Mikrocontroller Die Vorteile von Raspberry Pi Pico 2 gegenüber Pico 1

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Mit der Pico-Serie startete Raspberry Pi seine Mikrocontrollerboards. Raspberry Pi 2 ähnelt optisch dem Vorgänger, hat aber dank des RP2350-Chips wesentlich mehr zu bieten, etwa alternativ nutzbare RISC-V-Kerne. Weitere Details verrät dieser Beitrag.

Das Mikrocontroller-Board der zweiten Generation, Raspberry Pi Pico 2, basiert auf dem Chip RP2350: Highlights sind zwei RISC-V-Kerne, zwei M33-Prozessorkerne, die mit 150 Megahertz takten, 4- statt 2-MB-Flash-Speicher, neue Sicherheitsfunktionen und verbesserte Schnittstellenfunktionen.

Für den Pico 2 bedeutet das einen deutlichen Leistungs- und Funktionszuwachs, wobei die Hardware- und Softwarekompatibilität mit früheren Mitgliedern der Pico-Serie erhalten bleibt. Er ist formtechnisch und elektrisch mit dem ursprünglichen Pico-Design kompatibel. Der Pico 2 ist ab etwa 5 Euro erhältlich.

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RP2040: der Mikrocontroller für den Ingenieur

Im Jahr 2021 wurden der ursprüngliche Raspberry Pi Pico und der RP2040-Mikrocontroller, der auch solo erhältlich ist, vorgestellt. "In den dreieinhalb Jahren, die seitdem vergangen sind, haben wir fast vier Millionen Einheiten des Pico und seines Wireless-Geschwisters Pico W verkauft", so Eben Upton, Chief Executive Raspberry Pi Trading.

"Der RP2040 selbst hat in unzähligen Entwicklungsplatinen von Drittanbietern und in OEM-Produkten von Flippertischen bis zu Synthesizern ein Zuhause gefunden. Doch es gab Funktionen auf unserer Liste, die es beim ersten Mal nicht geschafft haben: On-Chip-Speicher, stromsparende Leerlaufzustände, Gehäuseoptionen. Und es gab neue Funktionen, die von den zahlreichen RP2040-Benutzern gewünscht wurden: schnellere Kerne, mehr RAM, Code-Schutz."

RP2350 - mehr Performance und dennoch kostengünstig

Vor rund zwei Jahren, mit dem RP1-I/O-Controller für den Raspberry Pi 5, begann das Raspberry-Pi-Chipteam mit der Arbeit am RP2350. Es handelt sich dabei um ein weitaus ausgefeilteres Design als RP2040, das folgende Merkmale aufweist:

• Zwei Arm Cortex-M33-Kerne mit 150 MHz, mit Gleitkomma- und DSP-Unterstützung,

• 520 KB On-Chip-SRAM in zehn gleichzeitig zugänglichen Bänken,

• eine umfassende Sicherheitsarchitektur, die auf Arm TrustZone für Cortex-M aufbaut und Folgendes beinhaltet: Unterstützung für signiertes Booten, 8 KB On-Chip Antifuse One-Time-Programmable (OTP) Speicher, SHA-256-Beschleunigung, einen echten Hardware-Zufallszahlengenerator (TRNG),

• ein On-Chip-Schaltnetzteil und ein LDO mit niedrigem Ruhestrom,

• zwölf aktualisierte PIO-Zustandsmaschinen,

• ein neues HSTX-Peripheriegerät für Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung,

• Unterstützung für externes QSPI PSRAM.

Während der RP2040 nur eine einzige QFN56-Gehäuseoption mit 7 mm x 7 mm hat, bietet der RP2350 eine Auswahl an: ein QFN60-Gehäuse (RP2350A) mit 7 mm x 7 mm und 30 GPIOs oder ein QFN80-Gehäuse (RP2350B) mit 10 mm x 10 mm und 48 GPIOs sowie Varianten von jedem mit 2-MB-Stacked-in-Package-QSPI-Flash (RP2354A und RP2354B).

Raspberry Pi ist seinen erschwinglichen Wurzeln treu geblieben: "Obwohl unser Silizium-Die jetzt extravagante 5,3 mm² misst, im Vergleich zu 2,7 mm² beim RP2040, soll der RP2350A nur zehn Cent teurer sein und in Rollen mit 3.400 Einheiten rund 0,80 US-$ bzw. in Einzelstückzahlen rund 1,10 US-$ kosten. RP2350B soll zehn Cent mehr als RP2350A kosten, während die RP2354-Varianten nur zwanzig Cent mehr kosten. Der RP2350 soll vor Ende 2024 in großen Mengen verfügbar sein", so Eben Upton.

Alternativ RISC-V nutzbar

"Obwohl wir schon seit vielen Jahren Mitglied von RISC-V International sind, hatten wir noch nie die Gelegenheit, ein RISC-V-Raspberry-Pi-Produkt auszuliefern", so Eben Upton. "Doch jetzt kann der RP2350-Chip des Pico 2 alternativ auch RISC-V, dank eines Bonus-Features": Luke Wren, Principal Engineer im Raspberry Pi Chip Team, hat den Hazard3 entwickelt. Dabei handelt es sich um zwei Open-Hardware-Hazard3-RISC-V-Kerne, die beim Booten anstelle der Cortex-M33-Cores eingesetzt werden können.

"Unser Boot-ROM kann sogar automatisch die Architektur erkennen, für die ein Second-Stage-Binary erstellt wurde, und den Chip in den entsprechenden Modus neu starten. Alle Funktionen des Chips, abgesehen von einer Handvoll Sicherheitsfunktionen und dem Doppelpräzisions-Gleitkommabeschleuniger, sind im RISC-V-Modus verfügbar", so Eben Upton.

