Tiểu luận môn kiến trúc máy tính và hệ điều hành đề tài raspberry pi

Giới thiệu về Raspberry Pi Raspberry Pi 3 là một board máy tính đơn nhỏ, giá rẻ, kích thước chỉ bằng một thẻ tín dụng, tiết kiệm điện năng vì nguồn điện cung cấp cho RPi chỉ có 5V được g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Trung tâm đào tạo từ xa

Tiểu luận môn Kiến trúc máy tính và Hệ Điều Hành

Đề tài : Raspberry Pi

SINH VIÊN THỰC HIỆN

HỌ VÀ TÊN: Trần Minh Hiếu MSSV: 2110060020 LỚP: 21TXTH01

MỤC LỤC

I Giới thiệu về Raspberry Pi ……… 3

II Phần cứng ……… ……… ……… 5

III Phần mềm……… ……… 11

IV So sánh Raspberry Pi 3 và máy tính ……… ….……… 15

V Các ứng dụng của Raspberry Pi ……… ……….……… 16

I Giới thiệu về Raspberry Pi

Raspberry Pi 3 là một board máy tính đơn nhỏ, giá rẻ, kích thước chỉ bằng một thẻ tín

dụng, tiết kiệm điện năng (vì nguồn điện cung cấp cho RPi chỉ có 5V) được giới thiệu

bởi Raspberry Pi Foundation, đi kèm với CPU, GPU, cổng USB và các chân I/O và có

khả năng thực hiện một số chức năng đơn giản như một máy tính thông thường

Máy tính nhỏ bé này được phát triển với mục đích làm cho quá trình học máy tính trở

nên dễ dàng để một học sinh trung bình có thể nhận được lợi ích và dự đoán những gì

một máy tính tiên tiến có thể làm

Raspberry Pi 1 (Model B thế hệ đầu tiên) ra đời vào năm 2012 và sớm nổi tiếng về sự

dễ sử dụng và tính sẵn có Tương tự, Raspberry Pi 2 được giới thiệu vào tháng 2 năm

2015 với một chút cải tiến về thiết kế có thêm RAM so với phiên bản trước

Được giới thiệu vào năm 2016, Raspberry Pi 3 Model B đi kèm với bộ xử lý lõi tứ cho

thấy hiệu năng mạnh mẽ gấp 10 lần Raspberry Pi 1 Và tốc độ của Raspberry Pi 3 cao

hơn 80% so với Raspberry Pi 2

Phần cứng Raspberry đã trải qua một số biến thể về hỗ trợ thiết bị ngoại vi và dung

lượng bộ nhớ Mỗi bổ sung mới đều đi kèm với một chút cải tiến về mặt thiết kế trong

đó các tính năng nâng cao được thêm vào trong thiết bị để nó có thể thực hiện càng nhiều chức năng càng tốt như một máy tính thông thường

WiFi và Bluetooth không có trong các phiên bản cũ hơn (Pi 1 và Pi 2), được thêm vào trong phần bổ sung mới của thiết bị này (Pi 3), cho phép duy trì kết nối với các thiết bị ngoại vi mà không cần sự tham gia của bất kỳ kết nối vật lý nào

Raspberry Pi Foundation gần đây đã ra mắt Raspberry Pi 3 Model B + vào ngày 14 tháng 3 năm 2018, đây là phiên bản gần đây nhất của Raspberry Pi 3 trưng bày tất cả các thông số kỹ thuật được giới thiệu trong Pi 3 Model B, với cải tiến bổ sung bao gồm khởi động mạng, khởi động USB và nguồn qua Ethernet, điều này làm cho thiết

bị trở nên hữu ích ở những nơi khó tiếp cận

Model Raspberry Pi (ngày phát hành) và giá bán như sau:

 Pi 1 Model B (2012) - $35

 Pi 1 Model A (2013) - $25

 Pi 1 Model B+ (2014) - $35

 Pi 1 Model A+ (2014) - $20

 Pi 2 Model B (2015) - $35

 Pi Zero (2015) - $35

 Pi 3 Model B (2016) - $35

 Pi Zero W (2017) - $35

 Pi 3 Model B+ (2018) - $35

 Pi 3 Model A+ (2019) - $25

 Pi 4 Model B (2019) - $35

II Phần cứng:

Phần cứng Raspberry Pi qua nhiều phiên bản được trang bị cấu hình khác nhau, về dung lượng bộ nhớ, vi xử lí, thiết bị ngoại vi,

