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Pünktlich zum vierten Geburtstag des Raspberry Pi zaubert die gleichnamige Foundation die dritte Generation ihres günstigen Kleincomputers aus dem Hut. Die hat WLAN und Bluetooth an Board sowie eine flotte 64-Bit-CPU. Statt auf Geburtstagspartys abzuhängen, hat das Linux-Magazin den Pi 3 ordentlich getestet.

Am 29. Februar 2016 überraschte die Raspberry Pi Foundation mit der dritten Generation ihres Mikrocomputers [1]. Die großen Neuerungen des Raspberry Pi 3 Model B: 64-Bit-Prozessor, WLAN und Bluetooth. Gleich bleibt der Preis: rund 35 US-Dollar. In Deutschland und Österreich ist das Board etwa bei Element14 für 32 Euro plus 6 Euro Versand bestellbar. Das offizielle Netzteil und das passende Gehäuse schlagen je mit knapp 8 Euro zu Buche [2].

Der erste Blick (Abbildung 1) offenbart kaum Änderungen zum Vorgänger. 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 Ports für Kamera und Display sitzen an den vom Modell 2B und Modell 1B+ bekannten Stellen.

Die ACT- und PWR-LEDs leuchten jetzt aber neben der Micro-USB-Buchse. Auch der RUN-Header, der den Raspberry neu startet, fand neben den USB-Ports einen neuen Platz. Diese Bauteile wichen einer kompakten Chipantenne. Der zugehörige Bluetooth-WLAN-Chip (BCM 43438) glänzt silbrig auf der Unterseite der Platine neben dem Micro-SD-Slot (Abbildung 2). Auf der Unterseite sitzt auch der 1  GByte große Arbeitsspeicher.

An Board bleibt auch der Hub-Chip SMSC LAN 9514, der einen USB-2.0-Port des BCM 2837 auf vier USB-2.0-Ports und einen 100-MBit/s-Netzwerkport aufteilt und sich als Engpass erwiesen hat. Immerhin hängen das WLAN- und das Bluetooth-Modul an eigenen Ports und teilen sich damit nicht mehr die Bandbreite mit den restlichen USB-Geräten.

Die eingebauten Funkkomponenten machen den Pi 3 zum bisher aufwändigsten Projekt der Raspberry Pi Foundation. Allein die weltweite Zertifizierung nach CE und FCC kostete 100 000 britische Pfund. Mit der Möglichkeit, übers Netzwerk zu booten, können manche Nutzer in Zukunft sogar auf die SD-Karte verzichten.

Abbildung 1: Das Layout des Raspberry Pi  3 stimmt bis auf wenige Details exakt mit dem seines Vorgängers überein. Gehäuse für den Raspberry Pi  2 eignen sich auch für den 3er.

Abbildung 2: Auf der Unterseite der Raspberry-3-Platine sind auch der Bluetooth-WLAN-Chip sowie der Arbeitsspeicher untergebracht.

Neue CPU, alter Videocore

Beim Chip BCM 2837 von Broadcom handelt sich um einen ARM Cortex-A53, der mit vier 1,2-GHz-getakteten Kernen arbeitet. Die neue 64-Bit-CPU rechnet schlicht schneller als der 32-bittige Cortex-A7, der im Model  2 zum Einsatz kam. Die CPU bietet nicht nur 2,3 DMIPS pro MHz (Dhrystone Million Instructions per Second) statt 1,9 DMIPS pro MHz, sondern lässt sich auch höher takten. In synthetischen Benchmarks ergibt sich gegenüber dem BCM 2836 eine Leistungssteigerung von 50 Prozent.

Die Caches im Cortex-A53 sind besser aufgestellt (32 KByte Level 1, 512 KByte Level 2) und der Chip schätzt intelligenter ab, welche Daten er als nächste aus dem RAM laden wird. Bei Textverarbeitung oder beim Surfen arbeitet der Neue bis zu doppelt so schnell wie Modell 2 oder zehnmal flotter als Modell 1.

