Raspberry Pi 5 – Hardwaredesign erklärt

Frohes neues Jahr, Maker! Es sind bereits über zwei Monate seit der Vorstellung des Raspberry Pi 5 vergangen – wie die Zeit rennt! Die Raspberry Pi Foundation hat mit diesem Modell wirklich etwas Beeindruckendes auf die Beine gestellt, und die Begeisterung in der Community ist riesig.

Die Produktionszahlen sprechen für sich: Mit einer wöchentlichen Fertigung von 70.000 Einheiten in den letzten Wochen hat der Raspberry Pi 5 alle bisherigen Rekorde gebrochen. Und das ist noch nicht alles – bis Ende Januar 2024 soll die Produktion sogar auf 90.000 Einheiten pro Woche ansteigen.

Der 16-Wege FFC PCIe Anschluss

Als die Nutzer den Überraschungseffekt überwunden hatten, sowohl einen Einschaltknopf als auch eine Echtzeituhr auf einem Raspberry Pi vorzufinden, zog eine andere Neuerung besondere Aufmerksamkeit auf sich: der kompakte, vertikal ausgerichtete 16-Wege FFC (Flat Flexible Cable) Anschluss an der linken Seite des Boards. Dieser Anschluss bietet eine einzelne PCI Express Schnittstelle, was eine bemerkenswerte Funktion der neuen Plattform darstellt.

Der Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express oder PCIe) ist, wie der Name andeutet, eine Verbindungsart auf der Platine, die einen schnellen Datentransfer zwischen dem Prozessorchip (hier der BCM2712) und externen Geräten wie NVMe-SSDs, Ethernetkarten oder spezielleren Komponenten wie AI/ML-Beschleunigern ermöglicht. PCIe arbeitet, indem es Datenübertragungen in eine Serie umwandelt und jeweils bitweise seriell über einen einzelnen Kanal sendet. Jeder dieser Kanäle nutzt ein oder mehrere ‚differentielle elektrische Paare‘ auf der Leiterplatte, die effektiv als kontrollierte Wellenleiter fungieren. Sie bestehen aus zwei eng beieinander liegenden Drähten über einer zusätzlichen Erdungsebene darüber und übertragen Signale schnell und störungsarm mit minimalem Verlust und Verzerrung. Für eine einzelne PCIe-Schnittstelle (×1) sind ein Sende-, ein Empfangs- und ein Taktgeber-Paar nötig, also drei differentielle Paare (sechs Drähte). Größere PCIe-Schnittstellen haben mehr Lanes (×2, ×4, ×8, ×16); im Raspberry Pi 5 ist der BCM2712 über eine ×4-Schnittstelle mit dem RP1 I/O-Controller verbunden.

Jede Lane erreicht 5Gbits/s bei PCIe 2.0, dem schnellsten Modus, der auf dem Raspberry Pi 5 offiziell unterstützt wird. Nach Abzug des Kodierungsaufwands bleibt eine Kapazität von 4Gbits/s. Trotz weiterer Protokoll-Overheads sind Übertragungsraten von etwa 450MBytes/Sekunde zu und von einer leistungsfähigen NVMe-SSD möglich. Das ist ziemlich schnell!

Kein M.2 Anschluss direkt auf dem Raspberry Pi 5

Warum wurde kein M.2-Anschluss auf dem Raspberry Pi 5 hinzugefügt? Der M.2-Anschluss ist groß, relativ teuer und hätte die Entwickler dazu gezwungen, eine 3,3V, 3A Stromversorgung bereitzustellen. Diese Faktoren zusammen hätten verhindert, dass er im Standard-Raspberry-Pi-Formfaktor hätte angeboten werden können.
Durch die Verwendung eines kleinen, kostengünstigen FFC-Anschlusses konnte eine PCIe-Schnittstelle bereitgestellt werden, ohne die Platine zu vergrößern oder jeden Raspberry-Pi-Nutzer mit den Kosten eines M.2-Anschlusses und der dazugehörigen Stromversorgungsschaltung zu belasten.

