Es gibt unzählige Möglichkeiten, die Web-Werbung zu minimieren. Die c’t hat kürzlich ausführlich zum Thema berichtet, aber die entsprechenden Artikel befinden sich auf heise.de hinter einer Paywall. Und heise.de ist ja mittlerweile auch eine Seite, die gefühlt mindestens so viel Werbung in ihre Texte einbaut wie spiegel.de. Das ist schon eine Leistung … Entsprechend lahm ist der Seitenaufbau im Webbrowser.

Egal, alles, was Sie wissen müssen, um zuhause einigermaßen werbefrei zu surfen, erfahren Sie auch hier — kostenlos und werbefrei :-)

Konzept

Die Idee ist simpel: Parallel zum lokalen Netzwerk zuhause richten Sie mit einem Raspberry Pi ein zweites WLAN ein. Das zweite Netz verwendet nicht nur einen anderen IP-Adressbereich, sondern hat auch einen eigenen Domain Name Server, der alle bekannten Ad-Ausliefer-Sites blockiert. Jeder Zugriff auf eine derartige Seite liefert sofort eine Null-Antwort. Sie glauben gar nicht, wie schnell die Startseite von heise.de, spiegel.de etc. dann lädt!

Alle Geräte im Haushalt haben jetzt die Wahl: sie können im vorhandenen WLAN des Internet-Routers bleiben, oder in das WLAN des Raspberry Pis wechseln. (Bei mir zuhause hat dieses WLAN den eindeutigen Namen/SSID wlan-without-ads.)

Zur Realisierung dieser Idee brauchen Sie einen Raspberry Pi — am besten nicht das neueste Modell: dessen Rechenleistung und Stromverbrauch sind zu höher als notwendig! Ich habe einen Raspberry Pi 3B+ aus dem Keller geholt. Auf dem Pi installieren Sie zuerst Raspbian OS Lite und dann RaspAP. Sie schließen den Pi mit einem Kabel an das lokale Netzwerk an. Der WLAN-Adapter des Raspberry Pis realisiert den Hotspot und spannt das werbefreie lokale Zweit-Netzwerk auf. Die Installation dauert ca. 15 Minuten.

Raspberry Pi OS Lite installieren

Zur Installation der Lite-Version von Raspberry Pi OS laden Sie sich das Programm Raspberry Pi Imager von https://www.raspberrypi.com/software/ herunter und führen es aus. Damit übertragen Sie Raspberry Pi OS Lite auf eine SD-Karte. (Eine SD-Karte mit 8 GiB reicht.) Am besten führen Sie gleich im Imager eine Vorweg-Konfiguration durch und stellen einen Login-Namen, das Passwort und einen Hostnamen ein. Sie können auch gleich den SSH-Server aktivieren — dann können Sie alle weiteren Arbeiten ohne Tastatur und Monitor durchführen. Führen Sie aber keine WLAN-Konfiguration durch!

Mit der SD-Karten nehmen Sie den Raspberry Pi in Betrieb. Der Pi muss per Netzwerkkabel mit dem lokalen Netzwerk verbunden sein. Melden Sie sich an (wahlweise mit Monitor + Tastatur oder per SSH) und führen Sie ein Update durch (sudo apt update und sudo apt full-upgrade).

RaspAP installieren

RaspAP steht für Raspberry Pi Access Point. Sein Setup-Programm installiert eine Weboberfläche, in der Sie unzählige Details und Funktionen Ihres WLAN-Routers einstellen können. Dazu zählen:

• Verwendung als WLAN-Router oder -Repeater
• freie Auswahl des WLAN-Adapters
• frei konfigurierbarer DHCP-Server
• Ad-Blocking-Funktion
• VPN-Server (OpenVPN, WireGuard)
• VPN-Client (ExpressVPN, Mullvad VPN, NordVPN)

An dieser Stelle geht es nur um die Ad-Blocking-Funktionen, die standardmäßig aktiv sind. Zur Installation laden Sie das Setup-Script herunter, kontrollieren kurz mit less, dass das Script wirklich so aussieht, als würde es wie versprochen RaspAP installieren, und führen es schließlich aus.

Die Rückfragen, welche Features installiert werden sollen, können Sie grundsätzlich alle mit [Return] beantworten. Das VPN-Client-Feature ist nur zweckmäßig, wenn Sie über Zugangsdaten zu einem kommerziellen VPN-Dienst verfügen und Ihr Raspberry Pi diesen VPN-Service im WLAN weitergeben soll. (Das ist ein großartiger Weg, z.B. ein TV-Gerät via VPN zu nutzen.)

Welche Funktionen Sie wirklich verwenden, können Sie immer noch später entscheiden. Das folgende Listing ist stark gekürzt. Die Ausführung des Setup-Scripts dauert mehrere Minuten, weil eine Menge Pakete installiert werden.

wget https://install.raspap.com -O raspap-setup.sh
less raspap-setup.sh
bash raspap-setup.sh

The Quick Installer will guide you through a few easy steps
Using GitHub repository: RaspAP/raspap-webgui 3.0.7 branch
Configuration directory: /etc/raspap
lighttpd root: /var/www/html? [Y/n]:
Installing lighttpd directory: /var/www/html
Complete installation with these values? [Y/n]:
Enable HttpOnly for session cookies? [Y/n]:
Enable RaspAP control service (Recommended)? [Y/n]:
Install ad blocking and enable list management? [Y/n]:
Install OpenVPN and enable client configuration? [Y/n]:
Install WireGuard and enable VPN tunnel configuration? [Y/n]:
Enable VPN provider client configuration? [Y/n]: n
The system needs to be rebooted as a final step. Reboot now? [Y/n]

Wenn alles gut geht, gibt es nach dem Neustart des Raspberry Pi ein neues WLAN mit dem Namen raspi-webgui. Das Passwort lautet ChangeMe.

Sobald Sie Ihr Notebook (oder ein anderes Gerät) mit diesem WLAN verbunden haben, öffnen Sie in einem Webbrowser die Seite http://10.3.141.1 (mit http, nicht https!) und melden sich mit den folgenden Daten an:

Username: admin
Passwort: secret

In der Weboberfläche sollten Sie als Erstes zwei Dinge ändern: das Admin-Passwort und das WLAN-Passwort:

• Zur Veränderung des Admin-Passworts klicken Sie auf das User-Icon rechts oben in der Weboberfläche, geben einmal das voreingestellte Passwort secret und dann zweimal Ihr eigenes Passwort an.

• Die Eckdaten des WLANs finden Sie im Dialogblatt Hotspot. Das Passwort können Sie im Dialogblatt Security verändern.

RaspAP verwendet automatisch den WLAN-Namen (den Service Set Identifier) raspi-webgui. Auf der Einstellungsseite Hotspot können Sie einen anderen Namen einstellen. Ich habe wie gesagt wlan-without-ads verwendet. Danach müssen sich alle Clients neu anmelden. Fertig!

USB-WLAN-Adapter

Leider hat der lokale WLAN-Adapter des Raspberry Pis keine großartige Reichweite. Für’s Wohnzimmer oder eine kleine Wohnung reicht es, für größere Wohnungen oder gar ein Einfamilienhaus aber nicht. Abhilfe schafft ein USB-WLAN-Antenne. Das Problem: Es ist nicht einfach, ein Modell zu finden, das vom Linux-Kernel auf Anhieb unterstützt wird. Ich habe zuhause drei USB-WLAN-Adapter. Zwei haben sich als zu alt erwiesen (kein WPA, inkompatibel mit manchen Client-Geräten etc.); der dritte Adapter (BrosTrend AC650) wird auf Amazon als Raspberry-Pi-kompatibel beworben, womit ich auch schon in die Falle getappt bin. Ja, es gibt einen Treiber, der ist aber nicht im Linux-Kernel inkludiert, sondern muss manuell installiert werden:

https://github.com/ElectricRCAircraftGuy/BrosTrendWifiAdapterSoftware

Immerhin gelang die Installation unter Raspberry Pi OS Lite auf Anhieb mit dem folgenden, auf GitHub dokumentierten Kommando:

sh -c 'busybox wget deb.trendtechcn.com/install \
       -O /tmp/install && sh /tmp/install'

Mit dem nächsten Neustart erkennt Linux den WLAN-Adapter und kann ihn nutzen. Das ändert aber nichts daran, dass mich die Installation von Treibern von dubiosen Seiten unglücklich macht, dass die Treiberinstallation nach jedem Kernel-Update wiederholt werden muss und dass die manuelle Treiberinstallationen bei manchen Linux-Distributionen gar nicht möglich ist (LibreELEC, Home Assistant etc.).

Wenn Sie gute Erfahrungen mit einem USB-WLAN-Adapter gemacht haben, hinterlassen Sie bitte einen kurzen Kommentar!

Sobald RaspAP den WLAN-Adapter kennt, bedarf es nur weniger Mausklicks in der RaspAP-Weboberfläche, um diesen Adapter für den Hotspot zu verwenden.

Alternativ können Sie den internen WLAN-Adapter auch ganz deaktivieren. Dazu bauen Sie in config.txt die folgende Zeile ein und starten den Raspberry Pi dann neu.

# Datei /boot/firmware/config.txt
...
dtoverlay=disable-wifi

Danach kennt Raspberry Pi OS nur noch den USB-WLAN-Adapter, eine Verwechslung ist ausgeschlossen.

Vorteile

Der größte Vorteil von RaspAP als Ad-Blocker ist aus meiner Sicht seine Einfachheit: Der Werbeblocker kann mit minimalem Konfigurationsaufwand von jedem Gerät im Haushalt genutzt werden (Opt-In-Modell). Sollte RaspAP für eine Website zu restriktiv sein, dauert es nur wenige Sekunden, um zurück in das normale WLAN zu wechseln. Bei mir zuhause waren alle Familienmitglieder schnell überzeugt.

Nachteile

• Der Raspberry Pi muss per Ethernet-Kabel mit dem lokalen Netzwerk verbunden werden.

• Manche Seiten sind so schlau, dass sie das Fehlen der Werbung bemerken und dann nicht funktionieren. Es ist prinzipbedingt unmöglich, für solche Seiten eine Ausnahmeregel zu definieren. Sie müssen in das normale WLAN wechseln, damit die Seite funktioniert.

• youtube-Werbung kann nicht geblockt werden, weil Google so schlau ist, die Werbefilme vom eigenen Server und nicht von einem anderen Server zuzuspielen. youtube.com selbst zu blocken würde natürlich helfen und außerdem eine Menge Zeit sparen, schießt aber vielleicht doch über das Ziel hinaus.

• Mit RaspAP sind Sie in einem eigenen privaten Netz, NICHT im lokalen Netz Ihres Internet-Routers. Sie können daher mit Geräten, die sich im wlan-without-ads befinden, nicht auf andere Geräte zugreifen, die mit Ihrem lokalen Router (FritzBox etc.) verbunden sind. Das betrifft NAS-Geräte, Raspberry Pis mit Home Assistant oder anderen Anwendungen etc.

Keine Werbeeinnahmen mehr für Seitenbetreiber?

Mir ist klar, dass sich viele Seiten zumindest teilweise über Werbung finanzieren. Das wäre aus meiner Sicht voll OK. Aber das Ausmaß ist unerträglich geworden: Mittlerweile blinkt beinahe zwischen jedem Absatz irgendein sinnloses Inserat. Werbefilme vervielfachen das Download-Volumen der Seiten, der Lüfter heult, ich kann mich nicht mehr auf den Text konzentrieren, den ich lese. Es geht einfach nicht mehr.

Viele Seiten bieten mir Pur-Abos an (also Werbeverzicht gegen Bezahlung). Diesbezüglich war https://derstandard.at ein Pionier, und tatsächlich habe ich genau dort schon vor vielen Jahren mein einziges Pur-Abo abgeschlossen. In diesem Fall ist es auch ein Ausdruck meiner Dankbarkeit für gute Berichterstattung. Früher habe ich für die gedruckte Zeitung bezahlt, jetzt eben für die Online-Nutzung.

Mein Budget reicht aber nicht aus, dass ich solche Abos für alle Seiten abschließen kann, die ich gelegentlich besuche: heise.de, golem.de, phoronix, zeit.de, theguardian.com usw. Ganz abgesehen davon, dass das nicht nur teuer wäre, sondern auch administrativ mühsam. Ich verwende diverse Geräte, alle paar Wochen muss ich mich neu anmelden, damit die Seiten wissen, dass ich zahlender Kunde bin. Das ist bei derstandard.at schon mühsam genug. Wenn ich zehn derartige Abos hätte, würde ich alleine an dieser Stelle schon verzweifeln.

Wenn sich Zeitungs- und Online-News-Herausgeber aber zu einem Site-übergreifenden Abrechnungsmodell zusammenschließen könnten (Aufteilung der monatlichen Abo-Gebühr nach Seitenzugriffen), würde ich mir das vielleicht überlegen. Das ist aber sowieso nur ein Wunschtraum.

Aber so, wie es aktuell aussieht, funktioniert nur alles oder nichts. Mit RaspAP kann ich die Werbung nicht für manche Seiten freischalten. Eine Reduktion des Werbeaufkommens auf ein vernünftiges Maß funktioniert auch nicht. Gut, dann schalte ich die Werbung — soweit technisch möglich — eben ganz ab.

Die letzten Wochen habe ich mich ziemlich intensiv mit Home Assistant auseinandergesetzt. Dabei handelt es sich um eine Open-Source-Software zur Smart-Home-Steuerung. Home Assistant (HA) ist eine spezielle Linux-Distribution, die häufig auf einem Raspberry Pi ausgeführt wird. Dieser Artikel zeigt die nicht ganz unkomplizierte Integration meines Fronius Wechselrichters in das Home-Assistant-Setup. (Die Basisinstallation von HA setze ich voraus.)