Anwendungen profitieren von der bis zu dreifachen Neon-Leistung des A53. Die ARM-SMID-Erweiterung (Single Instruction, Multiple Data) verarbeitet mit einem Befehl mehrere gleichartige Datensätze. Laut Eben Upton ist die Krypto-Beschleunigung im BCM 2837 deaktiviert, um Probleme mit lokalen Ex- oder Import-Restriktionen zu vermeiden.

Dem Raspberry Pi 3 geblieben ist der Grafikchip Videocore IV, der HEVC-H.265-Material nicht selbst dekodieren kann. Sein 3-D-Kern arbeitet allerdings mit einer Taktrate von 300 MHz respektive 400 MHz gegenüber den 250 MHz bei den Vorgängern. Darum schafft es der Raspi 3, Mpeg 4 mit bis zu 60 1080p-Bildern pro Sekunde zu dekodieren, zusammen mit der besseren CPU in Software auch 1080p Mpeg 2 und H.265 mit 720p.

¹ Performance-Angaben entnommen aus der aktuellen Ausgabe von The Mag Pi [3]

² Ermittelt mit einer Sandisk-Ultra-Micro-SD, Class 10 UHS-1

Temperatur und Strom

Eben Upton sagt, die Foundation habe inzwischen viel Erfahrung mit dem Broadcom-SoC gesammelt und stelle daher die Standard-Taktfrequenz mit 1,2 GHz wesentlich höher ein. Der Chip erwärmt sich bei voller Last auf allen vier Kernen ohne Pi-Gehäuse auf über 75 Grad Celsius – Pi  2 und B+ erreichten dagegen selten die 55 Grad. Ab 80 Grad blendet der Raspberry Pi 3 auf dem Bildschirm ein gelbes Rechteck ein und drosselt die Taktfrequenz. Bei 85 Grad schaltet der SoC zur Sicherheit auf 600 MHz – die Leerlauf-Frequenz – herunter.

Der höhere Standardtakt bringt aber mit sich, dass weniger Spielraum für Übertaktung bleibt: 100 MHz mehr sollten jedoch oft möglich sein. Im Gegensatz zu den früheren Modellen lohnt ein Kühlkörper, um die letzten 10 Prozent Leistung herauszukitzeln. Über Belüftungsschlitze oder Bohrungen soll zudem die vom Raspi erwärmte Abluft einen Weg ins Freie finden. Grundsätzlich lässt sich der Dreier in einem Raspi-2-Case unterbringen; allerdings sind dann die neu angeordneten LEDs nicht mehr einzusehen. Beim offiziellen Raspberry-3-Gehäusen ist das natürlich nicht so.

Der für externe USB-Geräte bereitgestellte Strom ist nun auf 1,2 Ampere fixiert. Die Einstellung »max_usb_current« in der »config.txt« zeigt keine Wirkung mehr. Zusammen mit dem höheren Strombedarf des neuen SoC und der Wifi-Bluetooth-Kombination empfiehlt die Foundation ein Netzteil mit 2,5 Ampere.

Keine Luftnummer: WLAN

Der Broadcom BCM 43438 funkt ausschließlich im 2,4-GHz-Spektrum und vereint die Funktionen: 802.11b/g/n-Standard und Bluetooth 4.1 (sowohl Bluetooth Classic als auch Low Energy). WLAN und Bluetooth sind auf dem Chip unabhängig voneinander implementiert. Die einzige Verbindung zwischen den beiden Einheiten dient zum Absprechen des Zugriffs auf die Antenne. Der Chip unterstützt nur eine einzelne Antenne, also keine MIMO-Konfiguration. Um den CPU-Teil zu entlasten, erfolgt die AES-Verschlüsselung für das Funknetzwerk auf dem BCM 43438 in Hardware.

