小型、強大、高效率且具成本效益的 ARM 架構板提供優異的硬體選項

你的核心競爭力為何？ 這個問題很少被提及，或許乍聽之下很基本，但你的答案可能會決定你的設計在市場中的成敗。 晶片的整合度與商品化程度越來越高，晶片的基礎架構也逐漸標準化，不將資源投注在用相關硬體執行的軟體，讓產品更容易達到差異化，而是將寶貴的開發資金、時間與人力投入自行設計板件和其他相關硬體，可能不再是明智之舉（即便這麼做曾經明智的話）。

若您決定要採用標準化的 ARM^® 架構系統實作方式，Raspberry Pi 基金會的多種板件選項，能在您開發專屬硬體時提供吸引人的替代方案，特別是針對中量生產。 這些板件在全球深受歡迎，加上多家採購來源，因此不僅供應量充足，並具有符合成本效益的價格。 提供多種採用不同世代 CPU 核心的板件款式；在尺寸、重量、功耗規格、時脈速度、連線能力、記憶體及其他周邊配置上也各不相同。 板件的標準化加裝硬體 (HAT) 連接器與軟體通訊協定，提供進一步的周邊擴充支援，以及除錯與其他開發支援。 此外，系統出貨量增加到自己生產硬體能夠產生財務效益時，這些板件的開放原始碼規格將可輕鬆實現這樣的變遷。

這張表格概述四種 Raspberry Pi 板件的選項，而本文後續將更詳細探討這些選項。 由於處理器效能及其他功能是選擇板件時的主要條件（但非唯一），因此本文將納入效能評比程式碼範例及其他評估指南進行總結。

*停產項目

表 1：比較四種 Raspberry Pi 選項，展現選項的影響範圍

以上四種板件皆具有以下相同特點：

• 透過 15 引腳 MIPI CSI 相機介面連接器提供視訊輸入
• 兩個視訊輸出選項：數位 HDMI（1.3 和 1.4）及類比複合視訊（3.5 mm TRRS 插孔）
• I²S 數位音訊輸入
• 三種音訊輸出選項：數位 HDMI 與 I²S，以及類比（3.5 mm TRS 插孔）
• 透過 MicroSDHC 插槽提供非揮發性儲存空間
• 17 個 GPIO 針腳，外加 HAT ID 匯流排
• 透過 micro-USB 纜線或序列纜線及選配的 GPIO 電源連接器提供控制台介面

Raspberry Pi ("1")

本文討論的 Model A+（圖 1）是延續 Model A 但縮減尺寸並降低成本的產品；Model A 本身則是原始 Model B 降低成本（並減少功能）的版本。Model A+ 的尺寸為 2.56 in x 2.22 in (65 mm x 56.5 mm)，符合本文四個板件替代方案皆支援的加裝硬體 (HAT) 附加擴充卡的尺寸。 這個特定的板件版本含有四個板件中最少的 SDRAM 容量 (256 MB)，並且僅提供一個 USB 連接器，無整合式網路支援（雖然兩者皆可透過 USB 或 HAT 架構周邊進行擴充）。

本文涵蓋的另一個第「1」代 Raspberry Pi 是 Model B+（此型號已停產，但為了與其他供貨中的型號做比較，亦在此探討）。 其系統板覆蓋區為 3.37 in x 2.224 in (85.6 mm x 56.5 mm)，比 Model A+ 大（與後續介紹的 Raspberry Pi 2 及 Raspberry Pi 3 產品相同）。 此擴大的尺寸能發揮良好用途，具有加倍至 512 MB 的系統記憶體、四倍的 USB 連接埠數量，以及內嵌 10/100 Mbps 有線乙太網路支援。

另外，雖然 700 MHz 單核心 ARM11 CPU 相較於採用現代十核心 CPU 的智慧型手機似乎顯得有點過時，但別忘了這個 CPU 為第一代 Apple iPhone^® 與後繼的 iPhone 3G 提供了「強大」的運算能力。 如果效能需求不是很高，Broadcom BCM2835 或許就相當足夠，能讓 Model A+ 板達到低功耗，因此特別吸引人。

圖 1：第一代 Raspberry Pi 的設計以 Broadcom 的 BCM2835 SoC 為基礎，其中整合了 700 MHz 單核心 ARM11 CPU。 此產品提供兩種板外型尺寸（與功能組合）選項，包括較小的 Model A+（上）與較大的 Model B+（下）。 （圖片來源：Seeed Technology）

Raspberry Pi 2

Raspberry Pi 2 Model B 在 Raspberry Pi Model A+ 與 Model B+ 推出的次年問世，維持與前代一樣的較大尺寸，從功能組合演變的觀點而言，有兩個值得注意的關鍵面向。 首先，系統記憶體容量是 Model B+ 的兩倍，來到1 GB（Model A+ SDRAM 配置的四倍）。 其次而且更重要的是，從 Broadcom 的 BCM2835 轉用 BCM2836，CPU 時脈速度大幅提升 200 MHz，並從單核心 ARM11 進化為四核心 ARM Cortex^®-A7。

