Der Raspberry Pi 3 Model B im Detail

© Valentyn Volkov, 123RF

Drei Pi

Viele Raspberry-Fans wünschten sich für die nächste Generation des Mini-Computers USB 3.0, SATA-Schnittstelle und Gigabit-Ethernet. Dies alles bietet der Raspberry Pi 3 nicht, dafür aber WLAN, Bluetooth und eine schnelle 64-Bit-CPU.

Am 29. Februar 2016 feierte der Raspberry Pi seinen vierten Geburtstag. Passend zu diesem besonderen Jubiläum – der Schalttag 29.2. kommt bekanntlich nur alle vier Jahre vor – überraschte die Raspberry Pi Foundation die Szene mit der dritten Generation des beliebten Mikrocomputers [1]. Die wichtigsten Neuerungen des Raspberry Pi 3 Model B umfassen auf den ersten Blick einen neuen 64-Bit-Prozessor sowie integriertes WLAN und Bluetooth. Der Preis des neuen Modells bleibt, wie von der Raspberry Pi Foundation gewohnt, trotz der zusätzlichen Features bei 35 US-Dollar. Wird die neue Modellgeneration den mittlerweile stark gestiegenen Ansprüchen und Wünschen aus der Community gerecht? Wir stellen das neueste Mitglied der Raspberry-Pi-Familie auf den Prüfstand.

Ein erster Blick

Ein flüchtiger Blick auf den RasPi 3 offenbart keine Änderungen zum Vorgänger (Abbildung 1). Die vier USB-Ports, die Netzwerkbuchse und die GPIO-Leiste mit 40 Pins befinden sich an den vertrauten Positionen. Auch der Micro-USB-Port für Strom, der HDMI-Port, die Anschlüsse für Audio und Video sowie die auf der Platine angebrachten Ports für den Anschluss von Kamera und Display sitzen an den vom Modell 2B und Modell 1B+ vertrauten Stellen. Bei genauem Hinsehen stechen jedoch einige Unterschiede ins Auge, die sich keineswegs auf die neue Modellnummer BCM2837 des Grafik- und Prozessorkerns beschränken.

Abbildung 1: Das Layout des Raspberry Pi 3 stimmt bis auf wenige Details exakt mit dem seines Vorgängers überein. Umsteiger vom RasPi 2 können daher das alte Gehäuse wiederverwenden.

Die zwei LEDs (ACT und PWR) leuchten beim RasPi 3 jetzt neben der Micro-USB-Buchse. Auch der RUN-Header, mit dem sich der Raspberry Pi neu starten lässt, fand neben den USB-Ports einen neuen Platz. Diese Bauteile mussten einer kompakten Chip-Antenne weichen. Der zugehörige Bluetooth/WLAN-Kombi-Chip namens BCM43438 glänzt silbrig auf der Unterseite der Platine neben dem Micro-SD-Slot (Abbildung 2). Nicht mehr silbern glänzt hingegen der für den Xenon-Blitz-Absturz [2] verantwortliche Chip – er erhielt eine schwarze Abdeckung. Auf der Unterseite des RasPi 3 findet sich mit der Bezeichnung ELPIDA auch weiterhin der 1 GByte große Arbeitsspeicher.

Abbildung 2: Eine schwarze Abdeckung schützt den für den Xenon-Blitz-Absturz beim RasPi 2 verantwortlichen Chip nun gegen zu helle Blitze.

Ein kleines, aber feines Detail: Statt des Push-Push-Micro-SD-Slots nimmt nun ein herkömmlicher Micro-SD-Slot ohne Federmechanismus die SD-Card auf. Das verhindert ein versehentliches Herausklicken der Karte beim Einstecken von USB-Geräten, wie es den Modellen 2 und B+ häufig passierte. Bei manchen Gehäusen und für Nutzer mit etwas kräftigeren Fingern wird es nun allerdings schwieriger, die Karte wieder herauszubekommen.

Zu den alten Bekannten zählt dagegen der Hub-Chip SMSC LAN9514, der einen USB-2.0-Port des BCM2837 auf vier USB-2.0-Ports und einen 10/100-Mbit/s-Netzwerk-Port aufteilt. Dieser bekannte Flaschenhals des Raspberry Pi bleibt also erhalten. Der Grund liegt im dafür nötigen Entwicklungs- und Verifikationsaufwand für das Broadcom-SoC, der BCM2837 besitzt nach wie vor nur einen integrierten USB-Port. Immerhin hängen das WLAN- und das Bluetooth-Modul an eigenen Ports und teilen sich damit nicht mehr die Bandbreite mit den restlichen USB-Geräten.

Der Fokus der Raspberry Pi Foundation lag offenbar primär auf Kompatibilität, Ausrichtung auf die Anforderungen des Bildungsmarkts und Kostenstabilität. Preistreibende Goodies wie mehr Arbeitsspeicher, einen SATA-Anschluss, einen Gbit-Ethernet-Port oder USB 3.0 sucht man daher auf dem RasPi 3 vergeblich – benötigen Sie solche Funktionen, müssen Sie zu einem anderen SBC greifen.