PIP – das neue Wort für ein PCIe Peripheriegerät

Neben den Daten- und Taktgeber-Kanälen erfordert PCIe auch einige Zusatzsignale wie Reset, Clock-Anforderung (die auch als Leistungszustandssignal fungiert) und Aufwecken. Der 16-Wege-Anschluss des Raspberry Pi 5 stellt all diese Signale bereit. Zusätzlich gibt es zwei Pins, die die Boardleistung steuern und sicherstellen, dass ein entsprechend entwickeltes PCIe-Peripheriegerät (PIP) automatisch von der Raspberry Pi-Firmware erkannt wird.

Spezifikation die Erste

Etwas, das die Raspberry Pi Foundation beim Start des Raspberry Pi 5 nicht bereit hatte, war eine Spezifikation, wie man Peripheriegeräte baut, die sich an den 16-Wege PCIe-Anschluss anschließen. Die Interaktion von PCIe-Peripheriegeräten mit den Stromzuständen und der Firmware des Raspberry Pi erforderte eine detaillierte Betrachtung, und so wurde nach umfangreichen Tests des Prototypenprodukts sichergestellt, dass alles wie erwartet funktioniert.
Mittlerweile wurde die erste Revision dieser Spezifikation veröffentlicht.

HAT+ auf dem Raspberry Pi 5 PCB Siebdruck Prototyp hat das Spiel verraten

Die ursprüngliche HAT-Spezifikation wurde 2014 geschrieben, also ist es höchste Zeit für ein Update. Seitdem hat sich viel verändert. Die neue Spezifikation vereinfacht bestimmte Dinge, einschließlich der erforderlichen EEPROM-Inhalte, und fasst alles in einem Dokument im neuen Raspberry-Pi-Dokumentationsstil zusammen und fügt einige neue Funktionen hinzu.

Die ursprüngliche HAT-Spezifikation ist datiert aus dem Jahr 2014, daher war eine Aktualisierung längst überfällig. In der Zwischenzeit hat sich in der Technikwelt viel getan. Die überarbeitete Spezifikation bringt Vereinfachungen, insbesondere hinsichtlich der benötigten EEPROM-Inhalte, und integriert alle Informationen in einem Dokument, das im frischen Stil der neuen Raspberry-Pi-Dokumentationen gehalten ist. Zusätzlich wurden einige neue Funktionen hinzugefügt.

An dieser Norm ist noch weitere Arbeit zu leisten, und die EEPROM-Utilities wurden noch nicht aktualisiert, um die Erzeugung des neuen Stils von EEPROMs zu unterstützen. Die Erstveröffentlichung richtet sich also vor allem an Leute, die ein Gefühl dafür bekommen möchten, wie sich der HAT-Standard verändert.

Der HAT+-Standard sollte wirklich durchdacht gemachen werden, da er wahrscheinlich genauso lange Bestand haben wird wie der alte HAT-Standard. Einer der Gründe für die Verzögerung bei der Veröffentlichung des PCIe-Anschlussstandards war das Gefühl, dass PCIe-Boards (PIPs!), die oben drauf gehen, anstatt darunter, wahrscheinlich HAT+-Boards sein sollten. Das neue HAT+ -Board der Raspberry Pi Foundation wird es jedenfall sein!

Spezifikation die Zweite

Für diejenigen unter euch, die genau lesen, werdet ihr bemerkt haben, dass wir unseren M.2 HAT als „HAT+“ bezeichnen. Als ob eine neue Spezifikation nicht genug wäre, veröffentlichen wir heute auch eine vorläufige Version der neuen HAT+-Spezifikation.

Der neue M.2 M-Key HAT+ der Raspberry Pi Foundation

Der eigene M.2 M Key HAT+ befindet sich im letzten Prototypenstadium und wird Anfang dieses neuen Jahres auf den Markt kommen.

Fremdanbieter M.2 HAT

Ja, den gibt es bereits jetzt schon: Das polnische Unternehmen Pineberry Pi stellt ebenfalls eine spannende Erweiterung für den Raspberry Pi 5 vor: das HatDrive, ein speziell entwickeltes HAT für NVMe-SSDs. Mit diesem Produkt können nun Standard PCIe-SSDs problemlos mit dem Raspberry Pi 5 verbunden werden. Dank des neu hinzugefügten PCI-Express-Port 2.0 x 1 Anschlusses beim Raspberry Pi 5, bietet das HatDrive die Möglichkeit, Daten mit einer beeindruckenden Geschwindigkeit von bis zu 500 Mbyte/s zu übertragen.

