Endlich ist sie da: die neue Version Raspberry Pi 4! Bei der letzten Hardware-Revision war der Fortschritt eher begrenzt, wenn nicht sogar klein. Von RPi 2 nach RPi 3 B gab es einen großen Schritt vorwärts, aber 3 B+ war gegenüber 3 B mehr ein Facelift denn ein Upgrade. Nach der Einführung des RPi 3 B+ erschienen mit der Zeit Konkurrenten mit leistungsfähigerer Hardware und mehr Funktionen wie etwa USB 3.0 oder nativem Ethernet.

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Microcontroller der gehobenen Klasse (... so etwas bekommt man derzeit im Handel zum Grundpreis von ca. 6,- Euro) beherrschen bereits heutzutage alle standardmäßigen Schnittstellen zur Kommunikation mit beliebigen "weiteren" Geräten.

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SoC und SBC - das ist der RaspPi in einem Zwischenzeitlich bei der Version 4 angelangt, wird das Teil erst richtig heiß. Ursprünglich standen die GPIO's im Vordergrund und somit die Möglichkeit zur Steuerung externer Elektronik. Das hat sich im Laufe der Jahre gründlich geändert.

Was Sie als Erstes bemerken werden, wenn Sie ein neues Raspberry-Pi-4-Board vor sich haben: Die neue Hardware passt nicht mehr in die üblichen Gehäuse. Dies ist auf einige wesentliche Änderungen beim Display-Anschluss und der Stromversorgung zurückzuführen. Die Stromversorgung erfolgt dank neuem PMIC (Power-Management-IC) jetzt über USB-C, und an gleich zwei Mikro-HDMI-Anschlüsse kann man jetzt zwei 4K-Bildschirme zugleich anschließen. Zum ersten Mal ist jetzt also eine hochauflösende Dual-Screen-Unterstützung und eine Stromversorgung via einem entsprechend leistungsfähigen USB-C-Netzteil möglich.

Dann fallen auch die beiden blauen USB-Ports ins Auge. Endlich steht USB 3.0 sowie natives Ethernet zur Verfügung, was fast alle Probleme der Datenübertragung vom angebundenen Massenspeicher ins LAN effektiv beendet. Hinzu kommt der neue SoC BMC2711: Der zentrale Chip beim Raspberry Pi 4 bietet vier Cortex-A72-Cores mit bis zu 1,5 GHz Takt und maximal 4 GB RAM. Die Folge ist gegenüber dem Cortex-A53 nicht nur eine Leistungssteigerung an sich, sondern auch pro MHz – allerdings auf Kosten der Leistungsaufnahme. Wichtiges Ergebnis ist aber eine verbesserte Reaktionsfähigkeit auch bei normalen Desktop-Anwendungen.

Video & LAN

Es gibt noch mehr verbesserte Hardware: Ebenfalls neu ist der VideoCore VI, der 4K-Displays und 4K-HEVC-Dekodierung bei 60 fps ermöglicht. Das Board und seine Chips) benötigt scheinbar keine Kühlkörper und auch keinen Lüfter, was weiterhin schön leise Lösungen wie bei den vorherigen Generationen erlaubt. Einen Eindruck von der Praxistauglichkeit des kühlerlosen Betriebs zeigen einige Aufnahmen einer Wärmebildkamera. Mit dem neuen SoC ergeben sich auch neue Anforderungen an die Stromversorgung: Im Gegensatz zu üblichen Netzteilen mit 5 V und 2 A (bzw. 2,5 A für Modell B+) werden jetzt 3 A an 5 V via USB-C-Buchse empfohlen. Damit ist klar, dass ein RPi 4 sich bis zu 15 Watt Leistung genehmigen kann. Außer dem stärkeren SoC gibt es noch weitere neue Chips auf dem Board:

• Ethernet, WLAN, BT und USB

• Ethernet-PHY

Auf dem Chip sieht man den neuen Gigabit-Ethernet-PHY des Typs BCM54213PE. Es gibt auch noch ein Portrait des neuen USB-Hubs vom Typ VLI VL805-Q6. Laut Datenblatt dieses USB-3.0-Hubs verfügt der Chip über keinen USB-3.0-Uplink. Stattdessen wird er über eine PCI-Express-Lane (PCI-E 2.0 mit Kompatibilität zu 1.0) angebunden. Erst jetzt steht also wirklich eine hohe Bandbreite zur Verfügung. Auch Bluetooth wurde jetzt auf Version 5.0 aktualisiert, während WLAN bei 802.11ac mit 2,4 GHz und 5 GHz bleibt.

