Raspberry Pi 3B+ – ideal für Industrial

Mit Raspberry 3 B+ ging ein langgehegter Wunsch der Community in Erfüllung, GBit Ethernet und WLAN-ac. Doch das eigentliche Novum ist: Die Raspberry Pi Foundation adressiert mit 3 B+ speziell die Serienproduktion.

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pi3g Maximilian Batz

Der derzeit schnellste Raspberry Pi (RPi), Modell 3 B+, wurde genauso wie der kleinste Raspberry Pi Zero W von Roger Thornton entwickelt. Raspberry Pi 3 B+ hat die gleiche CPU wie Raspberry Pi 3 B, allerdings mit 1,4 GHz statt 1,2 GHz Takt – und das bei deutlich verbessertem Wärmemanagement.

Ebenfalls gleich geblieben sind der Formfaktor: die gleichen vier USB-Ports, und auch die PWR- und ACT-LEDs sind am gleichen Platz wie beim RPi 3 Modell B gewohnten Platz. Auch der Arbeitsspeicher bleibt bei 1 GB. Damit ist der neueste Raspberry Pi mit den meisten Gehäusen, etwa dem TEK-BERRY 3, und natürlich den HATs und weiterem Raspberry-Pi-Zubehör voll kompatibel.

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Funkmodul im 5-GHz-Band und WLAN-ac sowie GBit-LAN

Dank des neuen Funkmoduls mit Metall-Abschirmung und prominentem Raspberry-Pi-Logo lässt sich Modell 3 B+ auf Anhieb vom Vorgänger RPi 3 B auseinanderhalten. RPi 3 B+ funkt jetzt auch im 5-GHz-Band und unterstützt WLAN IEEE 802.11ac. Für Bluetooth wird mit Version 4.2 eine neuere Version unterstützt. Neu sind außerdem der GBit LAN Port (mit maximal ca. 300 MBit/s Durchsatz), Power-over-Ethernet-Unterstützung, und erheblich verbessertes PXE-Netzwerk-Boot.

BCM2837B0, die neue, alte CPU

Auch das Herz des Raspberry Pi hat jetzt einen Metall-Look: BCM2837B0 heißt der neue System-on-Chip (SoC). Wie der Name schon verrät, hat sich gegenüber dem BCM2837 des Vorgängers RPi 3 B intern nicht genug getan, um einen Major-Versionssprung zu rechtfertigen: Es sind auch weiterhin vier 64-Bit-Prozessorkerne ARMv8-A Cortex-A53 verbaut. Der Grund für das hartnäckige RAM-Limit auf 1 GB ist ebenfalls im SoC-Design zu suchen. Der VideoCore IV, GPU und Videokern aller RPis, unterstützt nämlich maximal 1 GB Arbeitsspeicher.

Durch den eingebauten Wärmespreizer (Heat Spreader), sowie weiterer Optimierungen bei der Stromversorgung konnte die Taktfrequenz der CPU-Kerne auf 1,4 GHz gesteigert werden. Das ist im Vergleich zum Pi 3 Modell B ein Plus von rund 15%!

Mehr Leistung bei höherer Stabilität

Der wirkliche Clou ist jedoch, dass diese Leistung unter Last deutlich länger konsistent aufrechterhalten werden kann. Die Raspberry Pi Foundation hat dazu die Stromversorgung des Einplatinencomputers von Grund auf überarbeitet: Dank des dafür eingesetzten MxL7704 PMIC (Power Management Integrated Circuit) erscheint das Board zudem viel aufgeräumter. Denn dieser PMIC fasst die bisher auf der Platine verwendeten diskreten Stromversorgungen (sogenannte Bucks und LDOs) verschiedener Komponenten zusammen.