Pineberry Pi HatDrive! wird in zwei Varianten angeboten

Das „HatDrive! Top TM1“ wird auf den herkömmlichen 40-Pin-GPIO-Stecker des Raspberry Pi aufgesetzt, über den es auch mit Strom versorgt wird. Die Verbindung zur PCIe-Schnittstelle erfolgt über ein separat mitgeliefertes Flachbandkabel. Das HAT selbst verfügt über einen M.2-Anschluss mit M-Key und LEDs, die den Status der Stromversorgung sowie Lese- und Schreibvorgänge anzeigen. Der Stromversorgungsstatus kann zusätzlich über I2C überwacht werden. Außerdem ist das HatDrive mit einem HAT ID EEPROM ausgestattet, der dem Raspberry Pi und seinem Betriebssystem automatisch die angeschlossene Hardware identifiziert. Zudem ist ein Chip zur Überwachung der Spannungsversorgung verbaut, deren Anliegen über eine LED angezeigt wird. Eine weitere LED dient der Anzeige der SSD-Aktivität. Die Spannungsversorgung erfolgt mit 5 Volt entweder über das PCIe-Kabel oder die GPIO-Leiste, ein 3,3-Volt-Spannungswandler ist integriert. Das Modul kann eine M.2-SSD im Format 2230 oder 2242 aufnehmen. Die Nummern der Formate beziehen sich auf die Abmessungen: So misst zum Beispiel ein 2230-Format 22 mm in der Breite und 30 mm in der Länge.

Zusätzlich zur klassischen, auf der Oberseite montierbaren Version, bietet Pineberry Pi auch das „HatDrive! Bottom BM1“ an, welches von der Unterseite an den Raspberry Pi 5 angedockt wird. Diese Version verzichtet auf GPIO-Anbindungen und besitzt stattdessen einen eigenen 5-V-Spannungseingang. Die Bottom-Variante ist zudem größer konzipiert, sodass sie NVMe-SSDs der Größe 2280 aufnehmen kann:

Mit dem „HatDrive! Bottom BM1“ können dem PCIe-Modul bis zu 10 Watt Leistung bereitgestellt werden, das „HatDrive! Top TM1“ ist auf 5 Watt begrenzt. Abgesehen von der GPIO-Buchse ist die Ausstattung gleich, beide Module sollen den Standard PCIe 3.0 unterstützen. Und tatsächlich sieht es auch in der Realität so aus, dass das TM1 Submodul größer als der Raspberry Pi 5 selbst ist!

Licht und Schatten der neuen PCIe-Schnittstelle

Ein herausragendes Merkmal des neuen Raspberry Pi 5 ist die integrierte PCIe-Schnittstelle. Diese bietet die Möglichkeit, von einer NVMe-SSD zu booten, die im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten SD-Karten wesentlich schnellere Datenübertragungsraten erzielt. Dazu sind allerdings einige Konfigurationsschritte erforderlich, die unter anderem aber auch von der Raspberry Pi Foundation auf der folgenden verlinkten Seite zum Raspberry Pi 5 mit erklärt werden.

Der bekannte YouTuber und Blogger Jeff Geerling hatte die Gelegenheit, dies zu testen – ihm wurde von der Raspberry Pi Foundation ein Prototyp eines PCIe-Adapterboards zur Verfügung gestellt:

Obwohl die Raspberry Pi Foundation die externe PCIe-Schnittstelle nur mit PCIe 2.0 spezifiziert, konnte Geerling sie problemlos mit PCIe 3.0 – dem vom verbauten SoC unterstützten Standard – betreiben. Damit erreichte er eine Datenrate von fast 900 MByte/s – nah am praktischen Limit.