Netzwerk-Boot und PXE-Boot

Die bisherigen Modelle des Raspberry Pi konnten via I2C booten – diese Funktion kam allerdings kaum zum Einsatz. Der neue BCM2837 besitzt nun ein modifiziertes Boot-ROM, das einen Systemstart über das Netzwerk (PXE/TFTP) oder USB-Massenspeicher ermöglicht. Dabei versucht das System zuerst über I2C zu booten, dann via Micro-SD-Karte oder USB, bis es schlussendlich im Netzwerk per DHCP-Anfrage nach einem Bootmedium sucht.

WLAN und Bluetooth

Der Broadcom BCM43438 funkt ausschließlich im 2,4-GHz-Spektrum und vereint drei Funktionen: WLAN nach dem 802.11b/g/n-Standard mit bis zu 72,2 Mbit/s Bruttodatenrate, Bluetooth 4.1 (sowohl Classic als auch Low Energy) sowie einen UKW-Radioempfänger (der allerdings nicht funktioniert – siehe Kasten "Kein Radio"). WLAN und Bluetooth sind auf dem Chip völlig unabhängig voneinander implementiert. Die einzige Verbindung zwischen den zwei Einheiten dient zum Absprechen des Zugriffs auf die Antenne. Der Chip unterstützt nur eine einzelne Antenne, also keine MIMO-Konfiguration.

Kein Radio

Der WLAN- und Bluetooth-Chip Broadcom BCM43438 verfügt zwar über ein UKW-Radiomodul, doch auf dem RasPi 3 lässt sich diese Funktion nicht aktivieren: Der dazu nötige Antennen-Pin auf der Unterseite des Chips liegt mitten zwischen wichtigeren Pins, die zwingend verbunden werden mussten. Daher lässt sich die Radiofunktion auch von Hardware-Moddern nicht nachrüsten.

Der WLAN-Adapter des RasPi 3 schafft zudem keine 150 Mbit/s Datenrate, sondern maximal 72,2 Mbit/s. Zum technischen Hintergrund: Gemäß iw list kann der BCM43438 HT20 SGI und höchstens MCS index**7 mit 20 MHz Bandbreite. Dies entspricht bei einem Guard-Intervall von 400 ns (SGI, "Short Guard Interval") einer Bruttodatenrate von 72,2 Mbit/s. 150 Mbit/s würden eine Verdoppelung der Bandbreite auf 40 MHz und das Vorhandensein des HT40-Flags erfordern. Mit dem Standard-Guard-Intervall von 800 ns (für gemischte 802.11g/n-Netzwerke empfohlen) beträgt die Bruttodatenrate übrigens 65 Mbit/s.

Damit stimmen die von verschiedener Seiten berichteten maximalen Datendurchsatzraten von netto etwa 40 Mbit/s gut überein. In unserem Test mit zwei per Funk verbundenen RasPis 3 (einer als Client, der andere als Access Point) erzielten wir mit Iperf einen Durchsatz von etwa 38,5 Mbit/s. Die Datenrate genügt damit theoretisch sogar für das Streaming von 4K-Videos (bis zu 16 Mbit/s in H.265). Die Anbindung des WLAN-Teils an das SoC erfolgt über den früher für die SD-Karte verwendeten SDIO-Port (Arasan eMMC-Block). Der unterstützt eine Bandbreite von bis zu 200 Mbit/s und stellt somit keinen Engpass dar.

Der Micro-SD-Slot nutzt auf dem RasPi 3 nun den zweiten SDIO-Port des SoCs (Broadcom SD Host), was zusätzlich den Vorteil einer feineren Übertaktung und damit höherer SD-Geschwindigkeiten bietet. Beide SDIO-Ports arbeiten unabhängig voneinander, sodass sowohl für die SD-Card als auch für das WLAN jeweils die volle Bandbreite zur Verfügung steht. Um die CPU zu entlasten, erfolgt die AES-Verschlüsselung für das Funknetzwerk auf dem BCM43438 in Hardware.

Die Funkleistung haben die Entwickler auf das gesetzlich maximal zulässige Limit optimiert. Raspberry-Pi-Vater Eben Upton war von der Leistungsfähigkeit des WLANs sogar im FLIRC-Aluminium-Gehäuse angenehm überrascht. Um den Empfang weiter zu optimieren, können unerschrockene Hardware-Modder eine U.FL-Buchse (Miniatur-HF-Steckverbinder) nach- und den RasPi 3 so mit einer externen Antenne aufrüsten. Das erscheint aber kaum notwendig: In unserem Test hielt der RasPi 3 selbst durch zwei Stockwerke hindurch die Verbindung zum Router.

TIPP

Mit der Software Wavemon (Paket wavemon) überwachen Sie auf der Kommandozeile die Qualität und Datenrate der aktuellen WLAN-Verbindung, auch im Zeitverlauf.

