ต่อคีย์บอร์ด ต่อเมาส์ ใช้งานได้เหมือน PC ทั่วไป (อารมณ์มันจะประมาณ Android Box อะครับ) เพราะใช้ สถาปัตยกรรม ARM เหมือนกัน “ไม่ใช่ x86” นะครับ มันลง Windows ไม่ด๊ายยยย!!! ......ทำไมคนส่วนมากคิดว่ามันลง Windows แบบ XP, 7, 8, 10 พวกนี้ได้กันนะ (ฮ่าบ่เข้าจ๊ายยย) ที่ลงได้มันเป็น Windows IoT มันไม่เหมือนก๊านนนน!!! (ไว้ EP ต่อไปจะมาเหลาให้ฟังนะครับ)

โดย Raspberry Pi มีระบบปฏิบัติการที่เป็นที่นิยมคือ Rasbian ที่พัฒนาต่อมาจาก Debian เป็น Distro ของตัวหนึ่งของ Linux OS และมี Python IDE สำหรับพัฒนาโปรแกรมภาษา Python ให้เลย และอีกมากมายเยอะมาก ๆ มี Liber Office ติดตั้งมาด้วยเลยนะ (ใครจะพิมพ์งานอะไร มีมาพร้อม) โดย Raspberry Pi มีความสามารถมากมายแล้วแต่ผู้ใช้สุดแต่ใจจะจินตนาการสรรค์สร้างได้

เนื่องด้วยประสิธิภาพที่สูงเมื่อเทียบกับขนาด (ขนาดใหญ่กว่าบัตรประชาชนอยู่หน่อยๆ) จึ่งเป็นที่นิยมในวงการพัฒนาหุ่นยนต์ และความสามารถที่เหมือน PC แต่มีขนาดเล็ก จึงมีคนมากมายนำไปเป็น Web Server, Database Server ทำให้วงการ IoT เลิฟฟมันสุด ๆ ในชุด Raspberry Pi Tutorial นี้ก็จะเป็นบทเรียนทั้งหมดเกี่ยวกับมัน ตั้งแต่เริ่มต้นใช้งาน จนถึงเอามันไปใช้งานกับตัวอย่างโปรเจ็คต่าง ๆ รอติดตามกันนะครับ ส่วนใครต้องการข้อมูลแบบถี่ยิบๆ ก็อ่านต่อข้างล่างนะครับ (เผื่อบางคนจะเอาไปทำรายงาน ลงเล่มโปรเจ็คไรงี้ ก๊อปกันตามสบายเลยครับ) ส่วนใครที่รู้อยู่แล้วหรือคิดว่าตัวเองไม่ต้องรู้ลึกขนาดนั้น ก็ปูเสื่อรอชม EP ถัดไปในส่วนการติดตั้งระบบปฏิการและการใช้งานในขั้นต้นได้เลยครับ

Raspberry Pi คืออะไร ?

Raspberry Pi เป็นคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่จัดอยู่ในกลุ่มคอมพิวเตอร์แบบฝังตัว (Embedded Computer) ถูกพัฒนาขึ้นในสหราชอาณาจักร (UK) โดย Raspberry Pi Foundation รูปแบบเดิมออกแบบเพื่อเป้าหมายในการส่งเสริมการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ขั้นพื้นฐาน ในโรงเรียนและในประเทศกำลังพัฒนา ในปัจจุบันเป็นที่นิยมมากขึ้นกว่าเป้าหมายเดิมที่คาดการณ์ไว้ โดยขายนอกตลาดเป้าหมายสำหรับการใช้งาน เช่น หุ่นยนต์, Server, Internet of Thing ฯลฯ

Raspberry Pi จำหน่ายได้กว่า 5 ล้านชุดใน กุมภาพันธ์ 2015 ทำให้เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ขายดีที่สุดในสหราชอาณาจักร โดยพฤศจิกายน 2016 ขายได้ 11 ล้านชุด และ 12.5 ล้านชุด ภายในเดือนมีนาคมปี 2018 สูงสุดเป็นอันดับสามของโลกในกลุ่มของ "เครื่องคอมพิวเตอร์ทั่วไป" ในกรกฏาคม 2018 ขายถึงเกือบ 15 ล้านชุด ในเดือนมีนาคม 2018 ยอดขายถึง 19 ล้านชุด โดยที่ Raspberry Pi ส่วนใหญ่จะผลิตในโรงงานของ สหราชอาณาจักร จีน และญี่ปุ่น