Sơ đồ khối trên mô tả cấu tạo của các model A, B, A+, B+ Model A và A+ không có cổng Ethernet và USB Bộ chuyển đổi Ethernet phải kết nối qua một cổng USB

Trong model A và A+, cổng USB kết nối trực tiếp đến SoC Trên model B+, chip này

có chứa một hub USB với 5 đầu ra, trong đó có 4 cổng, model B chỉ cung cấp 2 cổng

Đây là 40 chân GPIO được sử dụng để kết nối với các thiết bị khác

Bạn có thể thấy trong hình trên, các chân UART là các chân đầu ra đầu vào nối tiếp được sử dụng để truyền thông dữ liệu nối tiếp và để chuyển đổi mã gỡ lỗi

Bên dưới là hình ảnh phần cứng của Raspberry Pi.

1/ Bộ vi xử lý

SoC được sử dụng trong Raspberry Pi thế hệ đầu tiên khá giống với chip được sử dụng trong những chiếc điện thoại thông minh đời cũ (như iPhone 3G / 3GS)

Raspberry Pi dựa trên SoC BCM2835 của Broadcom, trong đó gồm một bộ xử

lý ARM1176JZF-S 700 MHz, GPU VideoCore IV và RAM Nó có bộ nhớ cache cấp

1 16 KB và bộ nhớ cache cấp 2 128 KB Cache cấp 2 này được sử dụng chủ yếu bởi GPU SoC được xếp chồng lên nhau dưới chip RAM, vì vậy ta chỉ thấy được cạnh của

nó

2/ Hiệu suất của các model thế hệ đầu tiên

Khi hoạt động theo xung nhịp mặc định 700 MHz, thế hệ đầu tiên của Raspberry Pi có hiệu suất thực tế tương đương 0,041 GFLOPS CPU đem lại hiệu suất tương đương một chiếc Pentium II 300 MHz của những năm 1997-1999 GPU cung cấp khả năng

xử lý đồ họa 1 GPixel/s hoặc 1,5 Gtexel/s hoặc 24 GFLOPS của hiệu suất máy tính cho tác vụ chung Khả năng đồ họa của Raspberry Pi tương đương với Xbox của năm

2001

Kết quả benchmark tính toán đơn nút LINPACK trong hiệu suất chính xác đơn trung bình là 0.065 GFLOPS và Raspberry Pi Model-B có hiệu suất chính xác kép là 0,041 GFLOPS Một nhóm 64 máy tính Raspberry Pi Model-B, có nhãn "Iridis-pi", đạt được kết quả LINPACK HPLlà 1,14 GFLOPS (n = 10.240) tại công suất 216 watt với c US

$ 4,000

Raspberry Pi 2 dựa trên Broadcom BCM2836 SoC, gồm CPU Cortex-A7 lõi tứ chạy ở

900 MHz và 1 GB RAM Nó được giới thiệu là mạnh gấp 4-6 lần so với bản tiền nhiệm Hai phiên bản có GPU giống hệt nhau

3/ Ép xung

Thế hệ chip đầu tiên của Raspberry Pi mặc định hoạt động ở 700 MHz và không quá nóng để cần một miếng tản nhiệt hoặc biện pháp làm mát đặc biệt nào khác, trừ khi con chip này được ép xung Thế hệ thứ hai chạy ở 900 MHz theo mặc định, và cũng không đủ nóng để cần một miếng tản nhiệt hoặc biện pháp làm mát đặc biệt Ép xung

có thể làm SoC này nóng lên nhiều hơn mức bình thường

Hầu hết các chip Raspberry Pi có thể được ép xung tới 800 MHz và một số thậm chí còn cao hơn đến 1000 MHz Thế hệ thứ hai được người dùng cho rằng có thể ép xung tương tự như vậy, thậm chí đến 1500 MHz (loại bỏ tất cả các tính năng an toàn và vượt quá giới hạn điện áp) Trong Raspbian Linux distro, các tùy chọn ép xung

khi khởi động có thể được thực hiện bởi lệnh "sudo raspi-config" mà không vô hiệu hóa chế độ bảo hành Có những trường hợp Pi tự động tắt ép xung khi chip đạt đến