Aktuelle Raspbian-Versionen ab Release 2016-02-26 unterstützen den WLAN-Adapter bereits. Um sich mit einem Funknetzwerk zu verbinden, wählen Sie es einfach aus dem Netzwerk-Menü aus und geben das entsprechende Passwort ein (Abbildung 3). Die Zugangsdaten speichert das System dabei in der Datei wpa_supplicant.conf unter /etc/wpa_supplicant/ ab. Für das Terminal stehen zur WLAN-Nutzung textbasierte Werkzeuge wie etwa wicd-curses bereit (Abbildung 4). Es empfiehlt sich jedoch, noch die länderspezifische Konfiguration des WLAN-Moduls anzupassen.

Abbildung 3: Der grafische Desktop von Raspbian bringt von Haus aus alles mit, um eine WLAN-Verbindung zum Router einzurichten.
Abbildung 4: Für das Terminal bieten sich textbasierte Tools zum Einloggen in das heimische Drahtlosnetzwerk an, wie etwa Wicd-curses.

Das erledigen Sie zum einen auf dem grafischen Desktop über Preferences | Raspberry Pi Configuration auf der Registerkarte Localisation mit dem Knopf Set WiFi Country. Alternativ bearbeitet Sie die Datei /etc/default/crda und modifizieren dort die letzte Zeile zu REGDOMAIN=DE (DE steht für Deutschland). Auch via Raspi-config lässt sich diese Einstellung vornehmen. So gehen Sie sicher, dass der RasPi tatsächlich mit der erlaubten Sendeleistung funkt. In Europa schalten Sie mit der richtigen Einstellung außerdem die in den USA verbotenen Kanäle 12 und 13 frei.

Die neue WLAN-Funktion bietet vor allem im drahtlos vernetzten Internet of Things viele interessante Möglichkeiten. So bauen Sie jetzt etwa einen RasPi mit einem Kameramodul zur Überwachungslösung aus, auf die Sie per WLAN zugreifen. Alternativ platzieren Sie einen RasPi mit Sensoren am GPIO und übermitteln die Messdaten per WLAN. Oder Sie rüsten den RasPi mit einem Unicorn-HAT (einem RGB-LED-Matrixdisplay) auf, montieren ihn als Uhr oder sich verändernde Lampe an die Wand und steuern das Projekt über WLAN. Eine weitere interessante Einsatzmöglichkeit liegt darin, einen sonst autark betriebenen Raspberry Pi über einen mobilen Hotspot auf dem Smartphone kurzzeitig ins Netz zu bringen und so Updates einzuspielen oder Messwerte zu übertragen.

Den Monitor-Modus zum Überwachen eines WLANs unterstützt der BCM43438 zwar nicht, dafür aber den Access-Point-Modus. So spannen Sie beispielsweise mit dem kostenlosen Anonymebox-Image von Pi3g [3] ab Version 2.17 ein Funknetzwerk zum anonymen Surfen auf. Eine kurze Anleitung für erste eigene Experimente finden Sie im Kasten "Access Point mit Bridgeutils und Hostapd".

Access Point mit Bridgeutils und Hostapd

Ein per Netzwerkkabel mit einem Router verbundener Raspberry Pi lässt sich schnell zum Access Point ausbauen, der WLAN-Geräte ins LAN bringt. Dazu ergänzen Sie zunächst die Konfigurationsdatei /etc/network/interfaces um die Zeilen aus Listing 1, wobei Sie alle bereits vorhandenen wlan0 betreffenden Zeilen mittels einer Raute # auskommentieren.

Für den Access-Point-Modus installieren Sie dann die Pakete hostapd und bridge-utils (Listing 2). Anschließend erstellen Sie die Datei /etc/hostapd/hostapd.conf und befüllen diese mit dem Inhalt aus Listing 3. Dabei sollten Sie die Variablen ssid (den Namen des vom RasPi aufgespannten WLANs) und die wpa_passphrase (den Netzwerkschlüssel) nach eigenen Vorstellungen anpassen. Sicherheitshalber ändern Sie die Rechte der Datei nach dem Speichern so, dass nur Root sie lesen darf:

$ sudo chmod 600 /etc/hostapd/hostapd.conf

Zu guter Letzt tragen Sie in /etc/default/hostapd den Pfad zur Konfigurationsdatei ein:

DAEMON_CONF="/etc/hostapd/hostapd.conf"

Nun starten Sie den Raspberry Pi neu. Beim Hochfahren geht der RasPi-Access-Point dann automatisch in Betrieb.

Listing 1

 

allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet manual
auto br0
iface br0 inet manual
bridge_ports eth0 wlan0
bridge_fd 0
bridge_stp off

Listing 2

 

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install hostapd bridge-utils

Listing 3

 

bridge=br0
interface=wlan0
ssid=pi3-hotspot
hw_mode=g
channel=7
ieee80211n=1
ht_capab=[MAX-AMSDU-3839]
wmm_enabled=1
country_code=DE
ieee80211d=1
macaddr_acl=0
auth_algs=1
ignore_broadcast_ssid=0
wpa=2
wpa_passphrase=pi3g.com
wpa_key_mgmt=WPA-PSK
wpa_pairwise=TKIP
rsn_pairwise=CCMP

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