USB-3.0-Hub mit PCI-E-Anbindung

Einige Funktionen sind auch beim neuen Raspberry Pi 4 erhalten geblieben: die Anschlüsse für Audio, Display-Anschluss und Kamera. Ebenfalls beibehalten und rückwärtskompatibel ist der 40-polige Platinenstecker. Zumindest hardwaremäßig passen HATs wie früher.

Hinweis: Diese Besprechung basiert auf der Verwendung einer Alpha-Version des Raspberry Pi 4, was bedeutet, dass einige Dinge (noch) nicht richtig funktionieren oder gar schlicht fehlen. Es ist zudem davon auszugehen, dass sich die Systemsoftware im Laufe der Zeit wie schon beim RPi 2, RPi 3, RPi 3 B+ und RPi Zero W verbessern wird.
Endlich gibt es das, was viele sehr vermisst haben: richtig moderne USB-Ports und nicht nur USB 2.0 mit einem lahmen Uplink zum SoC. Die beiden blauen Ports erschließen dank neuem USB-Hub die aktuelle Hochgeschwindigkeitswelt von USB 3.0. Zudem ist Ethernet nun nicht mehr via USB über einen Hub angebunden, sondern jetzt direkt an den SoC. Folglich gibt es deutlich mehr USB-Bandbreite für angeschlossene Geräte und eine große Steigerung beim Netzwerkdurchsatz.
Noch ein Wort zu USB 3.0 und echtem Gigabit-Ethernet: Bei 1 Gb/s kann man idealisiert von einer Rohdatenrate von 125 Mb/s ausgehen. Das würde für ein nettes und schnelles, kleines NAS für zuhause völlig ausreichen. Wir haben den Durchsatz mit Samba getestet, da dies vermutlich die bevorzugte Art der Nutzung des Netzwerks darstellt und weil die drei wichtigsten Betriebssysteme damit umgehen können.
Als Speicher diente ein 32-GB-USB-Stick von Kingston des Typs DataTraveler 100. Als Dateisystem wurde EXT4 eingesetzt. Als zweiter, besonders schneller Speicher fungierte eine RAM-Disk – schließlich ist jetzt genug Speicher da, um 1,2 GB davon zu verschwenden. Die RAM-Disk wurde wie folgt eingerichtet:

sudo mount -t tmpfs -o size=1200M none /ramdisk

Nach der Konfiguration von Samba (Windows Fileshares unter Linux) wurden Tests mit folgenden Dateien gefahren:

bbb_sunflower_1080p_60fps_normal.mp4

und

bbb_sunflower_2160p_60fps_normal.mp4

von bbb3d.renderfarming.net/download.html. Diese Daten von insgesamt 1.004.968 KB hatten wir ja bereits für die Video-Tests genutzt. Die beiden Dateien wurden zuerst auf den USB-Stick kopiert und dann die Zeit gemessen, die RPi 4 für die Kopie auf die RAM-Disk per Befehl „cp“ benötigt. Eine RAM-Disk statt zweitem Speichermedium verhindert verzerrende Einflüsse dieses zweiten Mediums.
Ein kleines Skript zeigte die Zeit am Anfang und Ende der Übertragung an. Die Differenz betrug nur 9,3 s, was auf erstaunliche 108,05 MB/s hinauslief. Es wurde dabei leider eine Grenze des USB-Sticks und nicht die von USB 3.0 erreicht. Ein zweites Kopieren führte dann zu einem leicht gesteigerten Durchsatz, da sich dann zusätzlicher RAM als Cache positiv bemerkbar macht. Verglichen mit einem RPi 3 B+ ist das richtig schnell, denn in der Praxis sind ja nicht mehr als 35 MB/s über USB 2.0 möglich. Beim RPi 3 B+ muss sich USB die Bandbreite mit Ethernet teilen.

Software-Seite

Nun zum Software-Support für Raspberry Pi 4: Da das Board Pre-Beta-Status hat, funktioniert nicht alles direkt „out of the box“, aber die Aktualisierung von Teilen der RPi 4 ist in vollem Gange. Momentan gibt es zwei Möglichkeiten zur Auswahl: ein Raspbian-Buster-Image oder NOOBS 3.1. Wir konnten feststellen, dass beide Lösungen gut booten und nach kurzem Startvorgang den Desktop richtig anzeigen.

