Les méandres de l'espace de rédaction sont parfois mystérieux. La rédaction de certaines dépêches s'étalent parfois sur de long mois, parfois sans même comprendre pourquoi la dépêche ne part pas vers le stade de la publication. C'est ce qui est arrivé à cette dépêche qui ne suit donc pas autant qu'elle aurait pu l'actualité de la sortie de la nouvelle mouture de la microcarte de la Fondation Raspberry Pi, qui porte le nom très original de Raspberry Pi 5. Cette dépêche - qui nous offre une comparaison de cette nouvelle édition avec son illustre ancêtre ainsi qu'une investigation de ses nouveautés - reste substantielle et il nous a semblé qu'il valait mieux la publier même tardivement plutôt que de la plonger dans l'oubli éternel.

Sommaire

• Comparaison entre Raspberry Pi 4 et Raspberry Pi 5
• Détail des améliorations de la Raspberry Pi 5
  • Raspberry Pi 5 : Nouveau South Bridge RP1 vs Raspberry Pi 4
    • Architecture du South Bridge RP1
    • Sources des informations sur le RP1
  • Impacts du RP1
  • Évolution des performances
    • performances des I/O
    • Interfaces USB et Ethernet
    • Interfaces MIPI CSI/DSI
• Les points discutables/discutés
  • Le réarrangement de la carte
  • Le non réarrangement de la carte
  • Les limites du format carte de crédit

Cette dépêche ne traitera pas de l’ensemble de ce que l’on peut faire, la précédente dépêche sur les SoC faite pour la sortie de la Raspberry Pi 4 est toujours d’actualité en ce qui concerne ces sujets.

Comparaison entre Raspberry Pi 4 et Raspberry Pi 5

Sorti en 2019, le RPi4 avait fait forte impression—mais quasiment en constante pénurie entre 2020 et 2023, il commençait par accuser le coup par rapport à la concurrence du Rockchip RK3588 (Quad-core Cortex-A76 + Quad-core Cortex-A55).

Aussi, la Raspberry Pi 5 introduit des avancées significatives par rapport à la Raspberry Pi 4, dont le Tableau 1 présente une synthèse des différences.

Tableau 1 : comparatif des Raspberry Pi 4 et 5

Détail des améliorations de la Raspberry Pi 5

La Raspberry Pi 5 introduit des avancées significatives par rapport à la Raspberry Pi 4, en particulier avec l’introduction du southbridge RP1. Voici une comparaison détaillée mettant en évidence les principales différences et l’impact du RP1 :

• Processeur : La Raspberry Pi 5 est équipée d’un CPU ARM Cortex-A76, une amélioration substantielle par rapport au Cortex-A72 trouvé dans la Raspberry Pi 4. Cette mise à niveau fait que la Pi 5 est deux à trois fois plus rapide que son prédécesseur.
• RAM : La Raspberry Pi 5 utilise de la LPDDR4X-4267 SDRAM, nettement plus rapide que la LPDDR4-3200 SDRAM utilisée dans la Pi 4. Cette amélioration offre plus de bande passante, contribuant à des performances globalement plus rapides.
• Puissance graphique : La Raspberry Pi 5 dispose d’un GPU VideoCore VII plus puissant, cadencé à 800 MHz et prenant en charge OpenGL ES 3.1 et Vulkan 1.2. C’est une avancée par rapport au GPU VideoCore VI de la Raspberry Pi 4, qui prend en charge OpenGL ES 3.1 et Vulkan 1.0. Le GPU de la Pi 5 comprend également un nouveau processeur de signal d’image pour la gestion des données des caméras.
• Chip RP1 Southbridge : La puce RP1 est une innovation majeure dans la Raspberry Pi 5. Elle agit comme un southbridge, gérant la plupart des fonctions I/O (entrée/sortie), réduisant ainsi la charge sur le CPU. Cela permet une augmentation de la bande passante I/O, bénéficiant aux dispositifs de stockage, USB et autres périphériques.
• Vitesse des cartes MicroSD : Le port microSD de la Pi 5 prend en charge le mode haute vitesse HDR 104 avec les cartes microSD UHS-1, offrant des vitesses de lecture de 80-90 Mbps, soit le double de la vitesse de 40-50 Mbps de la Pi 4.
• Ports USB : Dans la Raspberry Pi 5, chacun des deux ports USB 3.0 dispose d’une bande passante dédiée de 5 Gbps, grâce à la puce RP1. C’est une amélioration par rapport à la Pi 4, où les deux ports USB 3.0 partageaient la bande passante de 5 Gbps.
• Connecteur PCIe : La Pi 5 inclut un connecteur PCIe (PCI Express), une nouvelle addition répondant à la demande pour des interfaces plus rapides. Cependant, l’interface PCIe de la Pi 5 n’est pas un connecteur M.2 standard ; elle nécessite un câble ruban pour se connecter à un HAT, et le dispositif M.2 se connectera au HAT. Caractéristiques
• Un bouton marche/arrêt : Eh oui, on est quand même dans le 3ᵉ millénaire ;-)
• Alimentation : Tout comme la Raspberry Pi 4, la Raspberry Pi 5 utilise un connecteur d’alimentation au format USB Type-C. En revanche, doublement de la puissance oblige, la puissance nécessaire à son fonctionnement passe de 7.5 W à 15 W, il faudra donc une alimentation en 3A minimum pour être tranquille. À noter que si vous souhaitez utiliser des périphériques externes qui consomment beaucoup comme des disques durs ou SSD, il est conseillé d’avoir une alimentation de 25 W (5A). La Raspberry Pi détecte si l’alimentation fournit plus de puissance et passe la limite de consommation USB à 1,6A au lieu de 1,2A.

Raspberry Pi 5 : Nouveau South Bridge RP1 vs Raspberry Pi 4

Le RP1 est un contrôleur d’entrée/sortie (I/O) conçu pour le Raspberry Pi 5, représentant le programme d’ingénierie le plus complexe et coûteux entrepris par Raspberry Pi, avec un développement s’étendant sur plus de sept ans et ayant coûté environ 25 millions de dollars. Ce contrôleur est le premier produit phare de Raspberry Pi à utiliser une puce conçue en interne​.

Architecture du South Bridge RP1

— Description : Le RP1 est un southbridge de 12×12 mm avec un pas de 0.65 mm en BGA (Ball Grid Array), fournissant la majorité des capacités d’E/S pour la Raspberry Pi 5.
— Caractéristiques : Il comprend un point de terminaison PCIe 2.0 à 4 voies, un contrôleur Ethernet MAC Gigabit et deux contrôleurs hôtes USB 3.
— Améliorations : Plus du double de la bande passante USB utilisable par rapport à la Raspberry Pi 4.
— Documentation RP1 : RP1 Datasheet

Sources des informations sur le RP1

— L’article d’Eben Upton pour annoncer le RP1 : RP1 : the silicon controlling Raspberry Pi 5 (ce court article est accompagné d’une vidéo YT de 35 minutes à ce sujet, mais dont le contenu est reproduit textuellement en suivant un lien)
— Lien direct vers la vidéo YT : RP1 : the silicon controlling Raspberry Pi 5

Impacts du RP1

Le RP1 constitue une avancée importante, puisque les GPIOs “physiques” de la carte ne sont plus directement reliées aux GPIOs du microprocesseur et de leurs fonctions possibles (SPI/I2C/UART/I2S) attribuées par le fondeur dans le silicium.

1. Connectivité principale : Le RP1 se connecte à un processeur d’application (AP) via un bus PCIe 2.0 x4, consolidant de nombreux contrôleurs numériques et PHYs analogiques pour les interfaces externes du Raspberry Pi 5​​.
2. Contrôle du trafic : Le tissu interne du RP1 permet de prioriser le trafic en temps réel de la caméra et de l’affichage sur le trafic non en temps réel de l’USB et de l’Ethernet. Des signaux de qualité de service (QoS) sur le lien PCI Express soutiennent la priorisation dynamique entre le trafic provenant du RP1 et le trafic des maîtres de bus en temps réel et non en temps réel au sein de l’AP​​.
3. Fonctionnalités supplémentaires : Pour une flexibilité maximale des cas d’utilisation, le RP1 dispose de plusieurs fonctionnalités telles qu’un contrôleur DMA à huit canaux pour les périphériques à basse vitesse, trois PLL intégrées pour la génération d’horloges vidéo et audio indépendantes, un convertisseur analogique-numérique à cinq entrées, 64kB de SRAM partagée, et des générateurs de base temporelle pour le rythme de la DMA ou pour le debouncing des événements GPIO​​​​.
4. Gestion des contrôleurs de bus : Les modules de régulation intégrés à chaque port de contrôleur de bus permettent de surveiller ou de limiter leur comportement. Ces modules régulent le flux de données selon le nombre de transactions en attente, assurent le respect des limites d’adresses AXI et PCIe, et disposent de compteurs statistiques pour évaluer la qualité de service ou les performances.
5. Interfaces clés externes : Le RP1 fournit des interfaces externes clés telles que deux contrôleurs XHCI indépendants connectés à un seul PHY USB 3.0 et un seul PHY USB 2.0, deux contrôleurs de caméra MIPI CSI-2 et deux contrôleurs d’affichage MIPI DSI connectés à deux PHY transceivers MIPI DPHY à 4 voies partagées, et un contrôleur d’accès média (MAC) intégré pour l’Ethernet Gigabit​​​​.
6. Compatibilité et évolution : Le RP1 maintient la compatibilité avec la gamme de fonctions offerte sur le Raspberry Pi 4 Model B, tout en permettant une évolution vers des processus de géométrie réduite, sans avoir à reproduire tous les éléments analogiques du système. Cela pourrait permettre à changer plus facilement de fournisseur de SoC.

Évolution des performances

Afin de permettre de mieux visualiser les évolutions des performances Alasdair Allan a fait un benchmark complet dont certains éléments sont repris ici.

Tout d’abord une analyse des performances du CPU avec geekbench. Les Figures 1 et 2 montrent une augmentation des performances en single core d’approximativement 2.2x,

Figure 1. : Comparaison des performances single core entre RPi4 et 5

Figure 2. : Comparaison des performances multi core entre RPi4 et 5

Compilation de différents benchmarks entre RPi 4 et 5

performances des I/O

La Figure 3. issue du travail d’Adafruit permet de mettre à jour le graphique sur la vitesse performance de la commutation des I/O proposé dans la dépêche sur la RPi4. La Figure 4. quant à elle montre une légère amélioration de la performance par Watt sur le nouveau modèle.

Figure 3. Évolution de la vitesse de commutation d’une sortie numérique

Figure 4. Évolution de la performance en fonction de la puissance électrique

Interfaces USB et Ethernet

— Interfaces: Le RP1 fournit deux interfaces USB 3.0 et deux interfaces USB 2.0, ainsi qu’un contrôleur Ethernet Gigabit.
— Source: Circuit Digest – The New Raspberry Pi 5 is here

Le Gigabit Ethernet fourni par le RP1 est en tout point semblable à celui du RBPi4 (voir : RP1 : the silicon controlling Raspberry Pi 5:

Liam 13:21: So we’ve got the Ethernet MAC but not the PHY. So the Ethernet’s brought out to an RGMII interface, which then connects to an on-board Ethernet PHY.

Eben 13:35: And this is a fairly similar architecture to Raspberry Pi 4, except that in that case, the MAC was in the Broadcom device, but there was still an external – in fact exactly the same external – PHY, [BCM]54213. Cool. So that’s the overall structure of the design.

Interfaces MIPI CSI/DSI

Ces interfaces d’entrée/sortie vidéo peuvent être qualifiées d’historiques dans l’écosystème RaspberryPi puisqu’elles sont présentes depuis la version 1. Le RBPi5 apporte toutefois une nouveauté assez remarquable par rapport à ses prédécesseurs : au lieu d’avoir un port CSI (pour une caméra) et un port DSI (pour un écran), les ports du RBPi5 peuvent être configurés pour l’une ou l’autre fonction. Malheureusement, cela s’est traduit par des changements notables au niveau de la disposition des composants sur la carte, qui ne sont pas sans susciter quelques grincements de dents parmi les utilisateurs.

Les points discutables/discutés

Le réarrangement de la carte

— Le port audio a disparu, pour laisser sa place au port MIPI DSI (qui peut faire CSI à présent), lui-même remplacé, au-dessus du lecteur de carte microSD, par un connecteur FPC exposant les lignes PCIe.
— le port DSI est passé de 15 pins à 22 pins (comme sur la carte CMIo4)
— Et, encore une fois, les ports Ethernet et USB ont été inversés.

Si cela ne pose pas de problèmes particuliers pour un utilisateur lambda, de nombreux projets basés sur les cartes RasperryPi à la recherche de performance de calcul (et donc potentiellement intéressés par ce nouveau RBPi5) doivent entièrement revoir la conception de leur matériel.

Le non réarrangement de la carte

C’est un reproche que l’on peut trouver dans de nombreux témoignages : mettre un HAT (carte d’extension) sur un RBPi, juste au dessus du CPU, c’est un non-sens en termes de refroidissement (et ce, quelle que soit la version du RBPi).
Mais, pour relativiser, on peut dire la même chose de quasiment toutes les autres solutions alternatives au RBPi.

Les limites du format carte de crédit

Ce format (86x56 mm) est devenu une référence pour presque tous les acteurs du monde des SBC. Et donc, il s’agit là aussi d’un constat plus général, non spécifiquement adressé à RaspberryPi. Mais sachant que ce sont les locomotives du marché, peut être pourraient-ils initier une nouvelle approche…
Certes, ce format permet d’élaborer des solutions compactes, mais l’on peut constater :

— qu’augmenter la puissance et les fonctionnalités des puces embarquées tout en restant sur ce format conduit à un gaspillage inutile de ressources : il est en effet impossible d’implémenter toutes les fonctionnalités matérielles proposées par les puces sur une si petite surface, et par ailleurs il devient difficile de refroidir efficacement le système.
— pour exposer le port PCIe, RaspberryPi a supprimé le port audio, déplacé le port DSI ; mais pour alimenter le bouzin, il vous faut du 5V 4A. Ensuite un peu tout le monde se trouve planté là : débrouillez-vous.

Les calculatrices graphiques sont de lointains dérivés des ordinateurs de poche des années 1980, dans lesquelles subsiste cette capacité native à pouvoir être programmé.
J’en serais probablement resté à mon expérience de lycéen, et l’éternel combat Casio / Texas Instrument, s’il n’y avait pas eu un virage (pas forcément bien courbe) autour de Python dans la fin des années 2010.

Entre passion de l’informatique, doux rêveur, promesse de calculatrice libre et réalité du marché… j’avais l’envie de vous partager mes quelques heures de recherches et de réflexions sur le sujet.

Sommaire

• • Ordinateur de poche, calculatrice et langage BASIC
  • Une évolution de rupture
  • Libre - Un peu, beaucoup, à la folie, passionnément… pas du tout
  • Omega
  • Ma petite CASIO
  • NumWorks - L’esprit d’ouverture… ou pas
  • La magie du libre
  • Vers la fin des applications avancées

Ordinateur de poche, calculatrice et langage BASIC

Les ordinateurs de poche existent depuis les années 80 et ont fait le succès de sociétés telles que Sharp, Casio ou Psion. Ils se confondent avec les calculatrices les plus évoluées, et restent aujourd’hui les seules survivantes de ces deux mondes.

Elles sont programmables, majoritairement dans de nombreux dialectes du langage BASIC, directement sur la machine, mais aussi dans d’autres langages plus bas niveau, souvent via un ordinateur plus conventionnel.

Une évolution de rupture

Dans la fin des années 2010, deux évolutions sont poussées dans le monde des calculatrices : le « mode examen » et le besoin d’un langage plus moderne, beaucoup se tournant vers le langage Python.

C’est l’occasion pour NumWorks de se lancer dans ce marché très spécial. Deux point sont mis en avant :

• Le langage Python comme le langage de programmation utilisateur (alors que ce n’est qu’un autre ajout pour les constructeurs historiques).
• Un modèle « libre », qui as fait beaucoup parler de ce nouveau venu, notamment ici.

Libre - Un peu, beaucoup, à la folie, passionnément… pas du tout

La mise en application s’est vite montrée moins claire. La libération matérielle tient, à en juger par leur GitHub, à huit fichiers STL, sous licence CC-BY-NC-ND, et dont la dernière mise à jour date de 2020. Il est donc interdit d’en faire des modifications et/ou une utilisation commerciale… une liberté relative.

Le système d’exploitation, nommé epsilon, qui offre une bonne implémentation de Python, mais qui souffre de plusieurs problèmes de jeunesse, est bien disponible… mais également sous cette même licence CC-BY-NC-ND.

Omega

Critiquée pour cette différence entre le discours commercial de liberté, et la réalité de la licence, en mai 2018 elle fut finalement modifiée en CC-BY-NC-SA, autorisant donc la modification et la redistribution de versions modifiées. Il en naîtra notamment Omega un dérivé communautaire d’Epsilon, alors en version 11.

Ma petite CASIO

Dans un esprit de découverte, j’ai eu l’envie d’explorer moi-même ce nouveau monde du Python sur calculatrice. Peut-être un peu entrainé par les différentes lectures sur la calculatrice libre que je lisais un peu partout.

Cependant, l’interprétation assez personnelle de NumWorks du libre, et l’obligation de passer par leur site pour communiquer avec la calculatrice a orienté mon choix vers une Casio Graph 90E.

Pas que cette dernière soit plus libre, bien au contraire… juste qu’elle est simplement reconnue comme une clef USB pour y transférer des éléments depuis l’ordinateur et qu’elle a une communauté plus importante.

Le micro-python qui y est intégré est limité, et s’il permet de faire des choses… on voit que le constructeur s’est limité à ce qui était juste nécessaire. Ce qui limite les possibilités laissées aux utilisateurs.

J’aurais pu en rester là, et c’est même un peu ce que j’ai fait jusqu’à peu.

NumWorks - L’esprit d’ouverture… ou pas

Alors que j’explorais d’autres domaines, et que ma Casio prenait la poussière, le monde évoluait, et NumWorks en était à la 4ᵉ variante matérielle de sa calculatrice révolutionnaire.

La définition du « Libre » par l’entreprise avait elle aussi eu le temps d’évoluer.

Epsilon depuis sa version 16 du 30 novembre 2021, verrouille les calculatrices pour n’autoriser que les systèmes officiels du constructeur. Un peu à l’image des consoles de jeu, que certains hackent pour installer des homebrew ou firmware modifiés, il en devient de même pour la « calculatrice libre » : on chasse les évolutions communautaires.

Epsilon en est aujourd’hui (28 février 2025) à sa version 23… sans volonté affichée d’ouverture supplémentaire. Le dépôt GitHub n’affiche pas de licence dans ses métadonnées, mais une mention « Copyright - All rights reserved. NumWorks is a registered trademark. » figure en bas de la page de présentation.

Oméga a mis en pause son développement depuis février 2024, renvoyant vers une autre alternative Upsilon, qui ne s’installe pas mieux sur une calculatrice NumWorks verrouillée… mais quelqu’un a compilé pour la CASIO.

La magie du libre

C’est M. Bernard PARISSE qui a compilé une version d’Upsilon comme application pour la génération de CASIO que je possède. Je vous invite à en lire tous les détails sur la page de son projet.

Arrivant donc à avoir le meilleur des mondes, le travail de NumWorks, les additions de la communauté et plus de puissance supplémentaire de ce matériel.

Mais cela est conditionné par la possibilité de pouvoir faire fonctionner des applications tierces sur ces calculatrices…

Vers la fin des applications avancées

Il y a historiquement deux méthodes pour développer des applications pour ces calculatrices.

Un langage haut niveau, qui est un dialecte BASIC, une adaptation de Python, ou d’autres langages plus ou moins évolués, qui sont directement modifiables sur l’appareil (même si le clavier d’une calculatrice n’y est pas toujours optimal).

Un langage bas niveau, typiquement du C ou même de l’assembleur, édité et compilé sur un ordinateur puis transféré vers la calculatrice (même si certaines machines Sharp pouvaient se programmer en C directement sur la machine).

Et c’est un point que met en valeur Bernard PARISSE dans son argumentaire sur Upsilon pour CASIO : l’ouverture de ce constructeur aux développements tiers.

Mais voila, ce n’est pas forcément le sens que prennent les constructeurs, même chez CASIO.

Le test communautaire de la CASIO Math+, qui succède à la Graph 90E, ne permet pas ces applications tierces développées en langage de bas niveau, et la conclusion sur ce point est tout sauf optimiste.