Die Abbildung ist wie folgt zu interpretieren: Heute bis 19:00 wurden im Haushalt 8,2 kWh elektrische Energie verbraucht, aber 13,6 kWh el. Energie produziert (siehe die Kreise rechts). 3,7 kWh wurden in das Netz eingespeist, 0,4 kWh von dort bezogen.

Das Diagramm »Energieverbrauch« (also das Balkendiagramm oben): In den Morgen- und Abendstunden hat der Haushalt Strom aus der Batterie bezogen (grün); am Vormittag wurde der Speicher wieder komplett aufgeladen (rot). Am Nachmittag wurde Strom in das Netz eingespeist (violett). PV-Strom, der direkt verbraucht wird, ist gelb gekennzeichnet.

Fronius-Integration

Bevor Sie mit der Integration des Fronius-Wechselrichters in das HA-Setup beginnen, sollten Sie sicherstellen, dass der Wechselrichter, eine fixe IP-Adresse im lokalen Netzwerk hat. Die erforderliche Einstellung nehmen Sie in der Weboberfläche Ihres WLAN-Routers vor.

Außerdem müssen Sie beim Wechselrichter die sogenannte Solar API aktivieren. Über diese REST-API können diverse Daten des Wechselrichters gelesen werden. Zur Aktivierung müssen Sie sich im lokalen Netzwerk in der Weboberfläche des Wechselrichters anmelden. Die relevante Option finden Sie unter Kommunikation / Solar API. Der Dialog warnt vor der Aktivierung, weil die Schnittstelle nicht durch ein Passwort abgesichert ist. Allzugroß sollte die Gefahr nicht sein, weil der Zugang ohnedies nur im lokalen Netzwerk möglich ist und weil die Schnittstelle ausschließlich Lesezugriffe vorsieht. Sie können den Wechselrichter über die Solar API also nicht steuern.

Als nächstes öffnen Sie in der HA-Weboberfläche die Seite Einstellungen / Geräte & Dienste und suchen dort nach der Integration Fronius (siehe auch hier). Im ersten Setup-Dialog müssen Sie lediglich die IP-Adresse des Wechselrichters angeben. Im zweiten Dialog werden alle erkannten Komponenten aufgelistet und Sie können diese einem Bereich zuordnen.

Bei meinen Tests standen anschließend über 60 neue Entitäten (Sensoren) für alle erdenklichen Betriebswerte des Wechselrichters, des damit verbundenen Smartmeters sowie des Stromspeichers zur Auswahl. Viele davon werden automatisch im Default-Dashboard angezeigt und machen dieses vollkommen unübersichtlich.

Energieansicht

Der Zweck der Fronius-Integration ist weniger die Anzeige diverser einzelner Betriebswerte. Vielmehr sollen die Energieflüssen in einer eigenen Energieansicht dargestellt werden. Diese Ansicht wertet die Wechselrichterdaten aus und fasst zusammen, welche Energiemengen im Verlauf eines Tags, einer Woche oder eines Monats wohin fließen. Die Ansicht differenziert zwischen dem Energiebezug aus dem Netz bzw. aus den PV-Modulen und berücksichtigt bei richtiger Konfiguration auch den Stromfluss in den bzw. aus dem integrierten Stromspeicher. Sofern Sie eine Gasheizung mit Mengenmessung verfügen, können Sie auch diese in die Energieansicht integrieren.

Die Konfiguration der Energieansicht hat sich aber als ausgesprochen schwierig erwiesen. Auf Anhieb gelang nur das Setup des Moduls Stromnetz. Damit zeigt die Energieansicht nur an, wie viel Strom Sie aus dem Netz beziehen bzw. welche Mengen Sie dort einspeisen. Die Fronius-Integration stellt die dafür Daten in Form zweier Sensoren direkt zur Verfügung:

• Aus dem Netz bezogene Energie: sensor.smart_meter_ts_65a_3_bezogene_wirkenergie

• In das Netz eingespeiste Energie: sensor.smart_meter_ts_65a_3_eingespeiste_wirkenergie

Je nachdem, welchen Wechselrichter und welche dazu passende Integration Sie verwenden, werden die Sensoren bei Ihnen andere Namen haben. In den Auswahllisten zur Stromnetz-Konfiguration können Sie nur Sensoren
auswählen, die Energie ausdrücken. Zulässige Einheiten für derartige Sensoren sind unter anderem Wh (Wattstunden), kWh oder MWh.

Code zur Bildung von drei Riemann-Integralen

Eine ebenso einfache Konfiguration der Module Sonnenkollektoren und Batteriespeicher zu Hause scheitert daran, dass die Fronius-Integration zwar aktuelle Leistungswerte für die Produktion durch die PV-Module und den Stromfluss in den bzw. aus dem Wechselrichter zur Verfügung stellt (Einheit jeweils Watt), dass es aber keine kumulierten Werte gibt, welche Energiemengen seit dem Einschalten der Anlage geflossen sind (Einheit Wattstunden oder Kilowattstunden). Im Internet gibt es eine Anleitung, wie dieses Problem behoben werden kann:

https://community.home-assistant.io/t/376329
https://www.home-assistant.io/integrations/integration

Die Grundidee besteht darin, dass Sie eigenen Code in eine YAML-Konfigurationsdatei von Home Assistant einbauen. Gemäß dieser Anweisungen werden mit einem sogenannten Riemann-Integral die Leistungsdaten in Energiemengen umrechnet. Dabei wird regelmäßig die gerade aktuelle Leistung mit der zuletzt vergangenen Zeitspanne multipliziert. Diese Produkte (Energiemengen) werden summiert (method: left). Das Ergebnis sind drei neue Sensoren (Entitäten), deren Name sich aus den title-Attributen im zweiten Teil des Listings ergeben:

• Batterieladung: sensor.total_battery_energy_charged
• Batterieentladung: sensor.total_battery_energy_discharged
• PV-Produktion: sensor.total_photovoltaics_energy

Die Umsetzung der Anleitung hat sich insofern schwierig erwiesen, als die in der ersten Hälfte des Listungs verwendeten Sensoren aus der Fronius-Integration bei meiner Anlage ganz andere Namen hatten als in der Anleitung. Unter den ca. 60 Sensoren war es nicht ganz leicht, die richtigen Namen herauszufinden. Wichtig ist auch die Einstellung device_class: power! Die in einigen Internet-Anleitungen enthaltene Zeile device_class: energy ist falsch.

Der template-Teil des Listings ist notwendig, weil der Sensor solarnet_leistung_von_der_batterie je nach Vorzeichen die Lade- bzw. Entladeleistung enthält und daher getrennt summiert werden muss. Außerdem kommt es vor, dass die Fronius-Integration einzelne Werte gar nicht übermittelt, wenn sie gerade 0 sind (daher die Angabe eines Default-Werts).

Der zweite Teil des Listungs führt die Summenberechnung durch (method: left) und skaliert die Ergebnisse um den Faktor 1000. Aus 1000 Wh wird mit unit_prefix: k also 1 kWh.

Bevor Sie den Code in configuration.yaml einbauen können, müssen Sie einen Editor als Add-on installieren (Einstellungen / Add-ons, Add-on-Store öffnen, dort den File editor auswählen).

# in die Datei /homeassistant/configuration.yaml einbauen
...
template:
  - sensor:
      - name: "Battery Power Charging"
        unit_of_measurement: W
        device_class: power
        state: "{{ max(0, 0 -  states('sensor.solarnet_leistung_von_der_batterie') | float(default=0)) }}"
      - name: "Battery Power Discharging"
        unit_of_measurement: W
        device_class: power
        state: "{{ max(0, states('sensor.solarnet_leistung_von_der_batterie') | float(default=0)) }}"
      - name: "Power Photovoltaics"
        unit_of_measurement: W
        device_class: power
        state: "{{ states('sensor.solarnet_pv_leistung') | float(default=0) }}"

sensor:
    - platform: integration
      source: sensor.battery_power_charging
      name: "Total Battery Energy Charged"
      unique_id: 'myuuid_1234'
      unit_prefix: k
      method: left
    - platform: integration
      source: sensor.battery_power_discharging
      name: "Total Battery Energy Discharged"
      unique_id: 'myuuid_1235'
      unit_prefix: k
      method: left
    - platform: integration
      source: sensor.power_photovoltaics
      name: "Total Photovoltaics Energy"
      unique_id: 'myuuid_1236'
      unit_prefix: k
      method: left

Damit die neuen Einstellungen wirksam werden, starten Sie den Home Assistant im Dialogblatt Einstellungen / System neu. Anschließend sollte es möglich sein, auch die Module Sonnenkollektoren und Batteriespeicher zu Hause richtig zu konfigurieren. (Bei meinen Experimenten hat es einen ganzen Tag gedauert hat, bis endlich alles zufriedenstellend funktionierte. Zwischenzeitlich habe ich zur Fehlersuche Einstellungen / System / Protokolle genutzt und musste unter Entwicklerwerkzeuge / Statistik zuvor aufgezeichnete Daten von falsch konfigurierten Sensoren wieder löschen.) Der Lohn dieser Art zeigt sich im Bild aus der Artikeleinleitung.

Quellen/Links

• https://www.home-assistant.io
• https://www.fronius.com/de-at/austria/solarenergie/installateure-partner/technische-daten/alle-produkte/anlagen-monitoring/offene-schnittstellen/fronius-solar-api-json-
• https://kofler.info/bedienung-fronius-symo-gen24
• https://www.home-assistant.io/integrations/fronius
• https://community.home-assistant.io/t/376329
• https://www.home-assistant.io/integrations/integration

Der neue Raspberry Pi 5 verfügt erstmals über eine PCIe-Schnittstelle. Leider hat man sich bei der Raspberry Pi Foundation nicht dazu aufraffen können, gleich auch einen Slot für eine PCIe-SSD vorzusehen. Gut möglich, dass es auch einfach an Platzgründen gescheitert ist. Oder wird dieser Slot das Kaufargument für den Raspberry Pi 6 sein? Egal.

Mittlerweile gibt es diverse Aufsteckplatinen für den Raspberry Pi, die den Anschluss einer PCIe-SSD ermöglichen. Sie unterscheiden sich darin, ob sie über oder unter der Hauptplatine des Raspberry Pis montiert werden, ob sie kompatibel zum Lüfter sind und in welchen Größen sie SSDs aufnehmen können. (Kleinere Aufsteckplatinen sind mit den langen 2280-er SSDs überfordert.)

NVMe Base von Pimoroni

Für diesen Artikel habe ich die NVMe Base der britischen Firma Pimoroni ausprobiert (Link). Inklusive Versand kostet das Teil ca. 24 €, der Zoll kommt gegebenenfalls hinzu. Die Platine wird mit einem winzigen Kabel und einer Menge Schrauben geliefert.

Der Zusammenbau ist fummelig, aber nicht besonders schwierig. Auf YouTube gibt es eine ausgezeichnete Anleitung. Achten Sie darauf, dass Sie wirklich eine PCIe-SSD verwenden und nicht eine alte M2-SATA-SSD, die Sie vielleicht noch im Keller liegen haben!

Nachdem Sie alles zusammengeschraubt haben, starten Sie Ihren Raspberry Pi neu (immer noch von der SD-Karte). Vergewissern Sie sich mit lsblk im Terminal, dass die SSD erkannt wurde! Entscheidend ist, dass die Ausgabe eine oder mehrere Zeilen mit dem Devicenamen nmve0n1* enthält.

lsblk

NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
mmcblk0     179:0    0  29,7G  0 disk 
├─mmcblk0p1 179:1    0   512M  0 part /boot/firmware
└─mmcblk0p2 179:2    0  29,2G  0 part 
nvme0n1     259:0    0 476,9G  0 disk 

Raspberry-Pi-OS klonen und von der SSD booten

Jetzt müssen Sie Ihre Raspberry-Pi-OS-Installation von der SD-Karte auf die SSD übertragen. Dazu starten Sie das Programm Zubehör/SD Card Copier, wählen als Datenquelle die SD-Karte und als Ziel die SSD aus.

SD Card Copier kopiert das Dateisystem im laufenden Betrieb, was ein wenig heikel ist und im ungünstigen Fall zu Fehlern führen kann. Der Prozess dauert ein paar Minuten. Während dieser Zeit sollten Sie auf dem Raspberry Pi nicht arbeiten! Das Kopier-Tool passt die Größe der Partitionen und Dateisysteme automatisch an die Größe der SSD an.

Als letzten Schritt müssen Sie nun noch den Boot-Modus ändern, damit Ihr Raspberry Pi in Zukunft die SSD als Bootmedium verwendet, nicht mehr die SD-Karte. Dazu führen Sie im Terminal sudo raspi-config aus und wählen Advanced Options -> Boot Order -> NVMe/USB Boot.

Selbst wenn alles klappt, verläuft der nächste Boot-Vorgang enttäuschend. Der Raspberry Pi lässt sich mit der Erkennung der SSD so viel Zeit, dass die Zeit bis zum Erscheinen des Desktops sich nicht verkürzt, sondern im Gegenteil ein paar Sekunden verlängert (bei meinen Tests ca. 26 Sekunden, mit SD-Karte nur 20 Sekunden). Falls Sie sich unsicher sind, ob die SSD überhaupt verwendet wird, führen Sie noch einmal lsblk aus. Der Mountpoint / muss jetzt bei einem nvme-Device stehen:

lsblk

NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
nvme0n1     259:0    0 476,9G  0 disk 
├─nvme0n1p1 259:1    0   512M  0 part /boot/firmware
└─nvme0n1p2 259:2    0 476,4G  0 part /

Wie viel die SSD an Geschwindigkeit bringt, merken Sie am ehesten beim Start großer Programme (Firefox, Chromium, Gimp, Mathematica usw.), der jetzt spürbar schneller erfolgt. Auch größere Update (sudo apt full-upgrade) gehen viel schneller vonstatten.

Benchmark-Tests

Ist die höhere Geschwindigkeit nur Einbildung, oder läuft der Raspberry Pi wirklich schneller? Diese Frage beantworten I/O-Benchmarktests. (I/O steht für Input/Output und bezeichnet den Transfer von Daten zu/von einem Datenträger.)

Ich habe den Pi Benchmark verwendet. Werfen Sie immer einen Blick in heruntergeladene Scripts, bevor Sie sie mit sudo ausführen!

wget https://raw.githubusercontent.com/TheRemote/ \
       PiBenchmarks/master/Storage.sh
less Storage.sh       
sudo bash Storage.sh

Ich habe den Test viermal ausgeführt:

• Mit einer gewöhnlichen SD-Karte.
• Mit einer SATA-SSD (Samsung 840) via USB3.
• Mit einer PCIe-SSD (Hynix 512 GB PCIe Gen 3 HFS512GD9TNG-62A0A)
• Mit einer PCIe-SSD (wie oben) plus PCIe Gen 3 (Details folgen gleich).

Die Unterschiede sind wirklich dramatisch:

Modell                 Pi 5 + SD     Pi 5 + USB    Pi 5 + PCIe     Pi 5 + PCIe 3
-----------------    -----------  -------------  -------------   ---------------
Disk Read                73 MB/s       184 MB/s       348 MB/s          378 MB/s
Cached Disk Read         85 MB/s       186 MB/s       358 MB/s          556 MB/s
Disk Write               14 MB/s       121 MB/s       146 MB/s          135 MB/s
4k random read         3550 IOPS     32926 IOPS    96.150 IOPS      173.559 IOPS
4k random write         918 IOPS     27270 IOPS    81.920 IOPS       83.934 IOPS
4k read               15112 KB/s     28559 KB/s   175.220 KB/s      227.388 KB/s
4k write               4070 KB/s     28032 KB/s   140.384 KB/s      172.500 KB/s   
4k random read        13213 KB/s     17153 KB/s    50.767 KB/s       54.682 KB/s
4k random write        2862 KB/s     27507 KB/s   160.041 KB/s      203.630 KB/s        
Score                       1385           9285         34.723            43.266

Beachten Sie aber, dass das synthetische Tests sind! Im realen Betrieb fühlt sich Ihr Raspberry Pi natürlich schneller an, aber keineswegs in dem Ausmaß, den die obigen Tests vermuten lassen.

PCIe Gen 3

Standardmäßig verwendet der Raspberry Pi PCI Gen 2. Mit dem Einbau von zwei Zeilen Code in /boot/firmware/config.txt können Sie den erheblich schnelleren Modus PCI Gen 3 aktivieren. (Der Tipp stammt vom PCIe-Experten Jeff Geerling.)

# in /boot/firmware/config.txt
dtparam=pciex1
dtparam=pciex1_gen=3

Die obigen Benchmarktests beweisen, dass die Einstellung tatsächlich einiges an Zusatz-Performance bringt. Ehrlicherweise muss ich sagen, dass Sie davon im normalen Betrieb aber wenig spüren.

Bleibt noch die Frage, ob die Einstellung gefährlich ist. Die Raspberry Pi Foundation muss ja einen Grund gehabt haben, warum sie PCI Gen 3 nicht standardmäßig aktiviert hat. Zumindest bei meinen Tests sind keine Probleme aufgetreten. Auch dmesg hat keine beunruhigenden Kernel-Messages geliefert.

Fazit

Es ist natürlich cool, den Raspberry Pi mit einer schnellen SSD zu verwenden. Für Bastelprojekte ist dies nicht notwendig, aber wenn Sie vor haben, Ihren Pi als Server, NAS etc. einzusetzen, beschleunigt die SSD I/O-Vorgänge enorm.

Schön wäre, wenn der Raspberry Pi in Zukunft einen PCIe-Slot erhält, um (zumindest kurze) SSDs ohne Zusatzplatine zu nutzen. Bis dahin sind die Erweiterungsplatinen eine Übergangslösung.

In der Community ist zuletzt die Frage aufgetaucht, ob der Raspberry Pi überhaupt noch preiswert ist. Diese Frage ist nicht unberechtigt: Die Kosten für einen neuen Pi 5 + Netzteil + Lüfter + SSD-Platine + SSD + Gehäuse gehen in Richtung 150 €. Sofern Sie ein Gehäuse finden, in dem der Pi samt SSD-Platine Platz findet … Um dieses Geld bekommen Sie auch schon komplette Mini-PCs (z.B. die Chuwi Larkbox X). Je nach Anwendung muss man fairerweise zugeben, dass ein derartiger Mini-PC tatsächlich ein besserer Deal ist.

Quellen/Links

• Pimoroni NVMe Base: https://shop.pimoroni.com/products/nvme-base, https://www.youtube.com/watch?v=odG7FbptgWQ
• Pineberry (2 Modelle): https://pineberrypi.com
• Geekworm (diverse Modelle): https://geekworm.com/search?type=product&q=pcie
• PCIe Gen 3: https://www.jeffgeerling.com/blog/2023/forcing-pci-express-gen-30-speeds-on-pi-5
• Chuwi Larkbox X: https://www.derstandard.at/story/3000000204570
• When did the Raspberry Pi get so expensive? https://www.jeffgeerling.com/blog/2024/when-did-raspberry-pi-get-so-expensive

Das ist der dritte Teil einer Mini-Serie zur GPIO-Nutzung am Raspberry Pi 5:

• GPIO Reloaded I: Python (gpiozero, lgpio, gpiod, rpi-lgpio)
• GPIO Reloaded II: Bash (gpiod, gpioget, gpioset, pinctrl)
• GPIO Reloaded III: Kamera (rpicam-xxx, Picamera2)

Genau genommen hat die Kamera-Nutzung nicht unmittelbar etwas mit GPIOs zu tun. Allerdings ist für die Kommunikation mit der Kamera ebenfalls der neu im Pi 5 integrierte RP1-Chip verantwortlich. Der Chip ist der Grund, weswegen alte Kamera-Tools auf dem Raspberry Pi 5 nicht mehr funktionieren. Bevor Sie zu schimpfen beginnen: Der RP1 hat viele Vorteile. Unter anderem können Sie nun zwei Kameras gleichzeitig anschließen und nutzen und höhere Datenmengen übertragen (wichtig für Videos).

Beachten Sie, dass Sie beim Raspberry Pi 5 zum Kamera-Anschluss ein neues, schmaleres Kabel benötigen!

Veraltet: raspistill, raspivid, picamera2

Im Terminal bzw. in Bash-Scripts funktionieren raspistill, raspivid usw. nicht mehr. Sie müssen stattdessen rpicam-still, rpicam-vid etc. einsetzen.

In Python-Scripts müssen Sie Abschied vom picamera-Modul nehmen. Stattdessen gibt es das vollkommen neue Modul Picamera2. Es bietet (viel) mehr Funktionen, ist aber in der Programmierung komplett inkompatibel. Vorhandene Scripts können nicht portiert werden, sondern müssen neu entwickelt werden.

Sowohl die rpicam-xxx-Kommandos als auch das Picamera2-Modul greifen auf die ebenfalls neue Bibliothek libcamera2 zurück.

Im einfachsten Anwendungsfall erzeugen Sie ein Picamera2-Objekt, machen mit der Methode start_and_capture_file ein Foto und speichern dieses in eine Datei. Dabei kommt die volle Auflösung der Kamera zur Anwendung, beim Camera Module 3 immerhin fast 4600×2600 Pixel.

#!/usr/bin/env python3
# Beispieldatei camera.py
from picamera2 import Picamera2
cam = Picamera2()
# ein Foto machen und speichern
cam.start_and_capture_file("test.jpg")

Anstelle von start_and_capture_file gibt es zwei weitere Methoden, um ebenso unkompliziert Bilderfolgen bzw. Videos aufzunehmen:

# 10 Bilder im Abstand von 0,5 Sekunden aufnehmen
# mit Dateinamen in der Form series-0003.jpg
cam.start_and_capture_files("series-{:0>4d}.jpg", 
                            num_files=10, 
                            delay=0.5)
# Video über 10 Sekunden aufnehmen (640x480 @ 30 Hz, H.264/AVC1)
cam.start_and_record_video("test.mp4", duration=10)

rpicam-xxx-Kommandos

Zum Test der Kamera sowie zur Aufnahme von Bildern und Videos stehen die folgenden neuen Kommandos zur Auswahl:

• rpicam-hello: zeigt für fünf Sekunden der Preview-Fenster mit dem Bild der Kamera an
• rpicam-jpeg: nimmt ein Foto auf und speichert es als JPEG-Datei
• rpicam-still: nimmt ein Foto auf und speichert es (mehr Optionen als rpicam-jpeg, Optionen etwas kompatibler zu raspistill)
• rpicam-vid: nimmt ein Video auf und speichert es oder gibt den Video-Stream an externe Tools (livav/ffmpeg) weiter
• rpicam-raw: speichert RAW-Videomaterial in einer Datei

Die Kommandos sind mit all ihren Optionen großartig dokumentiert. Es gibt zwar keine man-Seiten, aber dafür liefern die Kommandos mit der Option -h eine lange Liste aller Optionen (z.B. rpicam-still -h). Ich beschränke mich hier auf einige einfache Anwendungsbeispiele.

# fünf Sekunden lang ein Vorschaufenster anzeigen, dann 
# ein Foto aufnehmen und speichern
rpicam-jpeg -o image.jpg

# ohne Vorschau, Aufnahme nach einer Sekunde (1000 ms)
rpicam-jpeg -n -t 1000 -o image.jpg

# wie oben, aber Debugging-Ausgaben nicht anzeigen
rpicam-jpeg -n -t 1000 -v 0 -o image.jpg 

# Bildgröße 1280x800
rpicam-jpeg --width 1280 --height 800 -o image.jpg

# heller/dunkler (EV Exposure Compensation)
rpicam-jpeg --ev 0.5  -o brighter.jpg
rpicam-jpeg --ev -0.5 -o darker.jpg

# erstellt ein 10 Sekunden langes Video (10.000 ms) 
# 640x480@30Hz, H264-Codec
rpicam-vid -t 10000 -o test.mp4

# wie vorher, aber höhere Auflösung
rpicam-vid --width 1024 --height 768 -t 10000 -o test.mp4

Falls Sie mehr als eine Kamera angeschlossen haben, können Sie diese mit rpicam-hello --list-cameras auflisten. Die bei einer Aufnahme gewünschte Kamera können Sie mit der Option rpicam-xxx --camera <n> festlegen.

picamera2-Modul für Python-Scripts

picamera2 ist ein relativ neues Python-Modul. Es ersetzt das früher gebräuchliche Modul picamera. Der Hauptvorteil von picamera2 besteht darin, dass das Modul zu aktuellen Raspberry-Pi-Modellen kompatibel ist. Beim Raspberry Pi 5 kommt picamera2 auch mit dem Fall zurecht, dass Sie zwei Kameras gleichzeitig an Ihren Minicomputer angeschlossen haben.

Eine umfassende Referenz aller Klassen und Methoden finden Sie in der exzellenten Dokumentation (nur im PDF-Format verfügbar), die allerdings weit mehr technische Details behandelt, als Sie jemals brauchen werden. Eine Menge Beispiel-Scripts finden Sie auf GitHub.

Mit create_still_configuration können Sie in diversen optionalen Parametern Einstellungen vornehmen. Das resultierende Konfigurationsobjekt übergeben Sie dann an die configure-Methode. Wichtig ist, dass Sie das Foto nicht mit start_and_capture_file aufnehmen, sondern dass Sie die Methoden start und capture_file getrennt ausführen. Die folgenden Zeilen zeigen, wie Sie ein Bild in einer Auflösung von 1024×768 Pixel aufnehmen. Die sleep-Aufforderung verbessert die Qualität des Bilds. Sie gibt der Kamera-Software etwas Zeit, um die Aufnahme zu fokussieren und richtig zu belichten.

#!/usr/bin/env python3
from picamera2 import Picamera2, Preview
import time

# ein Foto in reduzierter Auflösung aufnehmen
cam = Picamera2()
myconfig = cam.create_still_configuration(
  main={"size": (1024, 768)} )
cam.configure(myconfig)
cam.start()
time.sleep(0.5)
cam.capture_file("1024x768.jpg")

Mit Transformationen können Sie das aufgenommene Bild vertikal und horizontal spiegeln. Falls Sie die Kamerakonfiguration während der Ausführung eines Scripts ändern möchten, müssen Sie die Kamera vorher stoppen und danach neu starten.

# (Fortsetzung des obigen Listings)
cam.stop()
from libcamera import Transform
mytrans = Transform(hflip=True)
myconfig = cam.create_still_configuration(
  main={"size": (1024, 768)},
  transform=mytrans)  
cam.configure(myconfig)
cam.start()
time.sleep(0.5)
cam.capture_file("1024x768-hflip.jpg")

Massive Video-Probleme

Bei der Aufnahme von Videos haben Sie die Wahl zwischen drei Encodern, die die aufgenommenen Bilder in Video-Dateien umzuwandeln:

• H264Encoder (Hardware-Encoder für H.264, kommt per Default zum Einsatz, max. 1080p@30 Hz)
• MJPEGEncoder (Hardware-Encoder für Motion JPEG = MJPEG)
• JpegEncoder (Software-Encoder für MJPEG)

Hardware-Encoding steht nur auf dem Raspberry Pi 4 (H.264 und MJPEG) und dem Raspberry Pi 5 (nur H.264) zur Verfügung. Beim Raspberry Pi 5 läuft der MJPEGEncoder also per Software.

Das folgenden Script soll ein Video im Format 720p aufnehmen und gleichzeitig ein Vorschaubild anzeigen. Dabei soll der H.264-Codec eingesetzt werden.

#!/usr/bin/env python3
from picamera2 import Picamera2, Preview
from picamera2.encoders import H264Encoder, Quality
import time
cam = Picamera2()
myconfig = cam.create_video_configuration(
    main={"size": (1280, 720)})        # Auflösung 720p
myencoder = H264Encoder()
cam.configure(myconfig)
cam.start_preview(Preview.QTGL)
time.sleep(0.5)
cam.start_recording(myencoder, 
                    "test-720p.mp4", 
                    quality=Quality.MEDIUM)
time.sleep(10)
cam.stop_recording()
cam.stop_preview()

Das Script zeigt zwar keine Fehlermeldungen an, allerdings lässt sich die Video-Datei nicht abspielen, weder mit VLC am Raspberry Pi noch mit anderen Video-Playern auf anderen Rechnern. Ich habe tagelang mit den Video-Funktionen von Picamera2 experimentiert, aber die resultierenden Videos waren meist schwarz oder enthielten nur ein Bild, das am Beginn der Aufnahme entstanden ist. Auch die auf der folgenden Seite gesammelten Beispiel-Scripts zum Video-Recording funktionierten bei meinen Tests entweder gar nicht oder nur mit Einschränkungen:

https://github.com/raspberrypi/picamera2/tree/main/examples

Fazit: Die Video-Funktionen von Picamera2 sind aktuell (Anfang 2024) ebenso ambitioniert wie unausgereift. Es ist zu hoffen, dass neue Versionen von libcamera und Picamera2 und eine bessere Dokumentation der Grundfunktionen in Zukunft Abhilfe schaffen. Was nützen coole Spezial-Features, wenn es schon bei den einfachsten Grundfunktionen Probleme gibt?

Quellen/Links

• https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/camera_software.html#introducing-the-raspberry-pi-cameras
• https://datasheets.raspberrypi.com/camera/picamera2-manual.pdf
• https://github.com/raspberrypi/picamera2/tree/main/examples
• https://github.com/raspberrypi/libcamera
• https://github.com/raspberrypi/picamera2

Das ist der zweite Teil einer Mini-Serie zur GPIO-Nutzung am Raspberry Pi 5:

• GPIO Reloaded I: Python (gpiozero, lgpio, gpiod, rpi-lgpio)
• GPIO Reloaded II: Bash (gpiod, gpioget, gpioset, pinctrl)
• GPIO Reloaded III: Kamera (rpicam-xxx, Picamera2)

Zu den wichtigsten Neuerungen beim Raspberry Pi 5 zählt nicht nur der viel schnellere SoC (System-on-a-Chip), sondern auch ein eigener I/O-Controller, der als eigener Chip realisiert ist (RP1). Dieser I/O-Chip bringt mit sich, dass etablierte Mechanismen zur GPIO-Steuerung nicht mehr funktionieren. Besonders stark betroffen sind Kommandos, die im Terminal oder in Bash-Scripts aufgerufen werden.

Veraltet: WiringPi, »gpio«, »raspi-gpio« und »pigpiod/pigs«

Im Verlauf eines Jahrzehnts haben sich diverse Kommandos etabliert, die mittlerweile veraltet sind. Dazu zählt das Kommando gpio aus dem WiringPi-Projekt, das bereits 2019 eingestellt wurde. Ebenfalls verabschieden müssen Sie sich von dessen Nachfolger-Kommando raspi-gpio: Das Kommando ist nicht mit dem neuen I/O-Chip RP1 kompatibel. Glücklicherweise lässt sich das Kommando relativ einfach durch pinctrl ersetzen.

Deutlich ärgerlicher ist, dass auch der beliebte Dämon pigpiod und das dazugehörende Kommando pigs der Kompatibilität zu RP1 zum Opfer gefallen ist. Absurderweise kann der Dienst Anfang 2024 im Raspberry-Pi-Konfigurationsprogramm als GPIO-Fernzugriff scheinbar weiterhin aktiviert werden.

journalctl -u pigpiod beweist aber, dass der Dienst nicht funktioniert:

journalctl -u pigpiod

systemd[1]: Starting pigpiod.service - Daemon required to control GPIO pins via pigpio...
systemd[1]: Started pigpiod.service - Daemon required to control GPIO pins via pigpio.
pigpiod[88161]: 2023-12-29 11:02:24 gpioHardwareRevision: unknown rev code (d04170)
pigpiod[88161]: 2023-12-29 11:02:24 initCheckPermitted:
pigpiod[88161]: +---------------------------------------------------------+
pigpiod[88161]: |Sorry, this system does not appear to be a raspberry pi. |
pigpiod[88161]: |aborting.                                                |
pigpiod[88161]: +---------------------------------------------------------+
pigpiod[88161]: Can't initialise pigpio library
systemd[1]: pigpiod.service: Main process exited, code=exited, status=1/FAILURE
systemd[1]: pigpiod.service: Failed with result 'exit-code'.

Das Problem ist bekannt, aber es sieht nicht so aus, als könnte es behoben werden: https://github.com/joan2937/pigpio/issues/589

gpioget und gpioset

Welche Kommandos funktionieren dann noch? Sie haben die Wahl zwischen den gpioxxx-Kommandos aus dem Paket gpiod sowie pinctrl (siehe den folgenden Abschnitt). Das Paket gpiod ist standardmäßig installiert. Die darin enthaltenen Kommandos nutzen zur Kommunikation mit dem Kernel die Device-Dateien /dev/gpiochip<n> und die Bibliothek libgpiod2.

Der größte Nachteil der Kommandos gpioget, gpioset usw. besteht darin, dass Sie als ersten Parameter die GPIO-Chip-Nummer angeben müssen. Diese variiert je nach Raspberry-Pi-Modell. Bei den Modellen der Serie 1 bis 4 müssen Sie die Nummer 0 angeben, ab Modell 5 die Nummer 4.

# LED ein- und ausschalten, die über den GPIO 7 gesteuert wird
# (= Pin 26 des J8-Headers)

# gpioset auf dem Raspberry Pi 5
gpioset 4 7=1; sleep 3; gpioset 4 7=0

# gpioset auf dem Raspberry Pi 1 bis 4
gpioset 0 7=1; sleep 3; gpioset 0 7=0

Warum variiert die GPIO-Chip-Nummer? Weil beim Raspberry Pi 4 die Kernel-Schnittstelle /dev/gpiochip0 für die GPIO-Steuerung verantwortlich ist (das sind in den BCM 2711 integrierte Funktionen), beim Pi 5 aber der RP1 (ein externer Chip) mit der Kernel-Schnittstelle /dev/gpiochip4. Informationen darüber, welche GPIO-Schnittstellen es gibt und welche GPIO-Funktion wie »verdrahtet« ist, geben die Kommandos gpiodetect und gpioinfo. Die folgenden Ausgaben gelten für den Raspberry Pi 5:

gpiodetect  

  gpiochip0 [gpio-brcmstb@107d508500] (32 lines)
  gpiochip1 [gpio-brcmstb@107d508520] ( 4 lines)
  gpiochip2 [gpio-brcmstb@107d517c00] (17 lines)
  gpiochip3 [gpio-brcmstb@107d517c20] ( 6 lines)
  gpiochip4 [pinctrl-rp1]             (54 lines)


gpioinfo    

  gpiochip0 - 32 lines:
    line   0:   "-"              unused   input  active-high 
    line   1:   "2712_BOOT_CS_N" "spi10 CS0" output active-low
    line   2:   "2712_BOOT_MISO" unused   input active-high 
    ...
  gpiochip1 - 4 lines:
    line   0: "WIFI_SDIO_D0"     unused   input active-high 
    line   1: "WIFI_SDIO_D1"     unused   input active-high 
    ...
  gpiochip2 - 17 lines:
    line   0: "RP1_SDA"          unused   input  active-high 
    line   1: "RP1_SCL"          unused   input  active-high 
    line   2: "RP1_RUN" "RP1 RUN pin"     output active-high 
    ...
  gpiochip3 - 6 lines:
    line   0: "HDMI0_SCL"        unused   input  active-high 
    line   1: "HDMI0_SDA"        unused   input  active-high 
    ...
  gpiochip4 - 54 lines:
    line   0: "ID_SD"            unused   input  active-high 
    line   1: "ID_SC"            unused   input  active-high 
    line   2: "PIN3"             unused   input  active-high 
    line   3: "PIN5"             unused   input  active-high 
    line   4: "PIN7"        "onewire@0"   output active-high
    line   5: "PIN29"       "onewire@0"   output active-low
    line   6: "PIN31"            unused   input  active-high 
    line   7: "PIN26"            unused   input  active-high 
    line   8: "PIN24"            unused   input  active-high 
    line   9: "PIN21"            unused   input  active-high 
    line  10: "PIN19"            unused   input  active-high 
    ...
    line  28: "PCIE_RP1_WAKE"    unused   input  active-high 
    line  29: "FAN_TACH"         unused   input  active-high 
    line  30: "HOST_SDA"         unused   input  active-high 
    line  31: "HOST_SCL"         unused   input  active-high 
    line  32: "ETH_RST_N"   "phy-reset"  output  active-low 
    ...

Um Scripts zu programmieren, die universell funktionieren, können Sie die folgenden Zeilen in den Code einbauen:

# chip=4 für RPi5, chip=0 für ältere Modelle
if gpiodetect | grep -q "pinctrl-rp"; then
  chip=4
else
  chip=0
fi

In der einfachsten Form schalten Sie mit gpioset einen GPIO-Ausgang auf High oder Low. In den folgenden Beispielen bezieht sich der erste Parameter auf die gpiochip-Nummer. 7 gibt die GPIO-Nummer in BCM-Nomenklatur an, 1 oder 0 den gewünschten Zustand:

gpioset $chip 7=1   # GPIO 7 (Pin 26) auf High stellen
gpioset $chip 7=0   # GPIO 7 (Pin 26) auf Low stellen

Sie können auch mehrere Ausgänge auf einmal steuern (hier GPIO 7, 8 und 25):

gpioset $chip 7=0 8=1 25=0 

Durch diverse Optionen können Sie weitere Funktionen steuern (siehe auch man gpioset):

• --bias=as-is|disable|pull-down|pull-up aktiviert die internen Pull-up- oder Pull-down-Widerstände.

• --mode=exit|wait|time|signal gibt an, wie lange das Kommando laufen soll. Standardmäßig gilt exit, das Kommando wird also sofort beendet. Mit wait wartet das Programm, bis der Benutzer [Return] drückt. Bei der Einstellung time können Sie mit --sec=<n> oder --usec=<n> die gewünschte Wartezeit einstellen. signal bedeutet, dass das Programm weiterläuft, bis es mit [Strg]+[C] beendet wird.

• --background führt das Kommando als Hintergrunddienst weiter.

gpioget funktioniert analog zu gpioset: Sie übergeben im ersten Parameter die gpiochip-Nummer (in aller Regel 0), im zweiten Parameter die BCM-Nummer des GPIOs, dessen Input Sie auswerten wollen. Das Ergebnis des Kommandos lautet 0 oder 1, je nachdem, welchen Zustand der Eingang hat.

gpioget $chip 9   # Zustand von GPIO 9 (Pin 21) auslesen
0

pinctrl

Auch mit pinctrl aus dem Paket raspi-utils können Sie GPIO-Funktionen steuern. Der Vorteil von pinctrl besteht darin, dass das Kommando zur Zeit mit allen Raspberry-Pi-Modellen kompatibel ist. Eine Fallunterscheidung, ob das Script auf einem alten oder neuen Modell mit RP1-Chip läuft, entfällt. Außerdem ist das Kommando syntaktisch weitestgehend zu raspi-gpio kompatibel.

Gegen den Einsatz des Kommandos spricht der Umstand, dass das Kommando laut pinctrl -h (der einzigen mir bekannten Dokumentation) nur für Debugging-Zwecke gedacht ist.

Die folgende Aufzählung fasst die wichtigsten Anwendungen des Kommandos zusammen:

• pinctrl get [gpionr] ermittelt den aktuellen Status aller GPIOs bzw. des angegebenen GPIOs.

• pinctrl funcs [gpionr] ermittelt, welche alternativen Funktionen der angegebene GPIO bzw. alle GPIOs erfüllen können.

• pinctrl set gpionr options verändert den Status des angegeben GPIOs. Mögliche Optionen sind:

  • ip = Input
  • op = Output
  • dl = Zustand Low (Drive Low)
  • dh = Zustand High (Drive High)
  • pu = Pull-up-Widerstand aktiv
  • pd = Pull-down-Widerstand aktiv
  • pn = keine Pull-up/down-Funktion
  • a0 bis a7 = alternative Funktion n aktivieren
  • no = Deaktivieren (no function)

Soweit sich sinnvolle Kombinationen ergeben, dürfen mehrere der obigen Optionen auf einmal übergeben werden, jeweils getrennt durch Leerzeichen. Welche alternative Funktionen ein GPIO unterstützt und wie sie nummeriert sind, geht aus pinctrl funcs hervor.