Der WLAN-Adapter schafft allerdings nicht die nach dem Standard möglichen 150 MBit/s Durchsatz. Laut »iw list« erreicht der BCM 43438 höchstens 20 MHz Bandbreite, was bei einem Guard Interval von 400 Nanosekunden eine Brutto-Datenrate von 72,2 MBit/s ergibt. Mit dem Guard Interval von 800 Nanosekunden, das für gemischte g/n-Netzwerke empfohlen ist, beträgt die Brutto-Datenrate 65 MBit/s. Dazu passt der im Zuge dieses Artikels per Iperf ermittelte Messwert von 38,5 MBit/s, gemessen zwischen zwei per Funk verbundenen Raspberry Pi  3. Die Datenrate müsste für das Streaming von 4K-H.265-Videos reichen.

Die Funkleistung hatte die Raspberry Pi Foundation auf das gesetzlich maximal zulässige Limit optimiert. Deren Gründer, Eben Upton, zeigt sich von der Leistungsfähigkeit des WLAN sogar im Aluminium-Gehäuse angenehm überrascht. Um den Empfang zusätzlich zu optimieren, steht für Hardware-Modder die Möglichkeit bereit, per U.FL-Buchse (Miniatur-HF-Steckverbinder) eine externe Antenne nachzurüsten. Im Test war das nicht nötig: Der Pi  3 hielt selbst durch zwei Stockwerke hindurch die Verbindung zum Router.

Raspbian unterstützt den WLAN-Adapter bereits, fürs Terminal gibt es Tools wie »wicd-curses« (Abbildung 3). Es empfiehlt sich, die Länder-Konfiguration des WLAN-Moduls anzupassen: »Preferences | Raspberry Pi Configuration | Localisation« , Knopf »Set WiFi Country« ; alternativ in der Datei »/etc/default/crda« den Eintrag »REGDOMAIN=DE« . Das stellt sicher, dass der Raspi tatsächlich mit der erlaubten Sendeleistung funkt und die in den USA verbotenen Kanäle 12 und 13 freischaltet.

Abbildung 3: Fürs Terminal bieten sich Konsolentools wie etwa »wicd-curses« zum Einloggen ins WLAN an.

Bluetooth und serielle Schnittstelle

Mit Bluetooth 4.1 lässt sich theoretisch eine große Auswahl von Peripheriegeräten mit dem Raspberry Pi 3 koppeln – Mäuse, Tastaturen, Headsets bis hin zu Smartphones. Bluetooth Low Energy kommt vor allem für IoT- und Smarthome-Anwendungen in Frage. Sensoren benötigen mit Bluetooth Low Energy nur eine kleine Batterie, um mehrere Jahre zu funktionieren. Die Auswahl der angebotenen Geräte reicht von Schrittzählern, Bewegungsmeldern bis hin zu Rauchmeldern und Schaltsteckdosen.

Bluetooth unter Linux erfordert, je nach Einsatzzweck, die Installation von weiteren Paketen und entsprechende Systemkonfiguration. Ein Bluetooth-Headset beispielsweise funktioniert erst mit dem Paket »pulseaudio-module-bluetooth« , da dieses das Profil »a2dp-sink« mitbringt. Simon Long, der User Experience Engineer der Raspberry Pi Foundation, arbeitet aktuell daran, wie sich die Bluetooth-Benutzerschnittstelle am besten in Raspbian integrieren lässt. Wer auf eine Plug&Play-Erfahrung mit Bluetooth hofft, muss sich aktuell noch auf Enttäuschungen einstellen.

Auch mit der Kodi-Distribution Open Elec [4] klappte Bluetooth im Test nur mit einem Keyboard. Ein längerer Beitrag in der Linux-Magazin-Schwesterzeitschrift “Raspberry Pi Geek” 03/16 [5], auf dem auch dieser Linux-Magazin-Artikel fußt, erklärt die Inbetriebnahme Schritt für Schritt. Smartphones oder Headsets zu verbinden scheiterte mit »Bluetooth Error protocol not available« .

Hardware-seitig erfolgte die Anbindung des Bluetooth-Moduls an den Raspberry Pi über die so genannte PL011-UART-Schnittstelle. Bislang stand sie über die Pins 8 und 10 des GPIO-Ports als serielle Schnittstelle zur freien Verfügung. Die Entscheidung für diese Änderung fiel laut Raspberry-Pi-Ingenieur Phil Elwell aus Stabilitäts- und Leistungsgründen. Die GPIO-Pins 8 und 10 sind dafür nun mit dem Mini-UART verbunden.