Geerling berichtete jedoch von einigen Herausforderungen, von denen einige bereits bekannt sind. Beispielsweise ist es angeblich nicht möglich, den Raspberry Pi von NVMe-SSDs zu booten, die an einen PCIe-Switch angeschlossen sind, der die einzige nach außen geführte Lane auf mehrere Ports verteilt. Dieses Problem bestand bereits beim Compute Module des Vorgängermodells, das auch eine PCIe-Lane herausführte und von einer NVMe-SSD booten konnte.

Eine neue Erkenntnis ist, dass der WLAN-Chip nicht mehr funktioniert, wenn eine NVMe-SSD installiert ist. Geerling untersucht dieses Problem momentan in Zusammenarbeit mit den Entwicklern der Raspberry Pi Foundation. In weiteren Tests stieß Geerling auf zusätzliche Schwierigkeiten. So gab es beispielsweise Probleme mit der Signalqualität der PCIe-Verbindung bei der Verwendung eines Coral-KI-Beschleunigers von Google. Auch Versuche mit einer externen Grafikkarte waren bisher nicht erfolgreich.

Einige dieser Probleme könnten darauf zurückzuführen sein, dass Geerling noch kein finales Adapterboard zur Verfügung stand. Andere Schwierigkeiten liegen vermutlich in der Firmware, die zum Beispiel mit PCIe-Switches nicht kompatibel ist. Für die Entwickler der Raspberry Pi Foundation gibt es also noch einige Herausforderungen zu bewältigen.

Zusätzliche Hardware-Änderungen des Raspberry Pi 5 Boards

Wie bereits durch uns zuvor in einem früheren Blogpost zur Einführung des Raspberry Pi von uns berichtet, hier noch einmal eine kurze Zusammenfassung über die wichtigsten Hardware-Neuerungen beim Raspberry Pi 5 im Überblick:

• 2,4 GHz Quad-Core 64-Bit Arm Cortex-A76 CPU
• VideoCore VII GPU, unterstützt OpenGL ES 3.1 und Vulkan 1.2
• Dual 4Kp60 HDMI®-Displayausgang
• 4Kp60 HEVC-Decoder
• Dualband-802.11ac-WLAN®
• Bluetooth 5.0 und Bluetooth Low Energy (BLE)
• Hochgeschwindigkeits-microSD-Karteninterface mit Unterstützung für den SDR104-Modus
• 2 × USB 3.0-Anschlüsse für gleichzeitige 5 Gbit/s Operation
• 2 × USB 2.0-Anschlüsse
• Gigabit-Ethernet mit PoE+-Unterstützung (erfordert separates PoE+-HAT, demnächst verfügbar)
• 2 × 4-Lane-MIPI-Kamera/Display-Transceiver
• PCIe 2.0 x1-Schnittstelle für schnelle Peripheriegeräte
• Raspberry Pi Standard 40-Pin GPIO-Header
• Echtzeituhr
• Einschaltknopf (der auch extern über den Jumper JP

Der RP1 Chip der Raspberry Pi Foundation – die Schaltzentrale

Der RP1 Chip hat ein äußerst komplexes Design, das alle externen analogen Schnittstellen, die für den Aufbau eines Raspberry Pi erforderlich sind, sowie die entsprechenden digitalen Controller in einem einzigen 20mm² großen Chip vereint. Dieser Chip wurde auf dem 40LP-Prozess von TSMC implementiert. Er bietet MIPI-Kameraeingang und -displayausgang, USB 2.0 und 3.0, analogen Videoausgang sowie einen Gigabit-Ethernet-MAC. Zusätzlich verfügt er über ausreichend 3V3-ausfallsichere Allzweck-I/O-Pins und verschiedene digitale Niedriggeschwindigkeitsperipheriegeräte, um den standardmäßigen 40-Pin-GPIO-Header anzusteuern. Diese Komponenten sind über ein AMBA AXI-Netzwerk mit einem PCI Express Device Controller verbunden, der wiederum mit dem BCM2712-Anwendungsprozessor kommuniziert. Jede Komponente hat eigene Anforderungen an die Taktung und Umsetzungsbeschränkungen, die eingehalten werden müssen, damit sie korrekt funktioniert.

Der BCM2712 Chip – er enthält CPU und GPU

Der BCM2712 ist ein neuer 16-Nanometer-Anwendungsprozessor (AP) von Broadcom, der aus dem 28-Nanometer BCM2711 AP, der den Raspberry Pi 4 antreibt, abgeleitet wurde und zahlreiche architektonische Verbesserungen bietet. Im Kern verfügt er über einen Quad-Core 64-Bit Arm Cortex-A76 Prozessor, getaktet mit 2,4 GHz, ausgestattet mit 512 KB L2-Cache pro Kern und einem gemeinsam genutzten 2 MB L3-Cache. Der Cortex-A76 ist drei mikroarchitektonische Generationen über dem Cortex-A72 angesiedelt und bietet sowohl mehr Instruktionen pro Takt (IPC) als auch einen geringeren Energieverbrauch pro Instruktion. Die Kombination aus einem neueren Kern, einer höheren Taktfrequenz und einer kleineren Prozessgeometrie führt zu einem deutlich schnelleren Raspberry Pi, der zudem weniger Energie für gegebene Arbeitslasten verbraucht.

Die neuere, schnellerer CPU wird ergänzt durch eine ebenfalls neue, schnellere GPU: Broadcoms VideoCore VII, entwickelt in Cambridge, mit vollständig quelloffenen Mesa-Treibern von unseren Freunden bei Igalia. Ein aktualisierter VideoCore-Hardware-Videoscaler (HVS) ist in der Lage, zwei simultane 4Kp60 HDMI-Displays zu steuern, eine Steigerung gegenüber dem einzelnen 4Kp60 oder dualen 4Kp30 beim Raspberry Pi 4. Ein 4Kp60 HEVC-Decoder und eine neue Bildsensor-Pipeline (ISP), beide entwickelt bei Raspberry Pi, vervollständigen das Multimedia-Subsystem. Um das System mit ausreichend Speicherbandbreite zu versorgen, haben wir ein 32-Bit LPDDR4X SDRAM-Subsystem, das mit 4267MT/s läuft, eine Steigerung von den effektiven 2000MT/s beim Raspberry Pi 4.

DA9091- Power für das Board

Der BCM2712 und der RP1 werden durch die dritte neue Komponente des Chipsatzes unterstützt, den Renesas DA9091 „Gilmour“ Power-Management-IC (PMIC). Dieser integriert acht separate Schaltmodus-Stromversorgungen, um die verschiedenen benötigten Spannungen für das Board zu erzeugen. Dazu gehört eine vierphasige Kernversorgung, die in der Lage ist, 20 Ampere Strom zu liefern, um die Cortex-A76-Kerne und andere digitale Logikelemente im BCM2712 mit Energie zu versorgen.

Wie beim BCM2712 ist auch der DA9091 das Ergebnis einer mehrjährigen gemeinsamen Entwicklungsarbeit. Die enge Zusammenarbeit mit dem Renesas-Team in Edinburgh ermöglichte es den Chipdesigner bei der Raspberry Pi Foundation, einen PMIC (Power Management Integrated Circuit) zu entwickeln, der genau auf deren Bedürfnisse abgestimmt ist. Zudem konnten sie zwei oft geforderte Funktionen integrieren: eine Echtzeituhr (RTC), die entweder durch einen externen Superkondensator oder eine wiederaufladbare Lithium-Mangan-Zelle betrieben werden kann; sowie einen PC-ähnlichen Einschaltknopf, der sowohl harte als auch weiche Ein- und Ausschaltvorgänge unterstützt.

Infineon CYW43455 und Broadcom BCM54213 – Konnektivität wie gehabt

Zwei weitere Elemente des Chipsatzes wurden vom Raspberry Pi 4 übernommen: Der Infineon CYW43455 Kombi-Chip bietet Dual-Band 802.11ac WLAN und Bluetooth 5.0 mit Bluetooth Low-Energy (BLE). Obwohl der Chip selbst unverändert ist, wird er nun von einer dedizierten geschalteten Stromversorgungsschiene versorgt, um den Energieverbrauch zu senken, und ist über eine aufgerüstete SDIO-Schnittstelle, die den DDR50-Modus für eine höhere potenzielle Durchsatzrate unterstützt, mit dem BCM2712 verbunden. Wie zuvor wird die Ethernet-Konnektivität durch einen Broadcom BCM54213 Gigabit-Ethernet-PHY bereitgestellt: Dieser befindet sich nun in einem ungewöhnlichen 45-Grad-Winkel, eine Premiere für den Raspberry Pi und eine Quelle anhaltender Enttäuschung für den orthogonalen Layout-Enthusiasten und CTO (Software) Gordon Hollingworth.