ภาพรวมของ Raspberry Pi

Raspberry Pi ได้รับการเผยแพร่หลายรุ่นแล้ว ทุกรุ่นมีชิพ Broadcom เป็นหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) และหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) ในตัว มีความเร็วตั้งแต่ 700MHz ถึง 1.4GHz (1.4GHz สำหรับ Raspberry Pi 3 รุ่น B+ โดยมี RAM ตั้งแต่ 256MB ถึง 1GB มีการ์ด Secure Digital (SD) ใช้เพื่อจัดเก็บระบบปฏิบัติการและหน่วยความจำ ในขนาด SDHC หรือ MicroSDHC บอร์ดมีพอร์ต USB ตั้งแต่ 1 ถึง 4 พอร์ต มีเอาต์พุตวิดีโอ HDMI และวิดีโอคอมโพสิต โดยมีแจ็คขนาด 3.5 มม. สำหรับเอาต์พุตเสียง และ GPIO จำนวนหนึ่งซึ่งสนับสนุนโปรโตคอลทั่วไป เช่น i2C อีกทั้งในรุ่น B มีพอร์ต Ethernet และ Raspberry Pi Zero W มี Wi-Fi 802.11n และ Bluetooth ที่ติดตั้งอยู่ในตัว

Processor (หน่วยประมวลผล)

ในรุ่นแรก Raspberry Pi 1 Model B ได้รับการปล่อยตัวเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ปี 2012 ตามมาด้วยรุ่น A ที่เรียบง่ายและราคาถูกกว่าในปี 2014 ต่อมามูลนิธิเปิดตัวบอร์ดที่มีการออกแบบที่ดีขึ้นในรุ่น Raspberry Pi 1 Model B+ โดยมีขนาดโดยประมาณเท่าบัตรเครดิต จากนั้นในอีกหนึ่งปีต่อมามีการปรับปรุงใหม่ในโมเดล A+ และ B+ และ Raspberry Pi 2 ได้รับการปล่อยตัวในเดือนกุมภาพันธ์ปี 2015

Raspberry Pi Zero ที่มีขนาดเล็กลงและมี (GPIO) ลดลง ได้รับการเปิดตัวในเดือนพฤศจิกายน 2015 ต่อมาได้มี Pi ต่อมามีรุ่นใหม่ล่าสุดใน 28 กุมภาพันธ์ 2017 ในชื่อเดิม จากนั้นมีรุ่น Wi-Fi และบลูทูธ ในวันที่ 12 มกราคม 2018

Raspberry Pi 3 Model B ได้รับการปล่อยตัวในเดือนกุมภาพันธ์ปี 2017 ด้วยโปรเซสเซอร์ Quad-Core 64 บิทและมี WiFi on-board, Bluetooth และ USB boot ได้ และล่าสุดเมื่อ 2018 ได้เปิดตัวรุ่น 3 B+ พร้อมกับโปรเซสเซอร์ความเร็ว 1.4GHz ใช้เครือข่ายความเร็วสูงขึ้น 3 เท่า มี gigabit (300 Mbit/s) หรือ 2.4/5GHz dual-band Wi-Fi (100 Mbit/s) ตัวเลือกอื่น ๆ ได้แก่ Power over Ethernet (PoE) บูต USB และการบูตระบบเครือข่าย (การ์ด SD ไม่จำเป็นต้องใช้อีกต่อไป)

องค์กรที่อยู่เบื้องหลัง Raspberry Pi ประกอบด้วยสององค์กร โดยในบอร์ดสองรุ่นแรกได้รับการพัฒนาโดย Raspberry Pi Foundation หลังจากที่ได้รับการเผยแพร่ Pi Model B แล้วมูลนิธิฯ ได้จัดตั้ง Raspberry Pi Trading ขึ้นโดยมี Eben Upton เป็น CEO เพื่อพัฒนารุ่น 3 B+ โดย Raspberry Pi Trading มีส่วนรับผิดชอบในการพัฒนาเทคโนโลยี ในขณะที่มูลนิธิเป็นองค์กรการกุศลด้านการศึกษาเพื่อส่งเสริมการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ขั้นพื้นฐานในโรงเรียนและในประเทศกำลังพัฒนา มูลนิธิแจกจ่าย Raspbian ลินุกซ์ที่พัฒนาจาก Debian เพื่อดาวน์โหลดรวมทั้งที่ได้รับการสนับสนุนจากแหล่งอื่น ได้แก่ Ubuntu, Windows 10 IoT Core, RISC OS สนับสนุนภาษา Python และ Scratch เป็นหลัก และการสนับสนุนภาษาอื่น ๆ อีกมากมาย