Der MxL7704 liefert jetzt die verschiedenen benötigten Spannungen (3,3 V / 1,8 V / etc.) mit deutlich höherer Stabilität und feinerer Justierungsmöglichkeit. So kann der Kern (SoC) mit etwas weniger oder mehr Spannung versorgt werden, worüber die Leistungsfähigkeit und Abwärme beeinflusst werden kann.

Höhere Taktraten für leistungsintensivere Programme

Unter 70 °C interner BCM2837B0-Temperatur wird die CPU-Frequenz dank der Verbesserungen auf 1,4 GHz angehoben. Der RPi versucht so lange wie möglich mit maximaler Taktfrequenz zu laufen. Bei einer Temperatur ab 70 °C reguliert er jedoch peu à peu auf 1,2 GHz Takt herunter. Über den MxL7704 wird die Core-Spannung gesenkt – dadurch kann die CPU möglichst lange weiter auf noch hoher Taktfrequenz betrieben werden bis bei 80° C abreguliert werden muss.

Der eingebaute Wärmeverteiler, erkennbar als metallene Oberfläche, unterstützt die hohe Taktfrequenz bestens. In vielen Anwendungsfällen sollte der Prozessor nie die 80 °C erreichen, also die Performance so gut wie ungedrosselt bleiben.

Im Vergleich zum Raspberry Pi 3 B kann RPi 3 B+ folglich wesentlich länger höher getaktet laufen, was sich z.B. beim Webbrowsen, Retro-Gaming, und bei Multimedia-Anwendungen sehr positiv äußert.

Raspberry Pi 3 B+ benötigt ein hochwertiges 2,5-A-Netzteil

Das alles hat natürlich auch seinen Preis. Wir reden hier nicht vom Preis des Boards – der bleibt auch weiterhin bei rund 35 $ (exklusive Mehrwertsteuer) – sondern über das Netzteil. Raspberry Pi 3 B+ zieht deutlich mehr Strom als sein Vorgänger, daher wird ein hochwertiges 2,5-A-Netzteil von den Entwicklern dringend empfohlen. Mit dem offiziellen Netzteil der Raspberry Pi Foundation ist man auf jeden Fall auf der sicheren Seite. Raspberry-Pi-Anbieter pi3g hat deshalb auch das Original-Netzteil im Sortiment (im Original Zubehör Kit und in dem Deluxe Complete Kit) und empfiehlt im Zweifel für kritische Anwendungen immer dessen Kauf.

Auch der RPi 3 B+ hat den weithin bekannten Flaschenhals: nur einen USB 2.0 Port (480 MBit/s brutto Datenrate) auf dem SoC. Der wird uns weiterhin begleiten, bis der SoC für den Raspberry Pi 4 komplett neu entworfen wird. Der Microchip LAN7515 holt jedoch aus diesem Engpass für uns das wirklich maximal Mögliche heraus.

GBit LAN, PXE Boot, Power over Ethernet

Wir erhalten auf dem RPi 3 Modell B+ neben den bekannten und allseits beliebten vier USB 2.0 Ports einen (physikalischen) GBit-LAN-Anschluss, der mit 300 MBit/s reellem Durchsatz immerhin dreifache Durchsatzsteigerung gegenüber dem Raspberry Pi 3B bietet, also „nicht ganz“ GBit, aber es wird uns die Wartezeit bis zum Pi 4 gut überbrücken.

Die Performance im realen Betrieb, beispielsweise beim Streamen von Videos von einer angeschlossenen USB-Festplatte, wird nochmals niedriger als die 300 MBit/s sein, da alle Daten (USB Ports und LAN) durch den SoC und den einen USB 2.0 Port laufen müssen.

Der neue LAN Port bietet jedoch noch mehr: Der PXE Boot (Netzwerkboot ohne microSD-Karte) wurde massiv verbessert. Alle bekannten Probleme vom RPi 3 B mit dem Netzwerkboot wurden von Gordon Hollingworth in das Boot ROM vom BCM2837B0 des neuen Modells eingebaut. Es sollte jetzt stabil sein.