GPU 維持不變，這表示 Raspberry Pi 2 不一定能帶來較高的繪圖與視訊畫格速率（除非過去的瓶頸為 CPU 的處理能力不足）。 但是，談到處理能力，這次的 CPU 升級通常可顯著提升應用程式執行階段的速度，以下會更深入討論相關原因。 同樣的，如之前所述，儘管在入門級智慧型手機中越來越常見使用後繼的 64 位元 CPU，也不要輕視四核心 32 位元 CPU 的能力。 畢竟 iPhone 4S 採用的還是 ARM Cortex-A7 的 800 MHz 雙核心配置。

圖 2：Raspberry Pi 2 Model B 維持前代產品 Raspberry Pi Model B+ 的尺寸，但將應用處理器升級至 Broadcom BCM2836，內含 900 MHz 四核心 ARM Cortex-A7 CPU。 （圖片來源：Seeed Technology）

Raspberry Pi 3

Raspberry Pi 3 Model B 追隨前代產品 Raspberry Pi 2 的腳步，在一年之後推出，進一步將 Broadcom 應用處理器從 BCM2836 進化至 BCM2837，亦即從 900 MHz 四核心 ARM Cortex-A7 的 32 位元 CPU 進化為 64 位元的 1.2 GHz 四核心 ARM Cortex-A53。 BCM2837 的 GPU 核心為 Broadcom 的 VideoCore IV，其功能維持不變，但在 3D 圖形處理時時脈速度提升至 300 MHz，視訊處理時則提升至 400 MHz。 後者的效能提升能針對 H.264 (MPEG-4 AVC) 高設定檔內容進行完整的 1080p 60 Hz 編碼與解碼。 基於 GPU 日漸提升的重要性，此 SoC 和板件世代的時脈速度也有所提升，相關內容也會進一步探討。

圖 3：Raspberry Pi 3 進一步延伸前幾代產品的外型尺寸相容性，但在 SoC 上進一步升級至 Broadcom 的 1.2 GHz（64 位元）四核心 ARM Cortex-A53 架構 BCM2837。 （圖片來源：Seeed Technology）

Raspberry Pi 3 Model B 在內建的連線技術選項上也顯著增進。 這次同樣提供 10/100 Mbps 有線乙太網路，並且加入了僅支援 2.4 GHz 的 802.11n Wi-Fi 和藍牙 4.x 功能（先前世代的板件皆需要額外的周邊才能支援這兩項功能）。

所以，哪個處理器最好？

CPU 時脈速度、核心數量與功能組合，如本文之前強調的，正是第一代 Raspberry Pi、第 2 與第 3 代產品之間的關鍵差異。 Raspberry Pi Model A+ 與 Model B+ 採用的 ARM11 是相對直覺的循序 8 階管線設計，提供有限的亂序指令完成支援，並可執行 ARMv6 指令集。 雖然指定的最大運行速度為 700 MHz，但使用者回報能成功超頻至 800 MHz；這個特殊的核心實作亦包括架構上的選配浮點運算單元 (FPU)。

Raspberry Pi 2 Model B 採用 ARM11 的後繼產品 ARM Cortex-A9，基本上也是採用 32 位元架構。 BMC3286 與 BMC8285 相似，在超頻期間可經常保持穩定，但這次是從 900 MHz 超頻至 1.1 GHz。 ARM Cortex-A9 架構比 ARM11 大幅進化，提供亂序、臆測問題、超純量 8 階管線。 ARM Cortex-A9 運行後繼產品 ARMv7-A 的指令集；BMC3286 亦含有選配的浮點單元（比 ARM11 的核心更優異）與「NEON」SIMD 輔助處理器。 當然，BMC3286 內建了四個處理器核心，但前代產品 BMC3285 只有一個。

最後，也採用了 Raspberry Pi 3 Model B 的四核心 ARM Cortex-A53。這也是 8 階管線處理器，含有雙向超純量執行管線，但這次是完全的 64 位元實作，支援最新世代的 ARMv8-A 指令集。 這次同樣提供 NEON SIMD 與浮點輔助處理器（兩者皆比 ARM Cortex-A9 的實作更進一步提升）。 另外，相對 BMC3286 最高只能以 1.1 GHz 執行，要取得更高時脈只能透過超出規格的超頻組態，BMC3287 保證能以 1.2 GHz 運行，並有部分使用者回報可穩定超頻至 1.4 GHz。