4K-Video x 2

An die beiden Mikro-HDMI-Ports können zwei Bildschirme mit Full-HD- oder 4K-Unterstützung angeschlossen werden. Als Standard ist dann schon ein erweiterter Desktop mit zwei Bildschirmen voreingestellt. Bei zwei 4K-Monitoren ist eine Frame Rate von 30 Hz möglich, bei nur einem Monitor ganz wie bei einem „großen“ PC 4K in 60 fps. Im Elektor-Labor haben wir auch den winzigen 10"-Bildschirm von JOY-iT aus dem Elektor-Shop als sekundären Monitor getestet – leider verweigert er derzeit die Kooperation mit RPi 4.
Aber was macht man bei so einem Mini-Computer mit zwei Bildschirmen? Theoretisch könnte man z. B. Videos auf einem Bildschirm abspielen, während der zweite zum Surfen im Internet oder zum Spielen von (einfacheren) 3D-Games dient. Das mit der Videowiedergabe haben wir ausprobiert.
Als erster Test wurde mit VLC auf RPi 4 das Video Big Buck Bunny in 1080p @ 60 fps und 4K @ 60 fps abgespielt. Das 1080p-Material wurde in einem Fenster dargestellt. Hier ergab sich leider keine schöne flüssige Wiedergabe wie früher. Außerdem stellten wir eine hohe CPU-Auslastung fest, was darauf hindeutet, dass die CPU beim Dekodieren nicht wirklich von der Grafik-Hardware entlastet wurde. Beim Umschalten auf Vollbild sank die CPU-Last allerdings und das Video lief reibungslos. Da zwei Bildschirme möglich sind, haben wir auch versucht, darauf zwei verschiedene Videos anzuzeigen. Leider hat sich VLC diesem Vorhaben gegenüber verweigert. Anscheinend kann der Video-Decoder im Moment nur einen Video-Stream auf einmal verarbeiten.
Ein 4K-Video im Format H.264 ergab via VLC an einem 1080p-Monitor überhaupt kein Bild. Es wurde nur Sound abgespielt, da 4K-Wiedergabe nur bei H.265 unterstützt wird. Für den 4K-Test haben wir dann Material von libde265.org verwendet. Leider zeigte sich auch damit nur ein schwarzer Bildschirm und eine hohe CPU-Auslastung. Die 4K-Dekodierung lief also auf der RPi-4-Hardware nicht wie vorgesehen. Da aber explizit mit 4K-Video geworben wird, gibt es wohl noch einen Fehler im zugehörigen Treiber, der in Zukunft noch gefixt werden wird. Um auszuschließen, dass es nur an VLC liegt, wurde auch der Omxplayer ausprobiert. Doch auch der hat sich geweigert, etwas zu dekodieren, da er mit den aktuellen Änderungen im Videodekodierungsstapel nicht mehr auf die Hardware zugreifen konnte.
Bliebe noch ein Test mit Kodi. Da aber die meisten videozentrierten Distributionen ihre Images noch nicht an die neue Hardware angepasst haben, wäre das nur mit einer alten Version aus den Raspbian-Repositories möglich. Doch genau das macht keinen Sinn, da man mit Kodi auf RPi 4 überhaupt keine Videobeschleunigung hinbekommen wird.

Leistung

Das neue SoC kann seine vier Kerne mit bis zu 1,5 GHz takten und bietet daher einen um 100 MHz höheren Takt als beim RPi 3 B+. Rein rechnerisch entspricht das einer eher mauen Steigerung um 7,1% gegenüber dem Vorgänger. Allerdings bietet der neue SoC des RPi 4 nun Kerne des verbesserten Typs Cortex-A72. Diese wurden hinsichtlich hoher Leistung pro MHz und erst in zweiter Linie auf viel Leistung pro Watt optimiert. Einen Eindruck von der Leistungssteigerung ergibt ein Test mit sysbench. Der Single-Core-Wert ergibt sich mit dem Befehl:

sysbench -test=cpu run

Ein RPi 3 B+ benötigt dafür 121,35 s und unser RPi-4-Modell nur 92,78 s. Folglich ist ein RP 4 bei diesem Benchmark etwa 30 % schneller als sein Vorgänger. Als Multi-Core-Benchmark ergeben sich 34,54 s beim RPi 3 B+ und nur 23,25 s beim RPi 4. Der neue SoC bringt also deutlich mehr Rechenleistung als rein vom erhöhten Takt zu erwarten gewesen wäre.
Die Rechenleistung ist also nicht schlecht, hat aber ihren Preis: Man bezahlt den Gewinn mit erhöhtem Stromverbrauch. Auch auf den mit einer Wärmebildkamera geschossenen Aufnahmen kann man sehen, dass ein RPi 4 etwas heißer ist als ein RPi 3 B+.

• http://www.spectrum.lovely.net/
• http://lion17home.narod.ru/

Angefangen bei diskreter digitaler Logik zeigen wir hier auch den historischen Weg in den Schritten über Einzelbauelemente bis zum heute gängigen "Physical Computing" mit Minimalanforderungen, jedoch maximaler Leistung. Was heute in eine Streichholzschachtel passt, füllte noch vor 65 Jahren ganze Häuserblöcke - ganz zu schweigen von dem "Kraftwerk", welches die benötigte Elektroenergie  bereit stellte.

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist