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Raspberry Pi 4 modèle B
Introduction
Le Raspberry Pi 4 est apparu sur le marché le 24 juin 2019. C’est le successeur du Raspberry Pi 3 B+ sorti en mars 2018.
Le Raspberry Pi est décliné en trois versions :
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le Raspberry Pi Zéro (65 x 30 mm), au format ticket de métro ;
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le Raspberry Pi A (65 x 56 mm), au format carré ;
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le Raspberry Pi B (85 × 56 mm), au format carte de crédit.
Le maintien d’un prix à 35 $ (environ 40 € en France) pour la version comportant 1 Go de mémoire a guidé les choix technologiques et les évolutions de cette version du Raspberry Pi. En février 2020, la Fondation annonçait que le prix de la version 2 Go serait aligné sur celui de la version 1 Go, soit une remise de 22 %. Cette réduction est due à une baisse du prix de la mémoire et pourrait laisser présager un arrêt de la production de la version 1 Go.
Le Raspberry Pi 4 regroupe sur une carte de 85 × 56 mm tous les composants nécessaires pour faire tourner un système d’exploitation (Linux) et utiliser ainsi le Raspberry Pi comme un véritable PC.
Les outils de base sont disponibles dans la majorité des distributions : traitement de texte, tableur, jeux, navigateur Internet.
Les créateurs de matériel tel qu’imprimantes...
Les composants du Raspberry Pi 4
1. Vue de dessus
Les composants principaux du Raspberry Pi 4 sont repérés sur l’image ci-dessus. Le processeur est muni d’un boîtier métallique assurant une meilleure dissipation de la chaleur que celui des modèles précédents, en céramique.
Le circuit WiFi-Bluetooth est sous un capot métallique servant de blindage. Il y a peu de modifications par rapport aux versions précédentes. Le connecteur PoE (Power on Ethernet = Alimentation par Ethernet) est présent sur le Raspberry Pi 4, à proximité du connecteur Ethernet. Il est destiné à recevoir une carte dédiée à assurer l’alimentation du Raspberry Pi par le câble réseau.
Les pastilles RUN et Masse, précédemment utilisées pour le RESET du microprocesseur ont été rejointes par une pastille Global_EN servant à mettre le microprocesseur en veille pour réduire la consommation. La masse est reliée à la pastille centrale. Pour obtenir plus d’informations, référez-vous à la section L’alimentation du Raspberry Pi 4 de ce chapitre.
2. Vue de dessous
Sous la carte du Raspberry Pi 4, le principal composant est le connecteur de carte micro SD. Son épaisseur réduite, inférieure à la longueur des broches du GPIO...
Le SoC du Raspberry Pi 4
1. Le CPU
Le Raspberry Pi 4 est équipé d’un SoC BCM2711B0. Ce SoC (System on a Chip = Système sur une puce) embarque la presque totalité des composants nécessaires à la réalisation d’un système complet, les périphériques ainsi que les gestionnaires de bus (SPI, I2C…).
Le BCM2711B0 est similaire au BCM2837 utilisé dans les autres versions du Raspberry Pi. Ce processeur remplace les ARM Cortex-A53 des versions précédentes. Il comporte lui aussi un processeur 4 cœurs 64 bits mais cette fois, c’est un CPU Cortex A72 cadencé à 1,5 GHz qui a été retenu.
Sur des tests basiques (Linpack), le SoC du Raspberry Pi 4 montre un gain de vitesse compris entre 3 et 4 fois. Ce résultat est peu significatif, des tests plus complets affichent une amélioration proche de 30 % en vitesse d’exécution.
Le BCM2711B0 est équipé d’un dissipateur thermique métallique comme celui du Raspberry Pi 3 B+. Ce boîtier assure une meilleure évacuation de la chaleur.
2. Le GPU
Le circuit graphique VideoCore VI est cadencé à 500 MHz. Il prend désormais en charge le décodage vidéo H.265 en 4K/60 images/seconde. Cette carte est de 2 à 3 fois plus performante que la précédente génération...
Les ports USB et Ethernet du Raspberry Pi 4
1. USB 3 et USB 2
Le Raspberry Pi 3 est équipé d’un HUB USB/Ethernet connecté à la sortie USB 2 du CPU, ce qui crée un goulot d’étranglement puisque toutes ces communications partagent la même ligne.
Avec le Raspberry Pi 4, la Fondation introduit un HUB USB 3 doté d’un bus PCI Express. Ceci supprime les limitations rencontrées avec l’USB sur les versions précédentes.