Die beiden MIPI-Anschlüsse – Video in und/oder out (Kamera- und Display-Anschlüsse)

Die CSI- und DSI-Anschlüsse früherer Raspberry Pi-Modelle wurden beim aktuellen Modell zu zwei multifunktionalen DSI/CSI (MIPI)-Anschlüssen zusammengelegt. Diese Anschlüsse nutzen nun eine kompaktere Steckerbelegung, die bisher nur beim Raspberry Pi Zero und dem CM4IO Board verwendet wurde. An diese Ports können entweder zwei Displays, zwei Kameras oder eine Kombination aus einer Kamera und einem Display angeschlossen werden.

Aktualisieren der Firmware

Aktualisiere die Firmware deines Raspberry Pi nur,
wenn du dazu aufgefordert wirst.

Obwohl Firmware-Aktualisierungen selten sind, solltest du bei Problemen mit deinem Raspberry Pi prüfen, ob eine Aktualisierung verfügbar ist. Dies kannst du wie folgt tun:

sudo sh -c 'apt update ; sudo apt upgrade ; sudo rpi-eeprom-update -a'

Falls eine Firmware-Aktualisierung verfügbar ist, wirst du aufgefordert, diese zu installieren, und dein Raspberry Pi wird neu starten. Weitere Informationen zur Aktualisierung der Firmware auf deinem Raspberry Pi findest du an anderer Stelle in der Dokumentation.

Die Stromversorgung – Power up your Raspberry Pi 5

Raspberry Pi bietet zwei verschiedene USB-C-Netzteile an:

Das erste ist das Raspberry Pi 15W USB-C-Netzteil, empfohlen für Raspberry Pi 4 und Raspberry Pi 400. Das zweite ist das Raspberry Pi 27W USB-C-Netzteil, das bis zu 5A Strom bei +5,1V liefert und für den Raspberry Pi 5 empfohlen wird.

Der USB-C-Standard, der beim Netzteil des Raspberry Pi 4 verwendet wird, ist auf 5V bei 3A begrenzt, was einer Gesamtleistung von 15W entspricht. Der USB-PD-Standard erlaubt höhere Spannungen und Ströme, die über Software ausgehandelt werden können, benötigt aber einen geeigneten Power Management Integrated Circuit (PMIC), der nur beim Raspberry Pi 5 vorhanden ist. Diese Netzteile erfordern die Verwendung von geeigneten USB-PD-kompatiblen Kabeln.

Es ist nicht möglich, ältere USB-„dumme“ Kabel und Stecker zu verwenden, um mehr als 15W zu liefern, selbst mit einem USB-PD-fähigen Netzteil.

Raspberry Pi Foundation

Obwohl USB-PD-fähige Handy-Ladegeräte mehr als 15W Leistung bewerben, erreichen sie dies fast alle durch Erhöhung der Spannung anstatt durch Bereitstellung von mehr Strom bei +5V. Wenn du ein Netzteil verwendest, das keine 5A bei +5V beim ersten Start liefern kann, wirst du vom Betriebssystem gewarnt, dass die Stromversorgung für Peripheriegeräte auf 600mA begrenzt wird.

Für Nutzer, die leistungsstarke Peripheriegeräte wie Festplatten und SSDs betreiben möchten, während sie gleichzeitig einen Spielraum für Spitzenlasten behalten, sollte ein USB-PD-fähiges Netzteil verwendet werden, das 5A bei +5V (25W) liefern kann. Wenn die Firmware des Raspberry Pi 5 ein unterstütztes, 5A-fähiges Netzteil erkennt, erhöht sie das USB-Stromlimit für Peripheriegeräte auf 1,6A und stellt somit 5W zusätzliche Leistung für nachgeschaltete USB-Geräte sowie 5W zusätzliches Leistungsbudget an Bord zur Verfügung.