Voila qui conclut ce petit tour dans le sous-domaine de l’informatique qu’est celui des calculatrices graphiques, même si ce n’est probablement pas ce qui vous servira dans une discussion autour de la machine à café (sauf, peut-être, si vous êtes prof de math).

L’open source dans l’informatique embarquée se limitait historiquement aux systèmes d’exploitation et aux compilateurs. On connaît bien GCC, BusyBox et FreeRTOS. Puis, Arduino a fait son entrée dans le monde du semi-professionnel. Mais cela évolue rapidement. Trois domaines se développent avec des logiciels, et, parfois des produits open source, qui commencent à se croiser.

A part les liens Wikipedia, les sites pointés sont en anglais.

Drone

Le domaine des drones, principalement les quadcopters mais aussi les avions, rovers et même sous-marins (AUV), a vu naître des projets comme PX4 et ArduPilot. Ces firmwares d’autopilotes permettent un asservissement entre ce que l’on demande au drone et la réalité grâce à des centrales inertielles. Ils gèrent des tâches comme le quadrillage d’un secteur ou le retour automatique au point de départ, à l’aide de GPS ou de caméras de flux optique utilisant une technologie similaire à celle des souris. Les développements actuels se concentrent sur l’évitement automatique d’obstacles, comme les arbres.

PX4 repose sur le système d’exploitation temps réel NuttX, soutenu par la Fondation Apache. Ce système m’était encore inconnu jusqu’à récemment.

QGroundControl est un logiciel pour préparer des missions (points GPS, prises d’images, largages…), lire des journaux transmis par radio et configurer les drones sous PX4 ou ArduPilot, ainsi que pour mettre à jour leur firmware.

Le projet Pixhawk définit une plateforme matérielle supportée par ces deux firmwares. On en est à plus de six versions de FMU (“Flight management unit”), utilisant des processeurs STM32 avec des gyroscopes, accéléromètres, magnétomètres et baromètres, souvent avec des redondances. Les cartes comportent de nombreux connecteurs pour brancher les radiocommandes (plusieurs protocoles), les servos, les contrôleurs moteurs (ESC), les GPS, ainsi que des bus CAN utilisant des protocoles open source comme DroneCAN ou Cyphal.

Radio commande

Les ESC (Electronic Speed Controllers) transforment une commande de vitesse en une gestion complexe de trois signaux pour contrôler des moteurs synchrones. Le VESC Project propose un firmware open source, offrant des réglages avancés, comme la limitation du courant ou l’asservissement via des capteurs à effet Hall. Un programme Android permet de gérer des moteurs pour trottinettes ou voiturettes.

Dans le domaine des radiocommandes, le projet OpenTX, forké en EdgeTX, remplace le firmware des radiocommandes. RadioMaster, un outsider, utilise directement ces logiciels, contrairement aux fabricants haut de gamme plus conservateurs (Futaba, Spektrum, JR, Flysky, etc.). Ces firmwares permettent une personnalisation via des scripts Lua.

Pour les protocoles radio, plusieurs solutions propriétaires existent avec des portées annoncées de plus de 2 km. Cependant, un protocole ouvert, ExpressLRS, reposant sur LoRaWAN, permet des portées jusqu’à 5 km (en 2.4 GHz) ou 15 km (à 900 MHz). Les émetteurs et récepteurs bi-bandes commencent à apparaître.

Et robotique

Dans le domaine de la robotique, Gazebo est en train de devenir un simulateur et visualiseur polyvalent. Il repose sur le moteur de rendu OGRE et le moteur physique ODE. Il est intégré aux outils de développement de PX4 et même utilisé dans des concours de drones virtuels.

ROS2 (“Robot Operating System”) est un middleware généraliste basé sur un protocole Pub/Sub à faible latence, permettant à plusieurs ordinateurs de communiquer. Il tend à remplacer MAVLink, un protocole de commande plus léger, encore majoritaire dans le domaine des drones.

Les trois domaines (drones, robotique et radiocommande) se croisent de plus en plus. Les autopilotes permettent de gérer tous types de véhicules, tandis que des outils comme QGroundControl et ROS2 facilitent le développement de missions automatiques de plus en plus complexes.