La commande lspci, installée avec la commande
sudo apt-get install pciutils permet d’afficher les caractéristiques de la connexion USB :
pi@raspberrypi:~ $ lspci
00:00.0 PCI bridge : Broadcom Limited Device 2711 (rev 10)
01:00.0 USB controller : VIA Technologies, Inc. VL805 USB 3.0
Host Controller (rev 01) Le circuit installé sur la carte est un VL805 de VIA Labs. Il offre 4 ports USB 3. La Fondation a choisi d’équiper le Raspberry Pi 4 avec 2 ports USB 3 et 2 ports USB 2.
2. Ethernet Gigabit
Le Raspberry Pi 4 bénéficie d’un "vrai" port Ethernet à 1 Gbit/s directement relié au CPU, sans passer par un HUB USB comme dans les versions précédentes. Le port Gigabit Ethernet s’appuie sur un circuit Broadcom BCM54213. Ce circuit gère toutes les fonctions de la couche réseau physique en 1000BASE-T, 100BASE-TX...
Le Wi-Fi et le Bluetooth du Raspberry Pi 4
Le Raspberry Pi 4 est équipé d’un circuit doté des fonctions Wi-Fi 802.11ac à 2,4 GHz et 5 GHz, mais aussi de la communication simultanée Bluetooth et Bluetooth Low Energy (BLE). Le circuit est recouvert par un couvercle métallique qui protège l’ensemble des perturbations électromagnétiques (EMI).
L’antenne choisie par la Fondation est à nouveau une cavité accordée (licence Proant Niche antenna). Cette approche permet de conserver un coût réduit : l’antenne est une simple forme de triangle dessinée sur le circuit imprimé.
Le Wi-Fi et le Bluetooth peuvent fonctionner simultanément. Ceci permet par exemple de visionner une vidéo en ligne via le Wi-Fi, tout en envoyant le son sur une enceinte Bluetooth.
Les sorties vidéo du Raspberry Pi 4
Le Raspberry Pi 4 dispose de trois sorties vidéo :
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Une sortie vidéo composite (analogique).
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Deux sorties HDMI (High Definition Multimedia Interface = interface multimédia haute définition).
Les sorties analogique et HDMI ne peuvent pas fonctionner simultanément. Sur le Raspberry Pi 4, la sortie vidéo composite est désactivée par défaut. Le changement de sortie vidéo nécessitera un redémarrage de la carte. Il est possible de forcer la sortie en vidéo composite dans le fichier config.txt avec la commande :
enable_tvout=1 L’utilisation de la sortie vidéo composite dégrade légèrement les performances du Raspberry Pi 4 en raison d’une adaptation des horloges du système pour le fonctionnement de cette sortie.
1. Vidéo numérique
Le connecteur HDMI est une interface audio/vidéo entièrement numérique. Il a remplacé la prise Péritel (péritélévision) analogique sur le matériel grand public capable d’afficher la vidéo HD vers 2005.
Sur le Raspberry Pi 4, ce sont deux connecteurs micro HDMI qui sont disponibles. Ils peuvent fournir une vidéo de qualité jusqu’au 4K. Le port activé par défaut est le HDMI0. Il est capable de fournir de la vidéo 4K60p. Si deux écrans sont connectés, le maximum disponible est 2 fois 4K30p.
Il vaut mieux utiliser des câbles micro HDMI - HDMI que des adaptateurs micro HDMI - HDMI, car les adaptateurs sont larges et ne permettent pas de connecter des prises sur les 2 ports.
Par défaut sur le Raspberry Pi 4, c’est la sortie vidéo numérique qui est activée.
Pour les possesseurs d’un écran informatique muni d’une prise DVI (Digital Video Interface = interface vidéo numérique), mais dépourvu...
Les sorties audio
1. Audio numérique
La sortie audio numérique se fait sur le port HDMI au format 5.1. L’audio est combiné à la vidéo.
Si votre écran indique au système qu’il possède des haut-parleurs, le son est transmis par défaut sur la sortie HDMI. Vous pouvez également forcer manuellement la sortie dans l’utilitaire raspi-config, dans le fichier config.txt ou en faisant un clic droit sur l’icône en forme de haut-parleur, en haut à droite de la barre des tâches.