ฮาร์ดแวร์

ฮาร์ดแวร์ Raspberry Pi ได้พัฒนาขึ้นผ่านมาแล้วหลายรุ่น ซึ่งมีรูปแบบการทำงานโดยรวมคลายคลึงกันอธิบายได้โดยแผนภาพ

แผนภาพบล็อกนี้อธิบายถึงโมเดล B และ B+ รุ่น A, A+ และ Raspberry Pi Zero ซึ่งมีลักษณะคล้ายกัน แต่ไม่มีส่วนประกอบของ Ethernet และ USB Hub โดย Ethernet เชื่อมต่อภายในกับพอร์ต USB เพิ่มเติม ส่วนในรุ่น A, A+ และ Raspberry Pi Zero พอร์ต USB จะเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบบนชิป (SoC) และสำหรับรุ่น Pi 1 รุ่น B+ และรุ่นที่ใหม่กว่ามีชิป USB/Ethernet มี USB Hub อยู่ 5 จุดซึ่งมี 4 พอร์ตในขณะที่ Pi 1 รุ่น B มีให้เฉพาะ 2 จุดเท่านั้น บน Raspberry Pi Zero พอร์ต USB จะเชื่อมต่อโดยตรงกับ SoC แต่จะใช้พอร์ต USB ขนาดเล็ก (OTG)

หน่วยประมวลผล

Broadcom BCM2835 ที่ใช้ใน Raspberry Pi รุ่นแรก ค่อนข้างเทียบเท่ากับชิพที่ใช้ในมาร์ทโฟนรุ่นแรก (CPU เป็นสถาปัตยกรรม ARMv6) ซึ่งรวมถึงโปรเซสเซอร์ ARM1176JZF-S 700MHz, หน่วยประมวลผลกราฟิก VideoCore IV (GPU) และแรม มีแคช L1 ขนาด 16 KB และแคช L2 ขนาด 128 KB แคชร L2 จะใช้ GPU เป็นหลัก SoC ถูกจัดเรียงซ้อนกันอยู่ใต้ชิปแรมเพื่อให้สามารถมองเห็นขอบได้เท่านั้น

Raspberry Pi รุ่น 2 ได้ใช้ Broadcom BCM2836 กับโปรเซสเซอร์ Quad-Core ARM Cortex-A7 900MHz ขนาด 32 บิตพร้อมด้วยแคช L2 ที่ใช้ร่วมกันขนาด 256 กิโลไบต์ Raspberry Pi 2 V1.2 ได้รับการอัปเกรดเป็น Broadcom BCM2837 ด้วยโปรเซสเซอร์ Quad-Core ARM Cortex-A53 แบบ 64 บิต ความเร็ว 1.2GHz แบบเดียวกันที่ใช้กับ Raspberry Pi 3 แต่มี underclocked ไปที่ความเร็วของสัญญาณนาฬิกา CPU 900MHz เหมือนกันกับ V1.1 โดย BCM2836 ยุติการผลิตปลายปี 2016

Raspberry Pi 3+ ใช้ Broadcom BCM2837B0 กับโปรเซสเซอร์ Quad-Core ARM Cortex-A53 ขนาด 64 บิต ความเร็ว 1.4GHz พร้อมแคช L2 ที่ใช้ร่วมกันขนาด 512 กิโลไบต์

ประสิทธิภาพ

Raspberry Pi 3 กับ quad-core ARM Cortex-A53 processor มีการอธิบายถึงประสิทธิภาพว่าสูงมากกว่ากว่า Raspberry Pi 1 ถึง 10 เท่า ซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้เธรดงาน และการใช้ชุดคำสั่ง Benchmarks โดยรวมแล้ว Raspberry Pi 3 จะเร็วกว่า Raspberry Pi 2 ถึง 80% ในงานแบบ Parallelised (การประมวลผลการทำงานแบบขนาน)