Das folgende Kommando ermittelt, welche Funktionen der GPIO mit der BCM-Nummer 23 unterstützt. Auf dem Raspberry Pi ist dieser GPIO mit Pin 16 des J8-Headers verbunden. GPIO23 kann diverse Funktionen übernehmen:

pinctrl funcs 23

  23, PIN16/GPIO23, SD0_CMD, DPI_D19, I2S0_SDO1, SCL3, 
  I2S1_SDO1, SYS_RIO023, PROC_RIO023, PIO23

Wenn Sie über Pin 26 (BCM-Nummer 07) eine Leuchtdiode angeschlossen haben, dann können Sie die LED wie folgt ein- und ausschalten:

pinctrl set 7 op dh   # LED an Pin 26 ein
pinctrl set 7 op dl   # LED an Pin 26 aus

Quellen/Links

• https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#gpio-and-the-40-pin-header
• https://github.com/joan2937/pigpio/issues/589

Dieser Artikel ist der Auftakt einer Mini-Serie, die sich mit der Script-Programmierung des Raspberry Pi 5 beschäftigt. Geplant sind drei Artikel:

• GPIO Reloaded I: Python (gpiozero, lgpio, gpiod, rpi-lgpio)
• GPIO Reloaded II: Bash (gpiod, gpioget, gpioset, pinctrl)
• GPIO Reloaded III: Kamera (rpicam-xxx, Picamera2)

Hinter den Kulissen hat sich mit der Vorstellung des Raspberry Pi 5 mehr geändert, als es in den ersten Testberichten den Anschein hatte. Schuld daran ist der neue I/O-Chip RP1, der unter anderem für die Kommunikation mit der GPIO-Leiste und der Kamera zuständig ist. Der RP1 bringt natürlich viele Vorteile mit sich (u.a. die Möglichkeit, zwei Kameras anzuschließen und größere Bild- bzw. Videomengen zu verarbeiten); er führt aber auch dazu, dass über Jahre etablierte Module und Kommandos nicht mehr funktionieren. Ja, die Raspberry Pi Foundation hat vorgearbeitet und empfiehlt schon eine Weile alternative Werkzeuge. Aber aus Bequemlichkeit blieben viele Programmierer bei langjährig bewährten Tools. Damit ist jetzt Schluss. Wer den Pi 5 als Maker-Tool nutzen will, muss umlernen.

Wo ist das Problem?

In der Vergangenheit gab es mehrere GPIO-Kommuniktionsmechanismen, z.B. das Lesen/Schreiben von sysfs-Dateien (sys/class/gpio) bzw. das direkte Verändern von Speicherbereichen. Diese Verfahren haben schon in der Vergangenheit oft Probleme bereitet. Beim Raspberry Pi 5 funktionieren sie schlicht nicht mehr. Neue Verfahren verwenden die lgpio-Bibliothek, die wiederum auf eine neue Kernel-Schnittstelle zurückgreift. Diese ist nach außen hin durch die Device-Dateien /dev/gpiochip* sichtbar.

Aus Python-Sicht ist insbesondere das Modul rpi.gpio betroffen. Es ist inkompatibel zum Pi 5 und es gibt anscheinend auch keine Pläne, den Code RP1-kompatibel zu reorganisieren.

Welche Alternativen gibt es?

Schon seit einiger Zeit empfiehlt die Raspberry Pi Foundation, das gpiozero-Modul zu verwenden. Es stellt für den Einstieg gut geeignete Klassen wie LED oder Button zur Verfügung, eignet sich aber auch für anspruchsvollere Maker-Aufgaben.

Wenn Sie sich partout nicht mit gpiozero anfreunden wollen, gibt es drei Alternativen: lgpio, gpiod und rpi-lgpio.

gpiozero

Das Python-Modul gpiozero macht die Steuerung von Hardware-Komponenten durch GPIOs besonders einfach. Für häufig benötigte Hardware-Komponenten gibt es eigene Klassen. Dazu zählen unter anderem:

• LED (Leuchtdiode ein-/ausschalten)
• PWMLED (Helligkeit einer Leuchtdiode mit Software Pulse Width Modulation steuern)
• RGBLED (dreifarbige LED, die über drei GPIO-Ausgänge gesteuert wird)
• TrafficLights (Kombination aus einer roten, gelben und grünen Leuchtdiode)
• MotionSensor (für PIR-Bewegungssensoren)
• LightSensor (Lichtdetektor)
• Button (Taster)
• Buzzer (Summer)
• Motor (zur Steuerung von zwei GPIOs für Vorwärts- und Rückwärts-Signale)
• Robot (zur Steuerung mehrerer Motoren)
• MCP3008 (für den gleichnamigen A/D-Converter)

Das Modul gpiozero ist umfassend dokumentiert:

https://gpiozero.readthedocs.io/en/latest

Ein Hello-World-Beispiel sieht so aus:

#!/usr/bin/env python3
from gpiozero import LED
import time
myled = LED(7)    # BCM-Nummer 7 = Pin 26 des J8-Headers
print("LED ein")
myled.on()
time.sleep(1)
print("LED aus und Programmende")
myled.off()

Dieses Script setzt voraus, dass Pin 26 der GPIO-Leiste (intern BCM/GPIO 7) über einen Vorwiderstand mit einer Leuchtdiode verbunden ist. Anstelle der GPIO-Nummer gibt es einige alternative Adressierungsverfahren, wobei Sie den gewünschente GPIO-Kontakt als Zeichenkette angeben:

# alternative, gleichwertige Schreibweisen
myled = LED(7)          # GPIO 7 = BCM-Nummer 7
myled = LED("GPIO7")    # GPIO 7 (Achtung, nicht "GPIO07")
myled = LED("BCM7")     # BCM 7  (nicht "BCM07")
myled = LED("BOARD26")  # Pin 26 auf der GPIO-Leiste des Boards
myled = LED("J8:26")    # Pin 26 des J8-Headers (= GPIO-Leiste)

lgpio

lgpio (der Projektname lautet noch kürzer lg) ist eine C-Bibliothek zur lokalen Steuerung der GPIOs. Das gerade erwähnte Modul gpiozero verwendet intern seit Version 2.0 die lgpio-Bibliothek. Alternativ stellt das gleichnamige lgpio-Modul eine direkte Python-Schnittstelle zur lgpio-Bibliothek her. Deren Funktionen sind Hardware-näher implementiert. Der GPIO-Zugriff verbirgt sich also nicht hinter Klassen wie LED oder Button, vielmehr werden die GPIO-Schnittstellen direkt angesprochen.

Ein Hello-World-Beispiel mit lgpio sieht so aus:

#!/usr/bin/env python3
import lgpio, time

# Zugriff auf /dev/gpiochip4 für RP1-Chip
handle = lgpio.gpiochip_open(4)

# Raspberry Pi 4 und früher:
# handle = lgpio.gpiochip_open(0)

# GPIO 7 = Pin 26 als Output verwenden
led = 7
lgpio.gpio_claim_output(handle, led)  

# LED zehnmal ein- und ausschalten
for i in range(10):
    print("LED ein")
    lgpio.gpio_write(handle, led, 1)
    time.sleep(1)
    print("LED aus")
    lgpio.gpio_write(handle, led, 0)
    time.sleep(1)

# nichts blockieren
lgpio.gpiochip_close(handle)

Beachten Sie, dass die Initialisierung des Handles für den GPIO-Zugriff je nach Modell variiert! Bei den älteren Raspberry-Pi-Modellen bis einschließlich 4B/400 müssen Sie handle = lgpio.gpiochip_open(0) ausführen. Beim Raspberry Pi 5 ist für die GPIO-Steuerung dagegen der neue RP1-Chip zuständig, den Sie mit gpiochip_open(4) ansprechen. (Die richtige Chip-Nummer stellen Sie am einfachsten mit dem Kommando gpioinfo aus dem Paket gpiod fest. Der hier benötigte Kontakt GPIO7 heißt in gpioinfo ein wenig verwirrend PIN7.)

Wenn Sie mit Python ein lgpio-Script schreiben wollen, das auf allen Pi-Modellen funktioniert, müssen Sie Code zur Erkennung des Pi-Modells integrieren.

Weiterer Codebeispiele finden Sie hier:

• https://abyz.me.uk/lg/examples.html
• https://discourse.ubuntu.com/t/how-to-use-gpio-pins-with-ubuntu-on-raspberry-pi/22009

rpi-lgpio

Was tun, wenn Sie Code für ältere Modelle entwickelt haben, den Sie nun für den Raspberry Pi 5 portieren möchten? Am schnellsten wird dies oft mit dem neuen Modul rpi-lgpio gelingen, das weitgehende Kompatibilität zu rpi.gpio verspricht.

Vor der Installation müssen Sie das in Raspberry Pi OS standardmäßig installierte Modul rpi.gpio installieren. Eine Parallelinstallation beider Module ist ausgeschlossen, weil rpi.gpio und rpi-lgpio den gleichen Modulnamen verwenden (import RPi.GPIO).

sudo apt remove python3-rpi.gpio

Da es in Raspberry Pi OS für rpi-lgpio kein fertiges Paket, installieren Sie dieses am einfachsten mit pip. Da es kein passendes Systempaket gibt, sind keine Konflikte zu erwarten. Wenn Sie die Option --break-system-packages dennoch vermeiden möchten, müssen Sie eine virtuelle Python-Umgebung einrichten.

pip install --break-system-packages rpi-lgpio

Das obige pip-Kommando installiert das Modul lokal, also nur für Ihren Account. Wenn Sie Ihr Script in einem anderen Account ausführen möchten (z.B. als Cron-Job), stellen Sie dem Kommando sudo voran und installieren so rpi-lgpio systemweit.

Nach diesen Vorbereitungsarbeiten sollten viele Ihre alten Scripts ohne Änderungen laufen. Einige Sonderfälle sind hier dokumentiert:

https://rpi-lgpio.readthedocs.io/en/release-0.4/differences.html

Die folgenden Zeilen zeigen einmal mehr eine Schleife zum Ein- und Ausschalten einer Leuchtdiode:

#!/usr/bin/env python3
# Das Script setzt voraus, dass vorher 
# rpi-lgpio installiert wurde!
import RPi.GPIO as gpio
import time

# BCM-GPIO-Nummern verwenden
gpio.setmode(gpio.BCM)

# LED an Pin 26 = GPIO 7 
gpio.setup(7, gpio.OUT)

# LED über Pin 26 fünf Mal ein- und ausschalten
for _ in range(5):
    print("LED ein")
    gpio.output(7, gpio.HIGH)
    time.sleep(1)
    print("LED aus")
    gpio.output(7, gpio.LOW)
    time.sleep(1)

# alle vom Script benutzten GPIOs/Pins wieder freigeben
gpio.cleanup()

gpiod

Das Python-Modul gpiod wird durch das Paket python3-libgpiod zur Verfügung gestellt, das unter Raspberry Pi OS standardmäßig installiert ist. Das Modul stellt eine Python-Schnittstelle zur Bibliothek libgpiod her. Diese Bibliothek ist wiederum eine Alternative zu der schon erwähnten lgpio-Bibliothek. Da es zum Python-Modul kaum Dokumentation gibt, ist gpiod nur für Entwickler von Interesse, die mit libgpiod bereits C-Programme entwickelt haben. Als Ausgangspunkt für eine eigene Recherche eignen sich die beiden folgenden Seiten:

• https://pypi.org/project/gpiod
• https://git.kernel.org/pub/scm/libs/libgpiod/libgpiod.git/about

Das folgende Minibeispiel zeigt, wie Sie eine LED an Pin 26 (GPIO 7) fünf mal ein- und ausschalten:

#!/usr/bin/env python3
import gpiod, time
chip = gpiod.Chip('gpiochip4')  # RP1 (Raspberry Pi 5)
led = chip.get_line(7)          # GPIO 7 = Pin 26 des J8-Headers
led.request(consumer="example", type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)

for _ in range(5):              # 5x ein- und ausschalten
    led.set_value(1)
    time.sleep(1)
    led.set_value(0)
    time.sleep(1)

Quellen/Links

• https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#gpio-and-the-40-pin-header
• https://gpiozero.readthedocs.io/en/latest/
• https://abyz.me.uk/lg/examples.html
• https://discourse.ubuntu.com/t/how-to-use-gpio-pins-with-ubuntu-on-raspberry-pi/22009
• https://pypi.org/project/gpiod
• https://git.kernel.org/pub/scm/libs/libgpiod/libgpiod.git/about

Die aktuelle Raspberry-Pi-Version verwendet auf den Raspberry-Pi-Modellen 4B, 400 sowie 5 Wayland als Default-Grafiksystem. Aus diesem Grund funktionieren viele Programme zur Fernwartung bzw. für Remote-Desktop-Funktionen nicht mehr wie gewohnt. Betroffen ist unter anderem RealVNC, bisher die Default-Lösung der Raspberry Pi Foundation. RealVNC verspricht etwas vage, im Verlauf des Jahres 2024 eine Wayland-kompatible Version ihrer Software zu veröffentlichen. An dieser Stelle erkläre ich Ihnen, was Sie tun können, wenn Sie nicht solange warten möchten.

Xorg versus Wayland

Das X Window System und der Xorg-Server bilden das traditionelle Grafiksystem von Linux. Es basiert auf einem Client/Server-Modell und hat sich jahrzehntelang bewährt. Allerdings ist der Xorg-Server mit vielen Altlasten und Sicherheitsproblemen verbunden. Die Software wird schon seit mehrere Jahren nicht mehr weiterentwickelt und kaum noch aktiv gewartet. Seine Zeit läuft ab.

Der Nachfolger von Xorg heißt Wayland ist dagegen »nur« ein neues Protokoll für die Kommunikation zwischen dem Wayland Compositor (einem Display-Server) und den Anwendungsprogrammen (Clients). Wayland bricht mit dem X Window System und verspricht ein System, das schlanker, sicherer und effizienter ist. Wayland gehört die Zukunft.