USB-PPS (Programmable Power Supply) wird nicht unterstützt.

Wir empfehlen das offizielle Raspberry Pi 27 Watt Netzteil, das so konzipiert wurde, dass es trotz schneller Schwankungen im Stromverbrauch konstant +5V liefert. Diese Schwankungen sind häufig, wenn Peripheriegeräte mit dem Raspberry Pi verwendet werden. Andere Netzteile – normalerweise konzipiert, um konstanten Strom zum Aufladen von Handys zu liefern – kommen mit diesen Leistungsschwankungen nicht gut zurecht. Das offizielle Netzteil hat außerdem ein fest angeschlossenes (gefangenes) USB-Kabel, was verhindert, dass versehentlich ein Kabel von schlechter Qualität oder ein „dummes“ Kabel verwendet wird, was bei anderen Netzteilen ein Problem sein kann.

Wenn du ein USB-PD-fähiges Mehrport-Netzteil eines Drittanbieters verwendest, führt das Anschließen eines zusätzlichen Geräts an das Netzteil sowie an deinen Raspberry Pi zu einer Neuverhandlung zwischen dem Netzteil und dem Raspberry Pi. Dies geschieht nahtlos, wenn der Raspberry Pi eingeschaltet ist, aber wenn der Raspberry Pi ausgeschaltet und angeschlossen ist, kann diese Neuverhandlung dazu führen, dass der Raspberry Pi startet.

Du kannst den Status der Stromversorgung zu den USB-Anschlüssen mit vcgencmd überprüfen.

vcgencmd get_config usb_max_current_enable

USB-Boot und Netzteile

Standardmäßig ist der USB-Boot mit einem 3A-Netzteil nicht aktiviert. Das Setzen von usb_max_current_enable=1 in der Datei /boot/firmware/config.txt hebt dies jedoch auf und ermöglicht den USB-Boot mit einem Netzteil geringerer Leistung.

Beim Booten mit einem 3A-Netzteil ohne diese Angabe in der config.txt wird eine Warnmeldung auf dem Bootloader-HDMI-Diagnosebildschirm angezeigt und der Bootloader springt zum nächsten Bootmodus:

Versuchte Partition: 0<br>Typ: 32 lba: 8192 'mkfs.fat' ' bootfs ' Cluster 130554 (4)<br>rsc 32 fat-sektoren 1020 root-dir-Cluster 2 Sektoren 0 Einträge 0<br>FAT32 Cluster 130554<br>[MSD [01:00] 2.00 000000:02] autoboot.txt nicht gefunden<br>Versuchte Partition: 0<br>Typ: 32 lba: 8192 'mkfs.fat' ' bootfs ' Cluster 130554 (4)<br>rsc 32 fat-sektoren 1020 root-dir-Cluster 2 Sektoren 0 Einträge 0<br>FAT32 Cluster 130554<br>Gelesene config.txt Bytes 2109 hnd 0x10a<br>[MSD [01:00] 2.00 000000:02] pieeprom.upd nicht gefunden<br>usb_max_current_enable Standard 0 max-current 900<br>Gelesene bcm2712-rpi-5-b.dtb Bytes 71862 hnd 0x5101<br>dt-match: kompatibel: raspberrypi,5-model-b Match: brcm,bcm2712<br>dt-match: kompatibel: brcm,bcm2712 Match: brcm,bcm2712

USB-Boot erfordert ein leistungsstarkes Netzteil (5V 5A).
Um diese Überprüfung zu deaktivieren, setze usb_max_current_enable=1 in config.txt
oder drücke den Einschaltknopf, um usb_max_current_enable vorübergehend zu aktivieren
und den Bootvorgang fortzusetzen.
Siehe https://rptl.io/rp5-power_supply für weitere Informationen

Der Bootloader fordert dich auf, den Einschaltknopf zu drücken, um fortzufahren, was effektiv usb_max_current_enable=1 für den aktuellen Bootvorgang temporär einstellt, um dir zu erlauben, von USB zu booten. Es sei denn, deine Festplatte hat ihre eigene externe Stromversorgung, es ist möglich, dass nicht genügend Strom für deinen Raspberry Pi zur Verfügung steht.
Netzteile und Raspberry Pi OS