Raspberry Pi 2 V1.1 รวมเอา quad-core Cortex-A7 CPU ที่ความเร็ว 900MHz และ RAM ขนาด 1GB มันถูกอธิบายว่ามีประสิทธิภาพมากขึ้นกว่ารุ่นก่อน ในการเปรียบเทียบแบบขนาน เร็วกว่า Raspberry Pi 1 รุ่น B+ ถึง 14 เท่า

Raspberry Pi รุ่นแรกให้ประสิทธิภาพ 700MHz หรือประมาณ 0.041 GFLOPS ในระดับซีพียูประสิทธิภาพจะคล้ายคลึงกับ Pentium II 300MHz ในปี พ. ศ. 1999 และ GPU ให้การประมวลผลกราฟิก 1 Gpixel/s หรือ 1.5 Gtexel/s หรือ 24 GFLOPS สำหรับประสิทธิภาพการทำงานโดยทั่วไป ความสามารถด้านกราฟฟิคของ Raspberry Pi ใกล้เคียงกับประสิทธิภาพของ Xbox ของปี 2001

การโอเวอร์คล็อก

ชิพของ Raspberry Pi ส่วนใหญ่สามารถโอเวอร์คล็อกได้ถึง 800MHz และบางส่วนถึง 1000MHz มีรายงานว่า Raspberry Pi 2 สามารถโอเวอร์คล๊อกได้สูงถึง 1500MHz (ทิ้งคุณสมบัติด้านความปลอดภัยและข้อจำกัดแรงดันไฟฟ้าเกิน) ในตัวเลือก Raspbian Linux distro ตัวเลือกการโอเวอร์คล๊อกในการ Boot สามารถทำได้โดยคำสั่งซอฟต์แวร์ "sudo raspi-config” และ Raspberry Pi จะปิดการโอเวอร์คล๊อกโดยอัตโนมัติหากชิพมีอุณหภูมิถึง 85 องศาเซลเซียส (185 องศาฟาเรนไฮต์) แต่สามารถแทนที่การตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าและโอเวอร์คล็อกอัตโนมัติได้ จึงจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนที่เหมาะสมเพื่อป้องกันชิพ จากความร้อนที่สูงเกินไป

เฟิร์มแวร์เวอร์ชั่นใหม่มีตัวเลือกในการเลือกโอเวอร์คล๊อก ("เทอร์โบ") จำนวน 5 ชุด ซึ่งเมื่อใช้แล้ว Pi จะพยายามเพิ่มประสิทธิภาพของ SoC โดยไม่ทำให้อายุการใช้งานของบอร์ดลดลง ทำโดยการตรวจสอบอุณหภูมิแกนของชิพ CPU และปรับความเร็วนาฬิกาและแรงดันไฟฟ้าหลัก หากความต้องการอยู่ในระดับต่ำบน CPU หรือมีการทำงานที่ร้อนเกินไป ประสิทธิภาพจะถูกควบคุม แต่ถ้า CPU มีมากพอที่จะทำและอุณหภูมิของชิพเป็นที่ยอมรับได้ประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นชั่วคราว ด้วยความเร็วนาฬิกาที่สูงถึง 1GHz ขึ้นอยู่กับแต่ละ Board และใช้การตั้งค่าเทอร์โบ
        

ซีพียูรุ่นแรกและรุ่นที่สองของ Raspberry Pi ไม่ต้องการระบายความร้อน เช่น ฮีทซิงค์หรือพัดลมแม้ในกรณีที่โอเวอร์คล๊อก แต่ Raspberry Pi 3 อาจสร้างความร้อนขึ้นเมื่อโอเวอร์คล็อกได้

การเชื่อมต่อ

        Pi Zero

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อและ IC หลัก

        Model A

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อและ IC หลักบน Raspberry Pi 1 รุ่น A

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อและ IC หลักบน Raspberry Pi 1 รุ่น A + revision 1.1

        Model B

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อและ IC หลักบน Raspberry Pi 1 รุ่น B แก้ไข 1.2

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อและ IC หลักบน Raspberry Pi 1 รุ่น B + revision 1.2 และ Raspberry Pi 2

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อและ IC หลักบน Raspberry Pi 3

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อขา GPIO

ตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อขา GPIO บน Raspberry Pi 3 B