Zwar sind mittlerweile viele Programme Wayland-kompatibel, aber leider nicht alle. Besonders große Probleme gibt es bei Programmen, die den Bildschirminhalt auslesen wollen, also Tools für Screenshots, Screencasts, Screen Sharing und Remote Desktop. Derartige Funktionen sind auch unter Wayland möglich, müssen aber vollständig neu implementiert werden.

Aktuelles Grafiksystem ermitteln

Ob Ihr Raspberry Pi Wayland oder Xorg als Grafiksystem verwendet, stellen Sie am einfachsten mit einem Kommando im Terminal fest:

echo $XDG_SESSION_TYPE
  wayland

Im Desktop-Betrieb lauten die möglichen Antworten wayland oder x11. In einer SSH-Session im Textmodus lautet das Ergebnis dagegen tty.

Lösung 1: Xorg statt Wayland verwenden

Die bei weitem einfachste Lösung besteht darin, das Grafiksystem von Wayland zurück auf Xorg umzustellen. Dazu führen Sie in einem Terminal-Fenster sudo raspi-config aus und wählen zuerst den Menüpunkt Advanced Options, dann Wayland. Jetzt können Sie sich zwischen dem X11 Backend und dem Wayland Backend entscheiden. Gleichzeitig ändert sich auch der Window Manager (Openbox versus Wayfire). Optisch ergeben sich daraus aber nur geringe Unterschiede.

Die Einstellung wird in der Datei /etc/lightdm/lightdm.conf gespeichert:

# in der Datei /etc/lightdm/lightdm.conf
...
# für Wayland:
user-session=LXDE-pi-wayfire
# oder für X:
user-session=LXDE-pi-x

Die Umstellung des Grafiksystems wird erst nach einem Neustart wirksam. Die meisten Remote-Desktop-Tools inklusive RealVNC sollte nun wieder wie gewohnt funktionieren. Der RealVNC-Server ist standardmäßig installiert. Die Aktivierung kann aber nicht über das Raspberry-Pi-Konfigurationsprogramm erfolgen. Dessen VNC-Option gilt nur für wayvnc und muss deaktiviert (!) sein, sonst kommt es zu einem Port-Konflikt. Den RealVNC-Dienst aktivieren Sie anschließend wie folgt:

sudo systemctl enable --now vncserver-x11-serviced

Ein VNC-Icon im Panel zeigt an, dass der Start funktioniert hat, und gibt Aufschluss darüber, ob gerade eine Verbindung aktiv ist.

Allerdings gibt es auch hier eine Einschränkung: Der RealVNC-Server funktioniert nur in der 64-Bit-Version von Raspberry Pi OS Bookworm, nicht aber mit der 32-Bit-Version. Dieses Problem soll aber in naher Zukunft behoben werden.

Lösung 2: wayvnc

Wenn Sie bei Wayland bleiben, steht das neue Programm wayvnc zur Verfügung. Sie aktivieren es am einfachsten mit dem Programm Raspberry Pi-Konfiguration im Dialogblatt Schnittstellen, Option VNC.

Daraus resultiert die folgende Konfigurationsdatei /etc/xdg/autostart/wayvnc.desktop:

[Desktop Entry]
Type=Application
Name=wayvnc
Comment=Start wayvnc
NoDisplay=true
Exec=/usr/bin/wayvnc --render-cursor --keyboard=de
OnlyShowIn=wayfire

Jetzt brauchen Sie auf Ihrem Client-Rechner (auf dem Rechner, mit dem Sie Ihren Raspberry Pi steuern möchten), einen zu wayvnc kompatiblen VNC-Client. Der Raspberry-Pi-Blog empfiehlt das Programm vncviewer des Projekts TigerVNC. Die meisten Linux-Distributionen stellen ein entsprechendes Paket zur Verfügung. Für Windows und macOS (Intel) finden Sie hier Downloads.

Bei meinen Tests unter Windows ist der Verbindungsaufbau mit dem Programm Remotedesktopverbindung gescheitert. Mit dem vncviewer von TigerVNC hat es dann aber funktioniert.

Sofern der Raspberry Pi mit einem eigenen Monitor verbunden ist, gilt für den Remote Desktop dieselbe Bildschirmauflösung. Wenn der Raspberry Pi dagegen »headless« läuft, können Sie die gewünschte Auflösung mit sudo raspi-config, Display Options, VNC Resolution einstellen (maximal 1920×1080, erfordert einen Reboot).

Quellen/Links

• https://www.raspberrypi.com/news/bookworm-the-new-version-of-raspberry-pi-os
• https://help.realvnc.com/hc/en-us/articles/14110635000221-Raspberry-Pi-5-Bookworm-and-RealVNC-Connect
• https://tigervnc.org/

pip ist das Paketverwaltungs-Tool von Python. Wenn Sie in einem Script ein Zusatzmodul benötigen, führen Sie einfach pip install xxx bzw. unter macOS und bei manchen Linux-Distributionen pip3 install xxx aus. pip lädt das erforderliche Modul sowie eventuelle Abhängigkeiten herunter und installiert die Pakete lokal (d.h., sie brauchen meine root-Rechte).

Meistens funktioniert pip gut — aber nicht immer. Die häufigste Fehlerquelle unter Windows ist die Parallelinstallation mehrerer Python-Versionen. Dann ist nicht immer klar, auf welche Python-Version sich pip bezieht. Nach meiner Erfahrung scheint pip zumeist die falsche Version zu nehmen. Daher mein Tipp: Vermeiden Sie unter Windows unbedingt die Mehrfachinstallation von Python!

Aber auch unter Linux kann es Probleme geben. Die Ursache hier besteht darin, dass viele Distributionen selbst eine riesige Sammlung von Paketen mit Python-Erweiterungen anbieten. Die Parallelinstallation eines Moduls, einmal mit apt oder dnf und ein zweites Mal mit pip, kann dann zu Konflikten führen — insbesondere dann, wenn nicht exakt dieselben Versionen zum Einsatz kommen. Die Python-Entwickler haben deswegen im ‎Python Enhancement Proposals (PEP) 668 festgeschrieben, dass in solchen Fällen Pakete aus Linux-Repositories vorzuziehen sind. PEP 668 gilt grundsätzlich seit Python 3.11. Tatsächlich implementiert ist es momentan nur in aktuellen Linux-Distributionen:

• Ubuntu ab Version 23.04
• Debian ab Version 12
• Raspberry Pi OS ab dem Bookworm-Release (Okt. 2023)
• Arch Linux

Noch nicht implementiert ist PEP 668 dagegen unter RHEL und Fedora (auch nicht in Version 39 Beta).

pip-Fehlermeldung

Der Versuch, mit pip ein Modul zu installieren, führt bei aktuellen Debian-, Ubuntu- und Raspberry-Pi-OS-Versionen zur folgenden Fehlermeldung:

$ pip install matplotlib

error: externally-managed-environment
This environment is externally managed

    To install Python packages system-wide, try apt install
    python3-xyz, where xyz is the package you are trying to
    install.

    If you wish to install a non-Debian-packaged Python package,
    create a virtual environment using python3 -m venv path/to/venv.
    Then use path/to/venv/bin/python and path/to/venv/bin/pip. Make
    sure you have python3-full installed.

    If you wish to install a non-Debian packaged Python application,
    it may be easiest to use pipx install xyz, which will manage a
    virtual environment for you. Make sure you have pipx installed.

    See /usr/share/doc/python3.11/README.venv for more information.

note: If you believe this is a mistake, please contact your Python 
installation or OS distribution provider. You can override this, 
at the risk of breaking your Python installation or OS, by 
passing --break-system-packages. Hint: See PEP 668 for the 
detailed specification.

Lösung 1: Installation des äquivalenten Linux-Pakets

Die obige Fehlermeldung weist direkt auf die beste Lösung hin — nämlich die Installation des entsprechenden Linux-Pakets mit apt python3-xxx, wobei xxx der Paketname ist. Für die matplotlib führen Sie unter Debian, Ubuntu und Raspberry Pi OS das folgende Kommando aus:

sudo apt install python3-matplotlib

Diese Empfehlung ist mit zwei Einschränkungen verbunden: Sie erfordert, dass Sie root– oder sudo-Rechte haben, und sie setzt voraus, dass das gewünschte Modul tatsächlich im Repository Ihrer Linux-Distribution zur Verfügung steht. Letzteres ist oft der Fall, aber nicht immer. Auf pypi.org gibt es fast 500.000 Projekte, die Debian-Standard-Repositories enthalten dagegen »nur« gut 4000 (apt list | grep python3- | wc -l).

Lösung 2: Verwendung einer virtuellen Umgebung

Ein Virtual Environment im Kontext von Python ist ganz einfach ein Projektverzeichnis, in das die für das Projekt erforderlichen Module lokal und projektspezifisch installiert werden. Das hat mehrere Vorteile:

• Es ist klar, welche Module ein bestimmtes Projekt benötigt. Das Projekt lässt sich später einfacher auf einen anderen Rechner übertragen.
• Es kann keine Konflikte zwischen unterschiedlichen Projekten geben, die unterschiedliche Module erfordern.
• Sie sind nicht auf die von Ihrer Linux-Distribution angebotenen Python-Module eingeschränkt und brauchen keine Administratorrechte zur Installation von Linux-Paketen.

Virtuelle Umgebungen werden von Python durch das Modul venv unterstützt. Dieses Modul muss vorweg installiert werden, entweder mit apt install python3-venv oder durch apt install python3-full. Anschließen richten Sie Ihr Projekt ein:

$ python3 -m venv my-project

Python erzeugt das Verzeichnis my-project, falls dieses noch nicht existiert, und richtet dort eine minimale Python-Umgebung ein. (»Minimal« bedeutet: ca. 1500 Dateien, Platzbedarf ca. 25 MByte. Nun ja.) Nun führen Sie in Ihrem Terminal-Fenster mit source das Shell-Script activate aus, um die Umgebung zu aktivieren:

$ cd my-project
$ source bin/activate
(my-project)$ 

In dieser Umgebung funktioniert pip wie gewohnt. In der Folge können Sie Ihr Script ausführen, das die lokal installierte Module nutzt:

(my-project)$ pip install requests beautifulsoup4
(my-project)$ ./my-webscraping-script.py

Anstelle venv direkt zu nutzen, gibt es diverse Tools, um die Verwaltung Ihrer virtuellen Umgebungen zu vereinfachen. Am bekanntesten sind pipenv und virtualenv. Persönlich ist mir pipenv am liebsten. Das Tool muss vorweg installiert werden (apt install pipenv).

Lösung 3: Das Kommando pipx

pipx ist eine Variante zum klassischen pip-Kommando, das sich gleichzeitig um die Einrichtung einer virtuellen Umgebung kümmert (siehe auch die Dokumentation). pipx ist allerdings nicht zur Installation von Bibliotheken gedacht, sondern zur Installation fertiger Python-Programme. Diese werden in .local/bin gespeichert.

pipx ist nur dann eine attraktive Option, wenn Sie ein als Python-Modul verfügbares Programm unkompliziert installieren und ausführen wollen. Wenn Sie dagegen selbst Scripts entwickeln, die von anderen Modulen abhängig sind, ist pipx nicht das richtige Werkzeug.

Lösung 4: Option pip --break-system-packages

Ein vierter Lösungsweg besteht darin, an pip die Option --break-system-packages zu übergeben. Die Option ist weniger schlimm, als ihr Name vermuten lässt. Im Prinzip funktioniert pip jetzt so wie bisher und installiert das gewünschte Modul, ganz egal, ob es ein äquivalentes Paket Ihrer Distribution gibt oder nicht, und unabhängig davon, ob dieses Paket womöglich schon installiert ist.

Empfehlenswert ist der Einsatz dieser Option in CI-Scripts (Continuous Integration), z.B. in Test- oder Deploy-Scripts für git (siehe auch diesen Blog-Beitrag von Louis-Philippe Véronneau). Die Option --break-system-packages ist oft der schnellste und bequemste Weg, nicht mehr funktionierende Scripts wieder zum Laufen zu bringen.

Quellen/Links

• https://peps.python.org/pep-0668/
• https://veronneau.org/python-311-pip-and-breaking-system-packages.html
• https://docs.python.org/3/tutorial/venv.html
• https://pypa.github.io/pipx
• https://pipenv.pypa.io
• https://virtualenv.pypa.io

(Aktualisiert am 15.10.2023, Geekbench-Ergebnisse mit/ohne Lüfter)

Nach Raspberry Pi OS Bookworm habe ich mir heute auch Ubuntu 23.10 auf dem Raspberry Pi angesehen. In aller Kürze: Der Raspberry Pi 5 ist ein großartiger Desktop-Rechner, Ubuntu mit Gnome unter Wayland läuft absolut flüssig.

Systemvoraussetzungen

Die Desktop-Version von Ubuntu 23.10 läuft nur auf den Modellen 4B, 400 und 5 und beansprucht zumindest 4 GiB RAM. Bei meinem Test mit offenem Terminal, Firefox (zwei Tabs mit GitHub und orf.at) sowie dem neuen App Center waren erst gut 2 GiB RAM in Verwendung. Mit offenem Gimp, VS Code und App Center steigt der Speicherbedarf dann auf 4 GiB. Insofern sind für’s ernsthafte Arbeiten 8 GiB RAM sicher kein Schaden.

Installation

Zur Installation habe ich mit dem Raspberry Pi Imager Ubuntu 23.10 auf eine SD-Karte übertragen. Die Spracheinstellung in der Konfigurationsphase beim ersten Starts bleibt wirkungslos und muss später in den Systemeinstellungen nachgeholt werden. Außerdem müssen mit Installierte Sprachen verwalten alle erforderlichen Sprachdateien heruntergeladen werden.