85 °C (185 °F), nhưng nó có thể bỏ qua tự động quá điện áp và các thiết lập ép xung (làm vô hiệu chế độ bảo hành) Trong trường hợp đó, người ta có thể thử đặt một tản nhiệt có kích thước thích hợp vào nó để giữ cho các chip không bị nóng lên đến quá

85 °C

Phiên bản firmware mới hơn có chứa tùy chọn để lựa chọn giữa năm chế độ overclock ("turbo") để khi bật lên sẽ thử để có được hiệu suất tối đa của SoC mà không làm giảm tuổi thọ của Raspberry Pi Điều này được thực hiện bằng cách theo dõi nhiệt độ bên trong lõi của chip, và tải CPU, và điều chỉnh động tốc độ đồng hồ và điện áp lõi Khi nhu cầu trên CPU thấp, hoặc nó đang chạy quá nóng, hiệu suất sẽ được can thiệp, nhưng nếu CPU có nhiều việc phải làm, và nhiệt độ của chip là chấp nhận được, hiệu suất sẽ được tạm thời gia tăng, với tốc độ xung nhịp lên đến 1 GHz, tùy thuộc vào từng loại board, và trên đó các thiết lập Turbo được sử dụng Năm thiết lập này là:

 không (none); 700 MHz ARM, 250 MHz core, 400 MHz SDRAM, 0 volt quá áp,

 khiêm tốn (modest); 800 MHz ARM, 250 MHz core, 400 MHz SDRAM, 0 volt quá áp,

 trung bình (medium); 900 MHz ARM, 250 MHz core, 450 MHz SDRAM, 2 volt quá áp,

 cao (high); 950 MHz ARM, 250 MHz core, 450 MHz SDRAM, 6 volt quá áp,

 turbo; 1000 MHz ARM, 500 MHz core, 600 MHz SDRAM, 6 volt quá áp

Trong chế độ cao nhất (turbo) xung SDRAM ban đầu 500 MHz, nhưng sau đó đã

được thay đổi đến 600 MHz vì 500 MHz đôi khi gây hư thẻ nhớ SD Đồng thời trong

chế độ cao tốc độ xung lõi đã được hạ xuống 450-250 MHz, và ở chế độ trung

bình 333-250 MHz

4/ RAM

Trên các bảng mạch model B beta cũ hơn, 128 MB đã được phân bổ theo mặc định cho GPU, để lại 128 MB cho CPU.Trên model B bản phát hành đầu tiên (và mô hình A) với 256 MB, có thể chia ba kiểu khác nhau Sự phân chia mặc định là 192 MB (RAM cho CPU), đủ để giải mã video 1080p độc lập hoặc cho 3D đơn giản, nhưng có

lẽ không phải cho cả hai cùng nhau 224 MB chỉ dành cho Linux, chỉ với bộ đệm khung hình 1080p và có khả năng thất bại đối với bất kỳ video hoặc 3D nào 128 MB dành cho 3D nặng, cũng có thể là giải mã video (ví dụ: XBMC) Nokia 701, để so sánh, sử dụng 128 MB cho Broadcom VideoCore IV Đối với model B mới có RAM

512 MB lúc đầu, có các tệp phân chia bộ nhớ tiêu chuẩn mới được phát hành

(arm256_start.elf, arm384_start.elf, arm496_start.elf) cho RAM CPU 256 MB, 384

MB và 496 MB (và 256 MB, 128 MB và RAM video 16 MB) Nhưng một tuần sau, RPF đã phát hành một phiên bản start.elf mới có thể đọc một mục mới trong config.txt (gpu_mem = xx) và có thể tự động gán một lượng RAM (từ 16 đến 256 MB trong 8 bước) đối với GPU, do đó phương pháp phân tách bộ nhớ cũ trở nên lỗi thời và một start.elf duy nhất hoạt động tương tự với Raspberry Pi 256 và 512 MB

5/ Mạng

Mặc dù model A và A+ không có một cổng 8P8C ("RJ45") Ethernet, chúng có thể được kết nối với một mạng sử dụng một bộ adapter USB Ethernet hoặc Wi-Fi ngoại vi

do người dùng cung cấp Trên model B và B+ cổng Ethernet được cung cấp bởi một adapter USB Ethernet có sẵn

6/ Thiết bị ngoại vi

Raspberry Pi có thể hoạt động với bất kỳ bàn phím máy tính và chuột thông qua kết nối với các cổng USB

- Thẻ SD, Âm thanh, màn hình, máy ảnh, PoE Header,…

7/ Video

Bộ điều khiển video có khả năng phân giải chuẩn truyền hình hiện đại, chẳng hạn như