Ein weiteres Highlight ist das neue PoE HAT. Das PoE HAT macht aus 48 V, die bei Power over Ethernet (PoE) zusätzlich zu den Daten auf den Netzwerkkabeln anliegen, die vom Raspberry Pi benötigten 5 V. Der RPi 3 B+ führt dazu über einen neuen vier PIN Header die benötigten Leitungen von der LAN-Buchse direkt für HATs heraus.

Raspberry Pi 3 B+ kann also zukünftig dank PoE und PXE einfach über ein einziges (PoE)-Netzwerkkabel angeschlossen werden und bootet ohne zusätzliche SD-Karte oder microUSB-Netzteil. Das ist vor allem für Digital Signage, industrielle und Point-of-Sale-Anwendungen interessant sowie für Schulen.

Dank des auf dem PoE HAT integrierten Lüfters wird außerdem sichergestellt, dass RPi 3 B+ nicht überhitzt. Hier hat die Foundation das Feedback aus dem Markt wunderbar verarbeitet, und interessante neue Möglichkeiten geschaffen. Für alle, die lieber mit USB Sticks arbeiten: booten über USB ist beim Pi 3 B+ natürlich ebenfalls möglich.

Chipset CYW43455: Das große WLAN-/Bluetooth-Upgrade für Raspberry Pi

Der neue silberne, mit Raspberry Pi Logo versehene Chip ist auf der Platine unübersehbar. Das hier verwendete Chipset Cypress CYW43455 (ehemals BCM43455) wird von Linux – und damit Raspbian selbstverständlich unterstützt. Dank Hardware-Offloading für AES und das ältere TKIP werden die vier ARM Cores des RPi 3 B+ entlastet und können sich auf andere Aufgaben konzentrieren. CYW43455 bietet WLAN nach dem IEEE 802.11ac-Standard, sowie volle Abwärtskompatibilität zu 802.11 a/b/g/n. Raspberry Pi 3 B+ unterstützt somit nicht mehr nur wie frühere Modelle den 2,4-GHz-Bereich, sondern auch das 5-GHz-Band.

Vorteil des 5-GHz-Bands

Das 2,4-GHz-Band (ISM steht für Industrial, Scientific and Medical) ist dank seiner weltweiten Verfügbarkeit mit sehr vielen Anwendern gesättigt. Von der Mikrowelle über DECT für tragbare Telefone bis hin zu Garagentüröffnern, Babyphonen und Bluetooth tummeln sich hier zu viele potenzielle Störquellen.

Das 5-GHz-Band – ebenfalls weltweit verfügbar – ist eine hervorragende Alternative. Es bietet sogar physikalisch bedingt höhere Geschwindigkeiten, allerdings dafür eine kürzere Reichweite: die 5-GHz-Signale kommen nicht so gut durch Wände und Decken wie 2,4 GHz. Nicht alle Router (beispielsweise ältere Fritz!Boxen) unterstützen allerdings den neuen 802.11ac-5-GHz-Standard.

Der reale Datendurchsatz liegt bei rund 170 MBit/s

Aber genug zu den technischen Details: Sie als Leser interessiert sicherlich insbesondere die tatsächliche maximal mögliche Funk-Durchsatzrate. Dazu zunächst einige theoretische Ausführungen: Der Chipset CYW43455 unterstützt einen Single Spatial Stream (1 x 1) für eine Datenrate von bis zu 433,3 MBit/s (PHY brutto Datenrate), beim Einsatz von WLAN IEEE 802.11ac. Er unterstützt dabei 20/40/80-MHz-WLAN-Funk-Kanäle mit optionaler SGI (Short Guard Interval).