Ein initiales Ubuntu-Desktop-System beansprucht etwa 6 GByte auf der SD-Karte. Mit Schuld am verhältnismäßig großem Speicherbedarf für ein Ubuntu-»Minimalsystem« ohne Anwendungsprogramme ist der unmäßige Speicherbedarf der vorinstallierten Snap-Paketen (App Center, Firefox plus alle dazu erforderlichen Basisbibliotheken).

Gnome

Gnome 45 mit Wayland läuft absolut flüssig. Nur der Start von Snap-Apps führt zu kleinen Verzögerungen — das kennt man ja auch von Ubuntu-Installationen auf hochwertiger Hardware. Bei meinem Testrechner (Pi 5 mit 8 GiB RAM) braucht Firefox beim ersten Start ca. 4 Sekunden, bis es am Bildschirm erscheint. Damit kann man wirklich leben ;-)

Screenshots funktionieren auf Anhieb.

Bei der Erkennung der Systemdaten (also Info/Systemdetails in den Einstellungen) versagt Gnome aber und kann weder die CPU noch die Größe der SD-Karte erkennen (siehe die Abbildung oben). Aber das sind Kleinigkeiten.

Kernel

Ubuntu verwendet mit Version 6.5 einen neueren Kernel als Raspberry Pi OS. Im Gegensatz zu Raspberry Pi OS kommt die »normale« Pagesize von 4 kByte zum Einsatz:

pi5u$ uname -a
  Linux pi5u 6.5.0-1005-raspi #7-Ubuntu SMP PREEMPT_DYNAMIC 
  Sun Oct  8 08:06:18 UTC 2023 aarch64 aarch64 aarch64 GNU/Linux

pi5u$ getconf PAGESIZE
4096

Visual Studio Code

Erstaunlicherweise fehlt in der Snap-Bibliothek Visual Studio Code. Ein Debian-Paket für ARM64 kann von https://code.visualstudio.com heruntergeladen werden. Es muss dann mit sudo apt install ./code_xxx.deb installiert werden. Die nachfolgende Fehlermeldung pkgAcquire::Run / Keine Berechtigung können Sie ignorieren. Vergessen Sie aber nicht, ./ bzw. einen gültigen Pfad voranzustellen, sonst glaubt apt, code_xxx.deb wäre der Paketname und verweigert die Installation der lokalen Datei.

Geekbench

Unter https://www.geekbench.com/preview/ gibt es eine AArch64-Version von Geekbench, die ich heruntergeladen, ausgepackt und ausgeführt habe. Die Temperatur des SoC steigt während der Tests auf über 85 °C. Die CPU-Frequenz wird in der Folge auf 1,5 GHz gedrosselt. Ich habe keine Kühlung verwendet (weder aktiv noch passiv). Ergebnisse unter diesen Voraussetzungen: 657
Single-Core Score, 1233 Multi-Core Score. Mehr Details finden Sie hier: https://browser.geekbench.com/v6/cpu/3060411

Im Leerlauf unter Ubuntu 23.10 beträgt die CPU-Temperatur übrigens gut 70°C, also auch schon mehr als genug.

Ubuntu fehlt eine dynamische Lüftersteuerung. Sobald ein Lüfter angeschlossen wird, läuft dieser mit maximaler Leistung und produziert ein durchaus störendes Ausmaß an Lärm. Die CPU-Temperatur sinkt dann im Leerlauf auf gut 30°C. Selbst während der Ausführung von Geekbench steigt die Temperatur nur kurzzeitig über 45°C. Gleichzeitig fallen die Werte etwas besser aus (siehe auch https://browser.geekbench.com/v6/cpu/3095791).

Geekbench 6      Single-Core      Multi-Core
--------------  ------------    ------------
Ohne Lüfter              657            1233
Mit Lüfter               737            1542

Eine letzte Anmerkung zu Geekbench: Die 64-Bit-Version von Raspberry Pi OS und Geekbench 6.2 sind wegen der 4-kByte-Pagesize inkompatibel zueinander.

Abstürze

Während meiner Tests kam es zweimal zu kapitalen Abstürzen (Bildschirm wurde schwarz, kein Netzwerkzugriff mehr etc.). Möglicherweise war das von mir eingesetzte Netzteil zu schwach. (Unter Raspberry Pi OS hatte ich mit demselben Netzteil allerdings keine Probleme.)

Ich bin dann auf das neue Original-Raspberry-Pi-Netzteil umgestiegen (27 W für einen Minirechner erscheinen wirklich mehr als üppig, aber sei’s drum). Die Komplett-Abstürze haben sich nicht wiederholt.

Allerdings ist in der Folge auch Gimp bei der Verwendung des Dateiauswahldialogs zweimal abgestürzt. Das kenne ich von meinem Notebook überhaupt nicht. Ich kann natürlich nicht sagen, ob dieses Problem ARM-, Ubuntu- oder Raspberry-Pi-spezifisch ist. Aber für zwei Stunden Betrieb waren das für meinen Geschmack recht viele Abstürze …

Quellen/Links

• https://ubuntu.com/download/raspberry-pi
• https://ubuntu.com/blog/ubuntu-desktop-23-10-mantic-minotaur-deep-dive

Seit gestern ist die neue Version von Raspberry Pi OS auf der Basis von Debian 12 (»Bookworm«) verfügbar. Diese Version ist Voraussetzung für den Raspberry Pi 5, läuft aber natürlich auch auf älteren Raspberry Pis. Ich habe meine Tests auf einem Pi 5 sowie einem Pi 400 durchgeführt.

Auf den ersten Blick sieht der Desktop auf der Basis von LXDE nahezu unverändert aus. Aber dieser Eindruck täuscht erheblich: Raspberry Pi OS verwendet jetzt Wayland, PipeWire und den NetworkManager.

Wayland für Pi 4 und 5, Abschied von X in Raten

Auf aktuellen Raspberry-Pi-Modellen (Pi 4, Pi 400, Pi 5) kommt nun standardmäßig Wayland statt xorg als Fundament für das Grafiksystem zum Einsatz.

pi5$ echo $XDG_SESSION_TYPE
  wayland

Das ist ein großer Schritt, weil dafür viele Komponenten verändert bzw. hinzugefügt werden mussten:

• Compositor: Wayfire
• Panel/Desktop-Shell: wf-panel-pi

Zusammen mit dem Panel mussten auch die diversen Plugins für das Menü, die Bluetooth- und WLAN-Konfiguration, Lautstärkeeinstellung usw. neu implementiert werden.

Der Wayland-Umstieg ist mit den von anderen Desktop-Systemen bekannten Einschränkungen bzw. Kinderkrankheiten verbunden: Fernwartung, Screenshots usw. zicken bzw. funktionieren gar nicht. Auf das Thema VNC und Remote Desktop gehe ich hier in einem eigenen Artikel ein. Zum Erstellen von Screenshots verwenden Sie am besten das Kommando grim (siehe Projektseite). Gimp und scrot liefern lediglich schwarze Bilder, shutter stürzt ab.

Ältere Raspberry-Pi-Modelle (Pi 3, Zero etc.) verwenden aufgrund von Performance-Problemen weiterhin xorg. Aber auch bei diesen Modellen ist in Zukunft der Wechsel zu Wayland geplant.

Audio-System PipeWire

Nach Fedora, Ubuntu & Co. verwendet nun auch Raspberry Pi OS das neue PipeWire-Audiosystem. Es ersetzt PulseAudio. Für die Desktop-Nutzung der Audio-Funktionen sollten sich dadurch nichts ändern. Wenn Sie Audio-Funktionen per Script steuern möchten, müssen Sie sich an die neuen pw-xxx-Kommandos gewöhnen (siehe https://docs.pipewire.org/page_tools.html).

Netzwerkkonfiguration mit dem NetworkManager

Ähnlich wie beim Audio-System passt sich Raspberry Pi OS auch bei der Netzwerkkonfiguration den anderen Distributionen an und verwendet nun den NetworkManager als Backend. dhcpcd hat ausgedient. Wiederum ist von der Änderung an der Oberfläche nicht viel zu sehen. Die Konfigurationswerkzeuge zur Herstellung einer WLAN-Verbindung sehen ähnlich aus wie bisher. Allerdings gibt es nun diverse neue Funktionen, z.B. zur Herstellung von VPN-Verbindungen. Änderung ergeben sich auch, wenn Sie die Netzwerkkonfiguration per Script verändern möchten. Das wichtigste neue Kommando ist nmcli. Die Konfigurationsdateien werden in /etc/NetworkManager gespeichert. WLAN-Passwörter landen in /etc/NetworkManager/system-connections/*.conf.

Bei meinen Tests traten im Zusammenspiel mit dem Raspberry Pi Imager bei der Vorweg-Konfiguration (z.B. für Headless-Systeme) noch Fehler auf. Es ist aber zu erwarten/hoffen, dass diese bald gelöst sein werden.

Webbrowser: Firefox oder Chromium?

In der Vergangenheit galt Chromium als Default-Webbrowser für Raspberry Pi OS. In Kooperation mit Mozilla wurde nun auch Firefox besser an die Hardware- und Software-Eigenheiten angepasst und wird nun als gleichwertige Alternative angeboten. Standardmäßig sind beide Programme installiert. Den Default-Webbrowser können Sie im Programm Raspberry-Pi-Konfiguration festlegen.

Mathematica

Aus nostalgischen Gründen bin ich ein großer Fan von Mathematica und finde es fantastisch, dass das Programm Raspberry-Pi-OS-Anwendern kostenlos zur Verfügung steht. Das gilt auch für die neue Version von Raspberry Pi OS — aber aktuell nicht auf dem Pi 5. Dort erscheint beim Start der Hinweis, dass ein Lizenzcode erforderlich ist. Anscheinend soll dieses Problem
noch behoben werden. Die Raspberry Pi Foundation wartet diesbezüglich auf ein Update von Wolfram (Quelle). Update 9.11.2023: Mit den neuesten Updates funktioniert nun auch Mathematica wieder — und zwar schneller denn je!

Versionsnummern

Dank des neuen Fundaments auf der Basis von Debian 12 haben sich viele Versionsnummern geändert:

Basis             Desktop              Programmierung   Server
---------------   ------------------   --------------   --------------
Kernel      6.1   Gimp          2.10   bash       5.2   Apache     2.4
glibc      2.36   LibreOffice    7.4   gcc       12.2   CUPS       2.4
Mesa       23.2   LXDE            11   Java        17   MariaDB  10.11
Systemd     247   VLC            3.0   PHP        8.2   OpenSSH    9.2
X-Server   21.1                        Python    3.11   Samba     4.17
Wayland    1.21

Python-Module

Bisher war es unter Python gebräuchlich, Zusatzmodule einfach mit pip bzw. pip3 zu installieren. In aktuellen Python-Versionen ist das nicht mehr erwünscht und führt zu einem Fehler:

$ pip install --user matplotlib

error: externally-managed-environment

  This environment is externally managed
  To install Python packages system-wide, try apt install
    python3-xyz, where xyz is the package you are trying to
    install.

    If you wish to install a non-Debian-packaged Python package,
    create a virtual environment using python3 -m venv path/to/venv.
    Then use path/to/venv/bin/python and path/to/venv/bin/pip. Make
    sure you have python3-full installed.

    For more information visit http://rptl.io/venv

note: If you believe this is a mistake, please contact your Python installation or OS distribution provider. You can override this, at the risk of breaking your Python installation or OS, by passing --break-system-packages.
hint: See PEP 668 for the detailed specification.

Es gibt zwei Auswege:

• Einer besteht darin, das entsprechende Paket aus dem Raspberry Pi OS Repository zu installieren. Für das obige Beispiel würde das richtige Kommande sudo apt install python3-matplotlib lauten.

• Der andere Lösungsweg setzt voraus, dass Sie für ihr Python-Projekt eine virtuelle Umgebung verwenden (siehe auch https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/os.html#python-on-raspberry-pi).

Der geänderte Umgang mit Python-Modulen hat übrigens nichts mit Raspberry Pi OS zu tun, sondern ist eine von der Python-Entwicklergemeinde vorgegebene Änderung, die alle modernen Linux-Distributionen betrifft.

32 oder 64-Bit?

Auf https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems sowie im Programm Raspberry Pi Imager wird nach wie vor die 32-Bit-Version von Raspberry Pi OS empfohlen. Die 64-Bit-Version ist dort nur die zweite Option.

Ich habe meine Tests dagegen mit der 64-Bit-Version durchgeführt, die für Pi-Modelle mit mehr als 2 GByte zweckmäßiger ist, einzelnen Prozessen mehr RAM zuordnen kann und etwas mehr Geschwindigkeit verspricht.

Interessanterweise kommt je nach Raspberry-Pi-Modell eine unterschiedliche Pagesize zum Einsatz: 16 kByte auf dem Raspberry Pi 5 aber wie bisher 4 kByte auf dem Raspberry Pi 400.

pi5$ getconf PAGESIZE
16384

pi400$ getconf PAGESIZE
4096

Die 16-kByte-Pagesize ist übrigens zu manchen Programmen inkompatibel. Unter anderem kann deswegen Geekbench 6.2 nicht in der 64-Bit-Version von Raspberry Pi OS ausgeführt werden.

Lüftersteuerung

Der Raspberry Pi 5 enthält eine Buchse zum Anschluss eines CPU-Lüfters. Raspberry Pi OS kümmert sich darum, den Lüfter nur nach Bedarf einzuschalten, und auch dann dynamisch (also nur in der erforderlichen Drehzahl). Im Leerlaufbetrieb bleibt der Raspberry Pi 5 lautlos.