Der Bootloader übermittelt Informationen über das Netzteil über den Gerätebaum /proc/device-tree/chosen/power. Benutzer lesen dies normalerweise nicht direkt.

max_current

Der maximale Strom in mA

uspd_power_data_objects

Eine Auflistung der PDOs - Debug für fortgeschrittene Benutzer

usb_max_current_enable

Ob der Strombegrenzer auf hoch oder niedrig gesetzt wurde

usb_over_current_detected

Ob während des Bootens vor der Übergabe der Kontrolle an das OS ein USB-Überstrom aufgetreten ist

reset_event

Der PMIC-Reset-Grund, z. B. Watchdog, Über- oder Unterspannung, Überhitzung

Der PMIC verfügt über eingebaute ADCs, die unter anderem die Versorgungsspannung EXT5V_V messen können.

vcgencmd pmic_read_adc

USB-Strom oder andere direkt an 5V angeschlossene Geräte sind nicht sichtbar, da dies den PMIC umgeht. Du solltest nicht erwarten, dass dies der Leistung des Quellnetzteils entspricht. Es kann jedoch nützlich sein, Dinge wie die Kernspannung zu überwachen.

Die Kühlung – auch im Winter grundsätzlich eine gute Idee

Der Raspberry Pi 5 wurde so konzipiert, dass er typische Client-Workloads ohne Gehäuse und ohne aktive Kühlung bewältigen kann. Für anspruchsvollere Belastungen gibt es zwei offizielle Kühlungsoptionen für den Raspberry Pi 5. Beide werden an den vierpoligen JST-PWM-Lüfteranschluss angeschlossen, der sich oben rechts auf der Platine zwischen dem 40-Pin-GPIO-Header und den USB-2-Anschlüssen befindet.

Beide offiziell verfügbaren Zubehörteile werden aktiv von der Raspberry Pi-Firmware gesteuert. Mit steigender Temperatur des Raspberry Pi reagiert der Lüfter wie folgt:

• unter 50°C dreht sich der Lüfter gar nicht (0% Geschwindigkeit)
• bei 50°C schaltet sich der Lüfter mit niedriger Geschwindigkeit ein (30% Geschwindigkeit)
• bei 60°C erhöht sich die Lüftergeschwindigkeit auf mittlere Stufe (50% Geschwindigkeit)
• bei 67,5°C steigt die Lüftergeschwindigkeit auf eine hohe Stufe (70% Geschwindigkeit)
• bei 75°C erreicht der Lüfter die volle Geschwindigkeit (100% Geschwindigkeit)

Diese Zuordnung von Temperaturbereichen zu Lüftergeschwindigkeiten gilt auch für Temperaturabnahmen, wobei eine Hysterese von 5°C vorliegt; die Lüftergeschwindigkeit verringert sich, wenn die Temperatur um 5°C unter jeden der oben genannten Schwellenwerte fällt.

Die USB-Anschlüsse und der Lüfteranschluss ziehen beide aus demselben 1,6A-Stromlimit.

Beim Hochfahren wird der Lüfter eingeschaltet und der Tachoeingang überprüft, um festzustellen, ob der Lüfter sich dreht. Ist dies der Fall, wird das „cooling_fan“-Device-Tree-Overlay aktiviert. Dieses Overlay ist standardmäßig in bcm2712-rpi-5-b.dtb enthalten, jedoch mit status=disabled.

Ein Fazit – Neue Standards zum neuen Jahr

Wir hoffen, dass dieser Artikel sich als angenehme Neujahrslektüre erweisen wird. Wenn du sie mit der Community besprechen willst, schreib einfach in den Kommentar und schau auch im Forum der Raspberry Pi Foundation vorbei, wo du einen eigenen Bereich findest, um dich über HATs, HAT+ und andere Peripheriegeräte auszutauschen.

Bleib dran für den neuen M.2 HAT+ und eine endgültige Version des HAT+-Standards, der Anfang dieses neuen Jahres zusammen mit ihm veröffentlicht wird.