HD và Full HD, và các độ phân giải màn hình và cao hơn hoặc thấp hơn và độ phân giải TV CRT chuẩn cũ hơn Khi vận chuyển (tức là không có tùy chỉnh ép xung) nó có các khả năng như sau: 640 × 350 EGA; 640 × 480 VGA; 800 × 600 SVGA; 1024 ×

768 XGA; 1280 × 720 720p HDTV; 1280 × 768 WXGA biến; 1280 × 800 WXGA biến; 1280 × 1024 SXGA; 1366 × 768 WXGA biến; 1400 × 1050 SXGA +; 1600 ×

1200 UXGA; 1680 × 1050 WXGA +; 1920 × 1080 1080p HDTV; 1920 × 1200

WUXGA Nó có thể tạo ra các tín hiệu video composite 576i và 480i cho

PAL-BGHID, PAL-M, PAL-N, NTSC và NTSC-J

8/ Đồng hồ thời gian thực

Raspberry Pi không được trang bị đồng hồ thời gian thực, có nghĩa là nó không thể theo dõi thời gian trong ngày, khi nó không hoạt động

Thay vào đó, một chương trình chạy trên Pi có thể lấy thời gian từ một máy chủ thời gian mạng hoặc do người dùng nhập vào lúc khởi động

Một đồng hồ thời gian thực (như DS1307) với pin dự phòng có thể được thêm vào (thường thông qua giao tiếp I²C)

9/ Thông số kỹ thuật

Phiên bản Raspberry Pi đầu tiên được phát hành tháng 2 năm 2012, và tới nay đã có nhiều phiên bản khác nhau Có 2 phiên bản model Raspberry Pi bao gồm Model

A và Model B, tên các model này dược đặt theo tên BBC Micro

Model B bao gồm:

 SoC 700MHz với 512MB RAM

 1 cổng HDMI cho đầu ra âm thanh/video số

 1 cổng video RCA cho đầu ra video Analog

 02 cổng USB

 01 cổng Ethernet LAN

 01 đầu đọc thẻ nhớ SD để tải hệ điều hành

 01 giao diện GPIO (General Purpose Input/Output)

 Jack Headphone Stereo 3.5mm cho đầu ra âm thanh Analog

Ngoài thành phần tương tự như trên Model A chỉ có 1 cổng USB và không có cổng Ethernet

10/ Phụ kiện

 Camera - Ngày 14 tháng 5 năm 2013, the Foundation và các nhà phân phối RS Components & Premier Farnell / Element 14 đã ra mắt board camera Raspberry Pi với một bản cập nhật firmware kèm theo Board camera được vận chuyển đi kèm với một cáp phẳng linh hoạt để cắm vào đầu nối CSI nằm giữa cổng Ethernet và HDMI Trong Raspbian, ta kích hoạt hệ thống sử dụng board camera này bằng cách cài đặt hoặc nâng cấp lên phiên bản mới nhất của hệ điều hành (OS) và sau

đó chạy Raspi-config và chọn tùy chọn camera Giá của mô-đun camera này là

€20 ở châu Âu (09 Tháng 9 năm 2013)

 Gertboard – một thiết bị được Raspberry Pi Foundation khuyến khích, được thiết

kế cho mục đích giáo dục, nó sẽ giúp mở rộng các chân GPIO của Raspberry Pi để cho phép giao tiếp với và điều khiển các đèn LED, tiếp điểm, tín hiệu analog, cảm biến và các thiết bị khác Nó cũng bao gồm một trình điều khiển tương thích

với Arduino theo tùy chọn để giao tiếp với Pi

 Infrared Camera – Vào tháng 10 năm 2013, tổ chức này đã tuyên bố rằng họ sẽ bắt đầu sản xuất một module camera không có bộ lọc hồng ngoại, được gọi là Pi NoIR