80-MHz-Kanäle wurden im Standard IEEE 802.11ac neu eingeführt. Hier gilt: je mehr Breite des Kanals, desto mehr Durchsatz. Theoretisch unterstützt IEEE 802.11ac bis zu 160-MHz-Kanalbreite, jedoch gibt es noch kaum Geräte dafür am Markt, und der RPi könnte davon sowieso nicht profitieren. Das Guard Interval dient dazu, dass nicht mehrere unabhängige Sender sich gegenseitig stören – bei Short Guard Interval wird, wie der Name schon sagt, weniger lang auf andere Sender gewartet, und damit können mehr Bits pro Millisekunde übertragen werden.

Die WLAN-Standards bieten bereits ab IEEE 802.11n die Möglichkeit, mehrere räumlich getrennte Antennen (Spatial Streams) zu verwenden. So lassen sich vom selben Gerät mehrere Datenströme gleichzeitig zum Empfänger senden, der das wiederum mit seinen Antennen gleichzeitig empfangen kann. Auch hier kann der Raspberry Pi nicht davon profitieren, da nur eine Antenne verbaut wurde. Auf der Chip-Seite können wir also bis zu 433,3 MBit/s schnell funken.

Der Chipset CYW43455 ist nun aber über SDIO (den im SoC verbauten Arasan eMMC Controller) an den SoC des Raspberry Pi 3 B+ angebunden (der zweite Broadcom SD Controller unterstützt SDIO nicht und wird daher für die microSD-Karte genutzt). Der Arasan Controller unterstützt nach Spezifikation das SDIO v3.0 Interface. Der Arasan eMMC SDIO läuft normalerweise (auf dem RPi 3 B) mit 41,6 MHz. Bei einer Übertragung von 4 Bits gleichzeitig erzielt man damit (brutto) 166,4 MBit/s. Falls DDR unterstützt wird, dann 332,8 MBit/s.

Anscheinend ist es (aufgrund von Clock-Settings / Dividern, etc.) nicht möglich, den Arasan mit 50 MHz zu takten. Der nächstmögliche, wenn überhaupt noch stabile Sprung ist auf 62,5 MHz. Damit erhalten wir bei 4 Bit Breite 250 MBit/s, und bei DDR 500 MBit/s. Bei ca. 166,4 MBit/s Durchsatz dürfte RPi 3 B+ am Limit sein. Vielleicht können einige RPis auf bis zu 250 MBit/s Durchsatz gepusht werden. Gegenüber dem RPi 3 Modell B (72,2 MBit/s WLAN Durchsatz nach IEEE 802.11n brutto Maximum) ist das auf jeden Fall bereits eine Verdoppelung der Datenrate. Mit dem weniger dicht besiedelten 5-GHz-Band kann diese Datenrate zudem auch besser ausgeschöpft werden.

Der große Vorteil dieser Anbindung über den SDIO ist, dass der WLAN-Teil des RPi 3 B+ vom USB Port unabhängig ist. Damit kann für Selbstbau-Router-Projekte, etc. mehr Bandbreite ausgeschöpft werden. Auch unsere Anonymebox (Tor-basierende Plug & Play Anonymisierungslösung) profitiert davon. Im echten Leben können wir wohl mit bis zu 102 MBit/s netto Durchsatz im 5-GHz-Band rechnen (Zahlen von Milhouse, dem LibreELEC Entwickler). Das spricht für den Arasan SDIO Port als Flaschenhals.

Interessanterweise wurde wie beim Pi Zero W auch eine Proant-PCB-Antenne verbaut. Dadurch soll ebenso eine etwas bessere Performance (Durchsatz + Reichweite) im 2,4-GHz-Bereich erreicht werden als beim Pi 3.

Vorzertifiziertes WLAN-Modul für eigene Projekte

Sehr interessant für Unternehmen ist das vorzertifizierte WLAN-Modul. Zusammen mit dem Compute Module 3 kann das Modul zukünftig leicht in eigene Projekte integriert werden. Denn durch die Abschirmung (mit dem Raspberry Pi Logo) konnte es als modulare Lösung zertifiziert werden.