Der Mini-UART arbeitet nun aber mit 115 200 Bit pro Sekunde etwa achtmal langsamer als der PL011-UART und kennt kein Parity4. Außerdem besitzt er den Nachteil, an den Coretakt des Videocore IV gebunden zu sein – die Datenrate variiert also mit dem Takt. Elwell schlägt als Lösung vor, die Taktrate fest auf 250 MHz einzustellen. Alternativ ließen sich die beiden Schnittstellen auch austauschen oder Bluetooth mittels Devicetree-Overlay abschalten. Nutzer der seriellen Schnittstelle über GPIO sollten an diese Einschränkungen denken und entsprechende Einstellungen treffen.

Mittlerweile existiert ein Bluetooth-Protokoll in der Version 4.2, das unter anderem sicherheitsrelevante Aspekte überarbeitet hat, die Geschwindigkeit bestimmter Verbindungen verdoppelt und IPv6 für Endgeräte vorsieht. Abgesehen von vermutlich weiteren Möglichkeiten des BCM 43438 ist ein Teil des Standards rein in Software umsetzbar – im Fall von Linux im Bluetooth-Stack Blue Z [6].

Kommandozeile und Desktop

Wer eine SSH-Verbindung zum neuen Raspberry aufbaut, spürt bereits auf der Kommandozeile, dass dieser schneller reagiert. Auch auf dem grafischen Desktop laufen größere Brocken wie etwa Minecraft, Libre Office oder Sonic Pi deutlich flüssiger. Das Websurfen macht mehr Spaß, Eben Upton erwähnt, dass die Raspberry Pi Foundation überlegt, in Zukunft Chromium als Standardbrowser zu nutzen. Dann erhalten Nutzer hoffentlich Zugriff auf 1080p in Youtube.

sudo apt-get update
sudo apt-get dist-upgrade

Angekündigte Produkte

Wegen der hohen Nachfrage nach dem Raspberry 2 kam es nie zu einem Compute Module  2 oder Modell  2A. Das soll sich ändern: Eben Upton kündigte für 2016 ein Compute Module  3 (ohne WLAN und Bluetooth) sowie ein Modell  3A an. Zum Redaktionsschluss waren darüber aber noch keine validen Informationen zu bekommen.

Fazit

Dass die Foundation mit dem Raspberry Pi 3 die Modelle der zweiten Generation künftig viel günstiger anbieten wird, ist nicht zu erwarten, da deren Herstellungskosten nicht nennenswert sinken werden. Wer eine Neuanschaffung plant, sollte schon allein deshalb zu Modell 3 greifen. Denn der schnellere Prozessor, WLAN und Bluetooth eröffnen dem beliebten Mikrocomputer neue Einsatzbereiche. WLAN funktioniert sofort und lässt sich zügig auch als Accesspoint einrichten. Bluetooth erfordert im Moment hingegen Geduld. Vermutlich wird die Community hier schon bald mit Tutorials und Skripten für Abhilfe sorgen wird.

Die Raspberry Pi Foundation rechnet damit, dass viele Nutzer den Pi 3 als Internet-of-Things-Hub einsetzen. Wie anlässlich jedes neuen Modells sagt Eben Upton auch jetzt, dass die Beeren-Marke-Foundation nicht plane, jedes Jahr ein neues Modell einzuführen. Sie wolle sich auf die Software konzentrieren. Das lässt Platz für Überraschungen. (cla/jk)

Der Autor

Maximilian Batz ist mit seiner Firma Pi3g http://pi3g.com seit den Anfängen (2012) im Raspberry-Pi-Geschäft tätig. Pi3g realisiert kundenspezifische Lösungen auf Basis des Einplatinenrechners, bietet Consulting und Schulungen sowie eine Reihe von Produkten rund um den Raspberry Pi an.