Upgrade

Ein Upgrade eines bereits installierten Raspberry Pi OS »Bullseye« auf Version »Bookworm« ist theoretisch durch eine Veränderung der Paketquellen möglich (siehe z.B. hier im Raspberry-Pi-Forum). Diese Vorgehensweise wird aber explizit nicht unterstützt und führt nach meinen eigenen Erfahrungen oft zu massiven Problemen. Wenn Sie die aktuelle Version von Raspberry Pi OS nutzen möchten, müssen Sie also eine SD-Karte neu damit einrichten. Das hat natürlich den Nachteil, dass Sie alle Konfigurationsarbeiten wiederholen und ggfs. Ihre eigenen Projekte bzw. Ihren Code manuell übertragen und womöglich auch adaptieren müssen.

Quellen/Links

• https://www.raspberrypi.com/news/bookworm-the-new-version-of-raspberry-pi-os
• https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems
• https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/os.html
• https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/os.html#python-on-raspberry-pi
• https://www.phoronix.com/news/Raspberry-Pi-OS-Bookworm
• https://kofler.info/remote-desktop-und-raspberry-pi-os-bookworm/

(Aktualisiert am 11.10.2023, jetzt mit eigenen Tests)

Völlig überraschend hat die Raspberry Pi Foundation heute den Raspberry Pi 5 vorgestellt. Die wichtigsten Eckdaten im Überblick:

• Neuer SoC (BCM2712 mit Quad-Core Cortex-A76) mit ca. zwei- bis dreifacher CPU-Leistung
• Höherer Stromverbrauch (Leerlauf 3,25 W, Vollast 8,6 W ohne externe Geräte, laut heise.de)
• Höhere Anforderungen an das USB-C-Netzteil: 5V/3A DC Minimum (15 W), 5V/5A DC empfohlen (25 W)
• Lüfter empfohlen, es gibt einen eigenen Lüfteranschluss
• Vorerst Modelle mit 4 und 8 GiB RAM
• Weiterhin SD-Card als primärer Datenträger
• Neuer SD-Card-Transfermodus SDR104 verspricht 100 MByte/s bei kompatiblen SD-Karten
• PCIe-SSDs sollen in Zukunft über Erweiterungen (HATs) unterstützt werden
• Ein/Aus-Schalter
• Kein 3,5-mm-Klinkenstecker mehr (ungünstig für Audio-Anwendungen)
• Sonstige Anschlüsse (GPIO, 4xUSB, 2x MicroHDMI, Ethernet) kompatibel zu den bisherigen Pis

Das Gerät soll ca. ab Ende Oktober lieferbar sein. Die Preisempfehlung lautet 60 $ für das 4-GiB-Modell, 80 $ für das 8-GiB-Modell. Welche €-Preise sich daraus ergeben (inklusive Umsatzsteuer, evt. inklusive neuem Netzteil + Lüfter), muss abgewartet werden.

Erste Tests

Die Raspberry Pi Foundation hat mir dankenswerterweise ein Vorab-Exemplar für Journalisten zukommen lassen. Die Inbetriebnahme gelang erwartungsgemäß mühelos. Wie alle anderen Webseiten kann auch ich bestätigen, dass der Rechner bei der Desktop-Nutzung jetzt unglaublich schnell ist. Bei einem Neustart dauert es nur wenige Sekunden, bis der Desktop erscheint. (Das geht definitiv viel schneller als bei meinem 2000-EUR-Notebook, auch wenn dieses zugegebenermaßen nicht mehr ganz neu ist. Dennoch faszinierend.)

Der winzige Ein/Aus-Schalter ist eine unscheinbare aber dennoch enorm zweckmäßige Verbesserung und schont sicher die USB-C-Buchse für die Stromversorgung. Bisher war es immer notwendig, das Kabel zu lösen und neu einzustecken, um einen ausgeschalteten Raspberry Pi wieder in Betrieb zu nehmen. Jetzt reicht ein Tastendruck.

Sehr empfehlenswert ist der von der Raspberry Pi Foundation angebotene Lüfter. In Kombination mit Raspberry Pi OS wird dieser nur bei Bedarf verwendet. Im Leerlaufbetrieb bleibt der Lüfter ausgeschalten, der Raspberry Pi profitiert aber dennoch vom relativ großen Kühlkörper. Die Temperatur beträgt dann ca. 45 bis 50°C — mehr als genug. Nur bei CPU-intensiven Aufgaben springt der Lüfter an und sorgt für eine aktive Kühlung und somit mehr Rechenleistung. (Ohne Kühlung reduziert der Raspberry Pi automatisch die CPU-Frequenz.)

Raspberry Pi OS

Meinem Exemplar lag eine SD-Karte mit einer Vorab-Version von Raspberry Pi OS Bookworm bei (also auf der Basis von Debian 12). Auf den ersten Blick hat sich an der Desktop-Oberfläche wenig geändert.

Hinter den Kulissen ist mehr neu:

• Der Kernel läuft standardmäßig im 64-Bit-Modus.
• Die Netzwerkkonfiguration erfolgt über den NetworkManager (kein dhcpcd mehr).
• Die gesamte Software hat Debian 12 als Fundament (d.h. z.B. Python 3.11).

Bei meinen Tests verlangte Mathematica einen Lizenzcode. Ob es dabei bleibt, kann ich nicht sagen — das wäre sehr schade.

Mehr Infos zu Raspberry Pi OS Bookworm folgen demnächst auf diesem Blog.

Einschätzung

Die höhere CPU-Leistung ist vor allem bei der Anwendung des Geräts als Desktop-Rechner, zur Software-Entwicklung bzw. als Media-Center spannend. Aus dieser Perspektive ist es sehr schade, dass der Pi 5 weiterhin keine Möglichkeit bietet, SSDs direkt anzuschließen. Zwar gibt es eine neue PCI-Schnittstelle; die soll in Zukunft über ein Erweiterungs-Board (HAT) genutzt werden können. Das ist aber eine umständliche und teure Lösung.

Aus Bastel-Perspektive war schon die Leistung der bisherigen Modelle (3B+, 4B) ausreichend. Diese Modelle werden — sofern sie zu vernünftigen Preisen lieferbar sind — weiterhin eine attraktive Basis für Bastelprojekte bleiben. Das neue Modell 5 ist aus Maker-Sicht dagegen ein zweischneidiges Schwert: Ja, mehr CPU-Leistung ist immer gut. Aber die höheren Anforderungen an Netzteil und Lüfter sowie der Umstand, dass es vorerst keine Modelle mit weniger als 4 GiB RAM geben soll, führen zu einer massiven Preissteigerung selbst für Minimal-Setups. Auch der höhere Strombedarf im Leerlauf ist kein Pluspunkt.

Quellen/Links

• https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-5/
• https://www.raspberrypi.com/news/heating-and-cooling-raspberry-pi-5
• https://blog.berrybase.de/blog/2023/09/28/es-ist-soweit-der-raspberry-pi-5-ist-da/
• https://www.heise.de/hintergrund/Raspberry-Pi-5-Der-Raspi-5-kommt-mit-viel-mehr-Leistung-9319020.html
• https://www.phoronix.com/review/raspberry-pi-5-benchmarks (CPU-Benchmarks)
• https://www.phoronix.com/review/raspberry-pi-5-graphics (Grafik-Benchmarks)
• https://www.jeffgeerling.com/blog/2023/testing-pcie-on-raspberry-pi-5
• https://www.jeffgeerling.com/blog/2023/answering-some-questions-about-raspberry-pi-5
• https://www.jeffgeerling.com/blog/2023/overclocking-and-underclocking-raspberry-pi-5
• https://github.com/geerlingguy/sbc-reviews/issues/21 (Benchmark-Tests)
• https://www.tomshardware.com/reviews/raspberry-pi-5
• https://www.tomshardware.com/news/overclocking-raspberry-pi-5 (Overclocking)
• https://www.tomshardware.com/news/raspberry-pi-5-wi-fi-faster (WLAN-Benchmarks)
• https://www.heise.de/news/Raspberry-Pi-5-Dokumentation-zum-RP1-Chip-9329126.html (USB-Details)
• https://www.heise.de/news/Raspberry-Pi-5-Geekbench-Werte-und-Zubehoer-Infos-9325739.html (Zubehör)
• https://thepihut.com/blogs/raspberry-pi-roundup/raspberry-pi-5-the-little-features-you-didnt-notice
• https://rachelbythebay.com/w/2023/11/06/wpa3 (WPA 3 funktioniert nicht)
• https://www.jeffgeerling.com/blog/2023/reducing-raspberry-pi-5s-power-consumption-140x (Stromverbrauch reduzieren)

PS: Eine Neuauflage des Raspberry-Pi-Buchs ist natürlich geplant, sie wird 2024 erscheinen. Mehr weiß ich gegenwärtig selbst nicht.

Seit Ende Oktober 2021 ist die Raspberry-Pi-Familie um ein weiteres Mitglied gewachsen: Der Raspberry Pi Zero 2 löst die vorangegangenen Zero-Modelle ab. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal ist die wesentlich schnellere CPU im System-on-a-Chip (SoC) mit der Bezeichnung BCM2710A1. Dahinter versteckt sich eine Variante des SoC aus dem Raspberry Pi 3. Der Zero 2 glänzt jetzt mit 4 Cores und einer Taktfrequenz von 1 GHz. Damit ist die Rechenleistung um ein Vielfaches höher als bisher.

Persönlich war meine größte Befürchtung, dass sich die höhere Geschwindigkeit auch in einer spürbar höheren Leistungsaufnahme widerspiegeln würde. Tatsächlich ist dies aber laut Messungen von hackaday.com nur teilweise der Fall. Zwar fließen unter Volllast knapp 450 mA Strom (entspricht einer Leistungsaufnahme von 2,2 W). Die Leistungsaufnahme ist damit fast 2,5 mal höher als bei den bisherigen Zero-Modellen. Errechnet man allerdings die CPU-Leistung pro Watt, dann ist der Zero 2 der effizienteste Minicomputer, den die Raspberry Pi Foundation bisher produziert hat. Im Leerlauf sind Zero und Zero 2 fast genauso sparsam (rund 0,4 W beim Zero, rund 0,5 W beim Zero 2).

Wenn Ihnen die maximale Leistungsaufnahme des Zero 2 zu hoch ist, können Sie durch einen Kernel-Option drei der vier Cores sperren. Damit sinkt die Leistungsaufnahme unter Volllast auf die Hälfte, die Geschwindigkeit allerdings auf ein Viertel. Details dazu können Sie im Blog nachlesen.

Eigener Test

Ich habe den Zero 2 mit Raspberry Pi OS Lite (Bullseye) ausprobiert. Eigentlich wollte ich Hostnamen, WLAN und SSH-Zugang vorweg im Raspberry Pi Imager konfigurieren; beim ersten Versuch hat dies überhaupt nicht funktioniert. Beim zweiten Versuch wurden immerhin der Hostname und das Passwort korrekt gesetzt, aber die WLAN-Verbindung funktionierte wieder nicht. Es ist mir nichts anderes übrig geblieben, als den Zero 2 an einen Monitor und eine Tastatur anzuschließen und die Konfiguration manuell in raspi-config vorzunehmen. Das ist ärgerlich, weil gerade der Zero 2 mit seinen wenigen und exotischen Anschlüssen für eine Headless-Installation prädestiniert ist.

Nachdem diese Hürden gemeistert waren, verhielt sich der Zero 2 unauffällig. Gemessen daran, dass es sich um ein Zero-Modell handelt, läuft der Mini-Computer verblüffend schnell und (z.B. während Updates) ohne unangenehm heiß zu werden.

Eckdaten

• Größe: 65 mm x 30 mm
• SoC: BCM2710A1, 4 Cortex-A53-Cores
• RAM: 512 MByte
• Anschlüsse: 2 x Micro-USB (1 x Stromversorgung, 1 x Daten), Mini-HDMI, Mini-Kameraanschluss (erfordert Adapter)
• WLAN 2,4 GHz 802.11b/g/n
• Bluetooth 4.1
• Leistungsaufnahme: 0,4 W (Leerlauf) bis 2,2 W (alle 4 Cores unter Volllast)
• 40 GPIOs (Lötkontakte, keine Steckerleiste!)

Beachten Sie, dass sämtliche Zero-Modelle, also auch der neue Zero 2, mit einem Mini-HDMI-Anschluss ausgestattet sind. Der Raspberry Pi 4B verwendet dagegen Micro-HDMI. Sie brauchen also für den Zero 2 ein eigenes Kabel oder einen Adapter.

Preis

Das ursprüngliche Zero-Modell wurde ursprünglich als Raspberry Pi für nur fünf Euro beworben. Tatsächlich war er aber nur schwer zu diesem Preis erhältlich (und wenn, dann nur bei der Abnahme hoher Stückzahlen). Beim Zero 2 sieht es aktuell noch schlimmer aus: Laut geizhals ist das Gerät aktuell (Dez. 2021) generell schwer erhältlich und kostet beachtliche 30 Euro — Schnäppchen ist das keines! Der hohe Preis hat mit Corona, dem allgemeinem Chip-Mangel, dem Brexit etc. zu tun, ist also nicht unbedingt die Schuld der Raspberry Pi Foundation. Trotzdem: Wer den Zero 2 kauft, tut dies sicher nicht wegen des günstigen Preises, sondern weil er/sie einen winzigen, leistungseffizienten, Pi-kompatiblen Mini-Computer sucht.

Fazit

• tolle Hardware, aber mit 512 MB RAM nicht Desktop-tauglich
• aktuell viel zu teuer
• Headless-Inbetriebnahme gescheitert