Dank dieser bereits durch die Foundation erfolgten weltweiten Zertifizierung – die Unmengen an Geld und Zeit verschlungen hat – können andere Unternehmen jetzt Produkte auf Basis der Raspberry-Pi-Plattform herausbringen. Die Raspberry-Pi-Plattform steht natürlich nicht nur für guten Software Support, sondern auch für solides Engineering und gute Langzeitverfügbarkeit. So gibt die Raspberry Pi Foundation für den Raspberry Pi 3 B+ erstmals eine Fertigungsgarantie bis 2023.

Damit können Unternehmen also eigene WLAN- und Bluetooth-fähige Lösungen entwickeln und so – gemäß Eben Upton – zehn Mal günstiger und schneller auf den Markt bringen. In den meisten Fällen wird nur eine Zertifizierung der nicht-Funkteile erforderlich sein.

Bluetooth 4.2: höhere Geschwindigkeit und Datensicherheit

Der Raspberry Pi 3 B unterstützte noch Bluetooth 4.1. Mit dem Chipset CYW43455 meistert der RPi 3 B+ jetzt auch Bluetooth 4.2, und damit natürlich weiterhin „Bluetooth Classic“ und Bluetooth LE (Low Energy). Bluetooth 4.2 verbessert für Bluetooth LE die Geschwindigkeit, den Datenschutz und die Datensicherheit (Stichworte: LE Privacy 1.2, LE Secure Connections, LE Data Length Extension). Die Bluetooth-LE-Datenpakete können zukünftig 2,5 x schneller verschickt werden, und die Pakete können jetzt bis zu 10 x mehr Daten enthalten im Vergleich zur vorigen Version.

Bluetooth 4.1 sieht bereits vor, dass Smart Devices leichter miteinander kommunizieren können, ohne einen Hub wie einen Computer oder ein Telefon nutzen zu müssen. Bluetooth 4.2 hebt dies jedoch auf eine komplett neue Ebene: Mit dem IPSP-unterstützten 6LoWPAN (Internet Protocol Support Profile / Low Power Wireless Personal Area Networks) soll das Internet Protokoll (IP) auf kleinen und leistungsschwachen Geräten unterstützt werden, um am Internet der Dinge (Internet of Things; IoT) teilhaben zu können. Leistungsschwache Geräte (Sensoren, Aktoren, vernetztes Haus, IoT) – Dinge, die normalerweise keinen Bildschirm haben, um ein WLAN-Passwort einzugeben. Dazu werden IPv6-Pakete für den direkten Internetzugriff genutzt.

Bluetooth Smart Internet Gateways (GATT) ist eine weitere Funktion, die einen Gateway ins Internet bereitstellt. Beispielsweise kann so ein Bluetooth-4.2-Sensor durch den RPi 3 B+ als Gateway-device Nachrichten schicken und empfangen.

Zum Thema Datenschutz: Bluetooth Beacons, die versuchen, Ihr Gerät zu tracken, müssen ab v4.2 erst explizit eine Erlaubnis von Ihnen bekommen. Und LE Secure Connections ist ein neuer Algorithmus für besonders sicheres Pairing von Bluetooth Geräten, der erst ab Bluetooth 4.2 verfügbar ist. Dadurch können zukünftig beispielsweise auch sicherheitskritischere Anwendungen wie automatisches Öffnen der Wohnungstür durch den Raspberry Pi besser abgesichert werden. Übrigens, die aktuelle Version ist Bluetooth 5, vorgestellt 2016. Doch diese Version wird von Raspberry Pi noch nicht unterstützt.

WLAN und Bluetooth sind auf dem CYW43455 in unabhängigen Hardwareeinheiten implementiert. Der Chip sorgt durch interne Verbindungen und „Absprache untereinander“, sowie optimierte Empfangs-Algorithmen allerdings für eine friedliche und produktive Koexistenz.