Hazard3, veröffentlicht bei Github, ist ein hoch optimierter dreistufiger Pipeline-Prozessor, der den RV32I-Befehlssatz und eine große Sammlung von Standarderweiterungen zur Steigerung der Leistung und der Codedichte implementiert. Mit dem Hinzufügen von Hazard3 zum RP2350 will Raspberry Pi Softwareentwicklern die Möglichkeit geben, mit der RISC-V-Architektur in einer stabilen, gut unterstützten Umgebung zu experimentieren. Eben Upton empfiehlt Interessierten "Lukes historische Beiträge auf Twitter/X, die den Entwicklungsprozess detailliert beschreiben".

Signierter Bootvorgang beim RP2350

Der Eckpfeiler des RP2350-Sicherheitsmodells ist der signierte Bootvorgang. Wenn die Sicherheit aktiviert ist, kann eine Binärdatei nur gebootet werden, wenn sie mit einem privaten Schlüssel signiert wurde, wobei ein Hash des entsprechenden öffentlichen Schlüssels im OTP gespeichert ist. Dadurch, dass ein Angreifer daran gehindert wird, beliebigen Code auszuführen, wird ein Versuch, den OTP-Inhalt zu extrahieren, einschließlich der kryptografischen Schlüssel, die zum Schutz des Codes verwendet werden, erheblich erschwert.

Zusammenarbeit mit dem Trusted-Firmware-Projekt und Google

Raspberry Pi hat mit dem Trusted-Firmware-Projekt zusammengearbeitet, um den Mikrocontroller RP2350 als Referenz-Hardwareplattform für die Trusted-Firmware M 2.1.0 Long Term Support Release zu etablieren. TF-M bietet eine Referenzimplementierung für PSA Certified auf Arm-v8-M-Chips, die es Entwicklern ermöglicht, Geräte gegen gängige Angriffe zu schützen. RP2350 wird zudem von einem zertifizierten, unabhängigen Labor getestet, mit dem Ziel, PSA Certified Level 2 zu erreichen.

Es besteht zudem eine Zusammenarbeit mit Google, um das Pigweed SDK mit nativer Unterstützung für Pico 2 auf den Markt zu bringen. Die Middleware-Bibliotheken von Pigweed wurden bereits in Millionen von Geräten ausgeliefert, darunter Googles eigene Pixel-Geräte und Nest-Thermostate. Das Pigweed SDK vereinfacht es, diese Komponenten bei der Entwicklung von Projekten für Pico 2 zu verwenden.

Weitere technische Details des Pico 2

Der RP2040 des Pico 1 verfügt über einen eingebauten Linearregler, der 3,3 V abnimmt und auf 1,1 V für den Prozessorkern herunterregelt. Der RP2350 hat ein Schaltnetzteil an Bord, das die gleiche Aufgabe erfüllt, aber effizienter ist. Nick Francis, ASIC Technical Director bei Raspberry Pi kommentiert: "Raspberry Pi ist beim Pico 2 von einem Regler zu einem Umschalter übergegangen. Denn Regler sind von Natur aus unter Last nicht so effizient."

"Wir haben also unseren Kernversorgungsregler geändert - es handelt sich eigentlich um einen Kombinationsbaustein, d. h. er verfügt über einen kleinen Regler für Stromsparmodi bis zu 1 mA, wenn der größte Teil des Chips ausgeschaltet ist und wir auf das Wake up warten. Und wenn wir den Kern einschalten, schalten wir auf ein Schaltnetzteil um, das bis zu 200 mA liefern kann – mehr als der RP2040, da der Chip größer ist und daher einen höheren Spitzenstrom hat. Das Schaltnetzteil ist effizienter als der beim RP2040 verwendete Regler."

Raspberry Pi hat dem Pico 2 einen dritten PIO-Block (Programmable Input Output) apendiert, also vier weitere Zustandsautomaten und setzt weiter auf den 40-nm-Prozess von TSMC. "Die Beibehaltung desselben Prozesses bedeutet, dass wir einen Teil dieser IP und des Wissens, das wir beim RP2040 und auch beim RP1 (dem ersten hauseigenen Chip des Raspberry Pi, der im Raspberry Pi 5 verwendet wurde) gesammelt haben, wiederverwenden können. Wir haben also Zellbibliotheken, Speicher, ADC, PLL und USB PHY vom RP2040 wiederverwendet.".

Wireless Pico 2 soll noch 2024 erhältlich sein

Raspberry Pi will noch vor Ende des Jahres einen Wireless-Variante, den Pico 2 W mit demselben 43439-Modem von Infineon wie im Pico W sowie Versionen des Pico 2 und des Pico 2 W mit vorinstallierten 0,1-Zoll-Steckverbindern auf den Markt bringen werden.

Hardware-Spezifikation des Pico 2

• Formfaktor: 21 mm x 51 mm,

• CPU: Zwei Arm Cortex-M33- oder zwei RISC-V Hazard3-Prozessoren mit 150 MHz,

• Speicher: 520 KB On-Chip-SRAM; 4 MB On-Board-QSPI-Flash,

• Schnittstellen: 26 Mehrzweck-GPIO-Pins, darunter drei, die für ADC verwendet werden können,

• Peripherie: 2 × UART, 2 × SPI-Controller, 2 × I2C-Controller, 24 × PWM-Kanäle, 1 × USB 1.1-Controller und PHY, mit Host- und Geräteunterstützung, 12 × PIO-Statusmaschinen,

• Eingangsspannung: 1,8-5,5 V_DC

• Betriebstemperatur: -20 bis 85 °C

 (mk)

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