你應該選擇哪個處理器？ 答案依據應用而定，因此每個使用者的答案各不相同。 一方面，你並不希望選擇對你而言太慢的 CPU，特別是你希望保留一些效能「餘裕」以因應未來不可避免的軟體進化。 另一方面，採購超出需求過多的處理器也不划算；請記住，你的選擇不僅會影響價格，同時也會影響功耗。 CPU 不是你選擇某一款 Raspberry Pi 板件的唯一考量，你還必須將記憶體需求、網路連線選項及其他屬性納入考量。

另外，如果軟體有很多時間都在閒置迴圈中等待輸入，那麼較高的時脈速度並沒有太大的意義。 同時請記得，唯有軟體對指令對指令的依存性低時，先進架構功能，如超純量與亂序支援，才能明顯達到較高的每單位時脈指令數 (IPC)。 同樣的，相較於較簡易的單核心替代方案，多核心 CPU 若缺乏執行緒獨立性，處理量優勢將會有限，而且 64 位元指令集在理論上的優勢，有可能無法在應用程式中發揮作用（更不用說較高的記憶體需求）。 相反的，請記住 ARMv8 指令集中的 AArch32 改良可能會提升效能，即使 ARM Cortex-A53 僅執行 32 位元程式碼。

圖形增強

另一個可用的晶片處理選項將使 SoC 的選擇更加複雜（也可說是更加自由）。 概念上，你可以將圖形處理器（或在本文中的圖形核心）視為大型平行處理「引擎」，非常適合進行像素處理作業，也適合各種更廣泛的數位訊號處理和其他運算。 這個名為一般用途圖形處理單元 (GPGPU) 的技術越來越受到歡迎，但需要軟體支援才能釋放硬體潛能。

不巧的是，本文中三個世代的 Broadcom SoC 所採用的 VideoCore^® IV GPU 目前都不支援 OpenCL 程式語言開放標準組合，以及由 Khronos Group 所維護用於異質平行編程的 API（Raspberry Pi 2 與 3 既有的 OpenCL 支援，目前僅限於運用 CPU 的各種資源）。 不過，當 Broadcom 於 2014 年 10 月以開放原始碼形式發佈全套的 VideoCore IV 規格 (PDF) 時，也提供了針對一般用途存取與運用 GPU 的替代方法。

例如，Raspberry Pi 的愛好者 Pete Warden（同時也是 Google 研究工程師以及 Jetpac 的前創辦人兼技術長；Jetpac 後來由 Google 收購）就想出了如何利用 GPU 大幅加速物件識別作業的方法；他運用先前公司的 Deep Belief 深度學習 SDK，搭配 VideoCore IV 中的 QPU（SIMD 四核心處理單元）的組譯器／解譯器（在此瞭解他的解決方案： https://petewarden.com/2014/08/07/how-to-optimize-raspberry-pi-code-using-its-gpu/）。 開放原始碼社群也想出了如何使用這些 QPU 大幅提升 FFT 的處理效能。 許多其他專案範例會包括 Github 託管的開放原始碼程式範例；建議利用以下關鍵字搜尋：

• "Raspberry Pi GPGPU"
• "Broadcom VideoCore IV GPGPU"
• "Raspberry Pi OpenCL"
• "Broadcom VideoCore IV OpenCL"

相機與結論

深度學習的圖形辨識功能非常適合用於多種影像分析應用，而這在我最近的文章中有所強調（Pete Warden 的專案就是最佳映證）。 如何將這些影像輸入板件？ 常見的選項是 MIPI CSI 架構的 Raspberry Pi 相機模組（圖 4），以 OmniVision Technologies 的 OV05647 5 百萬像素 CMOS 影像感測器為基礎。 請記住，即使你不擅長深度學習，Raspberry Pi 板仍是電腦視覺應用的理想選擇，特別是考慮到 OpenCV 開放原始碼電腦視覺函式庫社群的熱情支持時。

圖 4：Raspberry Pi 相機模組整合了 MIPI SPI 介面，本文討論的所有 Raspberry Pi 系統板皆原生內建此介面；5 百萬畫素解析度對於許多電腦視覺作業而言已經足夠。

一般來說，目前有大量的軟體選擇可用於開放原始碼應用與整合作業；從 Wikipedia 中冗長的清單中選擇將會是絕佳的開始。 同樣的，雖然軟體模擬可讓你初步瞭解應選擇哪個 Broadcom SoC 世代（亦即 Raspberry Pi 板的世代），但是這些板件的價格並不昂貴，你可以考慮每個世代各購買一個，以便實際動手評估；外型尺寸相容的 Raspberry Pi Model B+、Raspberry Pi 2 Model B 及 Raspberry Pi 3 Model B 特別適合用來進行硬體更換與軟體測試。

在結尾的同時，我建議各位別忘了享受一些樂趣！ Raspberry Pi 社群的規模、多樣性及能量有時可能會提供太多資訊，讓人應接不暇，但只需一些研究，便能很快地挖到寶貴的「金塊」，有助你的下一個設計更快速、穩健且以成本效益的方式進入市場。