Ausblick: Raspberry Pi 4.0

Der neue Raspberry Pi 3 B+ benötigt auch neue Software – er wird mit NOOBS vor der Version 2.7.0, die am 14.03.2018 erschienen ist, nicht booten. Für Raspbian Jessie wird die Firmware ebenfalls zur Verfügung gestellt. Andere Distributionen wie LibreELEC und RetroPie werden nachziehen.

Alle Fans des 40-Pin-GPIO Headers können aufatmen: alles ist wie gehabt, alle heißgeliebten Erweiterungs-HATs werden unterstützt. Wie beim Pi 3 B und Pi Zero W ist Bluetooth jedoch über den „guten“ UART angebunden (den PL011). Nutzer des UARTs über den GPIO Header sollten die bekannten Einschränkungen des hier zur Verfügung stehenden miniUARTs beachten, bzw. per Overlay die zwei UARTs tauschen oder Bluetooth deaktivieren.

Der RUN Header hatte vorher zwei Pins. Einer davon war Ground - beim Verbinden des "RUN" Pins an GND wurde die CPU zurückgesetzt. Der Header konnte also verwendet werden um einen Reset-Taster einzubauen. Dabei blieb jedoch die Stromzufuhr komplett eingeschaltet, auch bei kontinuierlichem Halten des RUN Pins an GND war die CPU zwar praktisch gesehen aus, aber es wurde trotzdem Strom verbraucht.

Im RPi 3 B+ wurde der GND Pin aus dem RUN Header entfernt, und ein neuer Pin „PEN“ hinzugefügt. PEN steht dabei für Power ENable. Beim Verbinden des PEN Pins an GND wird dem Board der Strom komplett entzogen – es geht damit in den niedrigsten Stromverbrauchszustand. Sicherlich sinnvoll für batteriebetriebene Lösungen, die das Board dann aus dem Tiefschlaf mit einem kleinen Mikrocontroller aufwecken können. Wo GND holen, wenn nicht stehlen? Auf dem GPIO Port stehen jede Menge GND Pins zur Verfügung, auch ist die äußere Hülle der USB Ports auf Ground. Eine Büroklammer ist vermutlich lang genug.

Ausblick: Raspberry Pi 4

Der Raspberry Pi 3 B+ ist, wie der Name schon sagt, kein RPi 4. Liebevoll entwickelt, bietet er aber noch etwas mehr Leistung als sein Vorgänger in fast jeder Disziplin eines Singleboard-Computers. Ähnlich wie RPi 1 B+ im Vergleich zu RPi 1 B handelt es sich hier um kontinuierliche Weiterentwicklung und Liebe zum Detail statt Quantensprung.

Wie bereits erwähnt, ist das Limit auf 1 GB RAM durch den VideoCore IV bedingt, der deutlich fester in einem BCM283x verbacken ist, als die ARM Cores. Uns liegen keine Informationen zu einer höheren Taktung des VideoCore IV oder anderen Veränderungen daran vor. Aus der Erfahrung mit dem RPi 3 B wissen wir, dass auch H.265 Video in vielen Fällen flüssig abspielbar sein sollte – in Software hardwarebeschleunigt dekodiert.

Der Raspberry Pi 4 wird vermutlich ein größeres Redesign auch dieser bislang unberührten Teile des SoCs werden. Das wird uns sicher neue Möglichkeiten und zukünftige Upgrade-Pfade eröffnen: mehr RAM, dedizierte USB Ports (USB 3 wäre schick, liebe Foundation!), volle 1000 MBit/s GBit LAN, usw.. Dieses Redesign braucht natürlich Zeit, die die Foundation durch den Release des RPi 3 B+ für uns überbrücken möchte.

Der Pi 3 B+ wird bis zum Januar 2023 gefertigt werden. Die Foundation versichert uns, dass auch die anderen Modelle (RPi 1 B+, 2, 3) bei entsprechender Nachfrage weiter hergestellt werden.

* Maximilian Batz, PI3G.COM

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