Unser Handbuch zum Raspberry Pi ist soeben in der 8. Auflage erschienen:
Umfang: 1045 Seiten
Ausstattung: Farbdruck, Hard-Cover, Fadenbindung
ISBN: 978-3-8362-9666-3
Preis: Euro 44,90 (in D inkl. MWSt.)
Autoren: Michael Kofler, Christoph Scherbeck und Charly Kühnast
Umfassendes Raspberry-Pi-Know-how!
Linux mit dem Raspberry Pi.
Der Raspberry Pi als Multimedia-Center und Spiele-Konsole
Programmierung: Einführung, Grundlagen und fortgeschrittene Techniken, Schwerpunkt Python, außerdem bash, PHP, C, Wolfram Language.
Elektronik und Komponenten: von LEDs zu Schrittmotoren, jede Art von Sensoren (Ultraschall, Wasserstand etc.), Bussysteme, Erweiterungen (Gertboard & Co.).
Projekte: Home Automation, RFID-Reader, Stromzähler auslesen, WLAN- und TOR-Router, Luftraumüberwachung, NAS etc.
Raspberry Pi Pico: MicroPython-Programmiertechniken, CO2-Ampel, Ultraschall-Entfernungsmessung
Mit Geleitwort von Eben Upton
Highlights der 8. Auflage
aktualisiert im Hinblick auf die neuen Modelle Raspberry Pi 5, Raspberry Pi Zero 2 und Raspberry Pico W
berücksichtigt Raspberry Pi OS »Bookworm«
PCIe-SSD statt SD-Karte
PXE-Boot
GPIO Reloaded: Neue Bibliotheken zur GPIO-Programmierung in der Bash, in Python und in C
Mein Raspberry Pi 5 ist wirklich schnell und macht richtig Spaß. Bisher bin ich auch auf keine Probleme gestoßen und alle Software, die ich benutze, funktioniert. Nun habe ich allerdings angefangen, diverse VPNs auf dem Pi 5 mit Raspberry Pi OS Bookworm (Debian 12) zu testen und ExpressVPN hat gestreikt. Ich habe folgenden Fehler bekommen (bei der Desktop-Version): expressvpn: error while loading shared libraries: libresolv.so.2: ELF load command address/offset not page-aligned Zunächst dachte ich, dass das Problem an einer falschen […]
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.)
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.
Die PCIe-Platine von Pimoroni mit einem Kabel und diversen Schrauben
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!
Raspberry Pi 5 + Pimoroni PCIe-Platine mit SSD
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
Nach der Sandwich-Montage
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.
Inhalt der SD-Karte auf die SSD übertragen
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.
Mit »raspi-config« stellen Sie den Boot-Modus um
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
SSD-Benchmarktest
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.
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!
Kamera-Modul 3 mit einem neuen Anschlusskabel mit schmaler Kontaktleiste
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.
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.
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:
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?
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