 Các board mở rộng HAT (Hardware Attached on Top-Phần cứng đính kèm ở mặt trên) – Cùng với model B+, được lấy cảm hứng bởi các board Arduino shield, giao diện cho các board HAT được trang bị bởi Raspberry Pi Foundation Mỗi board HAT mang theo một EEPROM nhỏ (điển hình là một CAT24C32WI-GT3) chứa các chi tiết có liên quan tới board này, do đó hệ điều hành của Raspberry Pi được

sẽ được thông báo về HAT, và chi tiết kỹ thuật của nó, liên quan tới hệ điều hành

sử dụng HAT Board HAT có 4 lỗ định vị ở 4 góc hình chữ nhật của nó

III Phần mềm

1/ Các hệ điều hành

Raspberry Pi chủ yếu sử dụng các hệ điều hành dựa trên nhân Linux

Chip ARM11 tại trung tâm của Pi (mô hình thế hệ đầu tiên) được dựa trên phiên bản 6 của ARM Các phiên bản hiện tại của một số phân nhánh phổ biến của Linux, bao gồm Ubuntu, sẽ không chạy trên ARM11 Không thể chạy Windows trên Raspberry

Pi gốc, mặc dù Raspberry Pi 2 mới có thể chạy trên hệ điều hành Windows 10 IoT Core Raspberry Pi 2 hiện tại chỉ hỗ trợ Ubuntu Snappy Core, Raspbian, OpenELEC

và RISC OS

Trình quản lý cài đặt cho Raspberry Pi là NOOBS Các hệ điều hành đi kèm với

NOOOBS là:

 Arch Linux ARM

 OpenELEC

 Pidora (biến thể của Fedora)

 Puppy Linux

 Raspbmcvà trung tâm truyền thông số mã nguồn mở XBMC

 RISC OS – là hệ điều hành của máy tính dựa trên nền tảng ARM đầu tiên

 Raspbian (được đề xuất dùng cho Raspberry Pi 1) – được bảo trì độc lập bởi the Foundation; dựa trên cổng kiến trúc Debian ARM hard-float (armhf) được thiết kế ban đầu cho ARMv7 và các bộ xử lý kế tiếp (với Jazelle RCT/ThumbEE

và VFPv3), biên dịch cho các tập lệnh hạn chế hơn ARMv6 của Raspberry Pi 1 Một thẻ SD có kích thước tối thiểu là 4 GB là cần thiết cho những Raspbian image

được cung cấp bởi Raspberry Pi Foundation Có một Pi Store (Kho) dùng để trao đổi chương trình

 Raspbian Server Edition là một phiên bản rút gọn với các gói phần mềm đi kèm ít hơn so với phiên bản Raspbian dành cho máy tính để bàn thông thường

o Giao thức máy chủ hiển thị Wayland cho phép sử dụng hiệu quả GPU để tăng tốc phần cứng chức năng vẽ GUI Vào ngay 16 Tháng 4 năm 2014, một GUI shell dành cho Weston gọi Maynard đã được phát hành

o PiBang Linux – là một biến thể từ Raspbian

o Raspbian for Robots – là một biến thể của Raspbian dành cho các dự án robot với LEGO, Grove, và Arduino

2/ Các hệ điều hành khác

 Q4os

 Xbian – sử dụng Kodi (mã cũ là XBMC)

 openSUSE

 Raspberry Pi Fedora Remix

 Slackware ARM – kể từ phiên bản 13.37 trở đi chạy trên Raspberry Pi mà cần phải không sửa đổi.128-496 MB bộ nhớ có sẵn trên Raspberry Pi ít nhất phải bằng hai lần yêu cầu tối thiểu là 64 MB cần thiết để chạy Slackware Linux trên ARM hoặc

hệ thống i386 (Trong khi phần chính của các hệ thống Linux boot vào một giao diện đồ họa người dùng, Slackware theo mặc định lại sử dụng môi trường

shell/dòng lệnh.) Trình quản lý cửa sổ Fluxbox chạy dưới X Window System yêu cầu bổ sung thêm 48 MB RAM

 FreeBSD và NetBSDlà các hệ điều hành nền (general)

 Plan 9 from Bell Labs and Inferno (in beta)

 Moebius– là một bản phân phối rút gọn củaARM HF dựa trên Debian Nó sử dụng Raspbian repository, nhưng được chứa trong một thẻ nhớ SD Card 128 MB Nó chỉ có các dịch vụ tối thiểu và bộ nhớ được tối ưu hóa để giảm thiểu kích thước của thiết bị

 OpenWrt – is primarily used on embedded devices to route network traffic

 Kali Linux – là một biến thể của Debian-được thiết kế cho phân tích mã nguồn và kiểm tra bảo mật

 Pardus ARM – một hệ điều hành dựa trên nền tảng Debian, là một phiên bản rút gọn của Pardus (hệ điều hành)