2. Audio analogique
La sortie audio analogique se fait sur un jack stéréo de 3,5 mm à quatre pôles (TRRS : voir ci-dessus la section Vidéo analogique qui présente la répartition des signaux sur les contacts du jack). C’est le jack standard pour la sortie son de nombreux appareils (smartphones, PC, consoles de jeux, lecteurs DVD portables, lecteurs MP3…). Cette sortie fournit un signal d’environ 1 volt crête à crête. Ce signal est trop faible pour être utilisé avec un casque audio ou un haut-parleur. Il faudra impérativement utiliser un amplificateur.
Pour simuler l’audio analogique, le Raspberry Pi délivre un signal numérique de type PWM (Pulse Width Modulation = modulation de largeur d’impulsion). Le signal est codé sur 11 bits (les...
Le bus CSI du Raspberry Pi 4
Le bus CSI-2 du Raspberry Pi 4 permet de connecter une caméra compatible grâce à un câble en nappe. Le texte "Camera" apparaît à côté du connecteur CSI.
Le bus CSI-2 (Camera Serial Interface = bus série pour caméra) est un bus standard, défini par l’alliance MIPI (Mobile Industry Processor Interface = interface processeur pour l’industrie mobile) qui regroupe plus de 200 entreprises intervenant dans le domaine des terminaux mobiles. MIPI définit les bus reliant les différents composants embarqués dans les appareils mobiles.
Le SoC du Raspberry Pi 4 étant issu à l’origine de la téléphonie mobile, il dispose d’un bus CSI. Ce bus peut recevoir une nappe de liaison vers une caméra répondant à cette norme.
Le bus CSI est situé entre le connecteur audio/vidéo analogique et le connecteur HDMI1 (photo ci-dessus). Il est prévu pour recevoir directement le câble en nappe provenant du module caméra.
Le bus CSI comporte les éléments suivants :
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Un bus de commande au standard I2C (Inter Integrated Circuit = bus intercircuits intégrés) qui fut utilisé dans les années 1980 par Philips pour la communication entre les microprocesseurs et les circuits annexes équipant ses télévisions...
Le bus DSI du Raspberry Pi 4
Comme le CSI, le bus DSI (Display Serial Interface = interface série pour écran) est une spécification de l’alliance MIPI. Son objectif est de réduire le prix des écrans utilisés sur les mobiles. Sa structure est proche de celle du bus CSI, à l’exception près que les lignes de données partent du SoC et vont vers l’écran. Le connecteur DSI (photo ci-dessous) est situé sur une extrémité de la carte du Raspberry Pi, à proximité du GPIO. Le texte "Display" apparaît à côté du connecteur DSI.
Le bus DSI est piloté par le GPU. La Fondation a mis sur le marché un écran tactile officiel utilisant ce port DSI début septembre 2015. Cet écran tactile a une définition de 800 x 480 pixels à 60 fps et offre une bonne qualité d’image.
Cet écran consomme jusqu’à 470 mA en plus de la consommation du Raspberry Pi. Il faudra prévoir une alimentation sérieuse fournissant au moins 3 A pour alimenter l’ensemble.
Sur la photo ci-dessus, un Raspberry Pi 3 B est connecté via le port DSI à la carte de commande de l’écran tactile officiel. C’est un écran de 7 pouces (18 cm) de diagonale avec une taille d’affichage d’environ...
Le GPIO du Raspberry Pi 4
1. Présentation du GPIO
Le GPIO (General Purpose Input/Output = entrée/sortie à usage général) est une interface qui permet de relier le Raspberry Pi 4 au monde réel. Pour sa partie physique, il est identique à celui des modèles précédents et assure la compatibilité avec le matériel de type HAT.
Les broches GPIO du Raspberry Pi sont reliées à un connecteur 40 points J8, situé sur un bord de la carte. Les broches du connecteur sont réparties sur deux rangées de 20 broches. 26 broches GPIO sont accessibles (GPIO 2 à GPIO 27).
Les broches du connecteur sont également appelées pin (= aiguille en anglais). Ces deux termes sont équivalents et utilisés indifféremment dans cet ouvrage.
Ce sont des entrées/sorties numériques capables de fournir et de recevoir des signaux numériques 1 et 0 sous la forme de tensions 0 volt et 3,3 volts.
Certaines broches peuvent être utilisées différemment pour fournir un bus I2C, un bus SPI ou une E/S UART. Dans ce cas, les broches concernées ne peuvent plus être utilisées comme entrées-sorties numériques.
2. Connecteur GPIO J8
Le port GPIO est composé de 40 broches, réparties en deux rangées de 20 broches, séparées de 1/10e de pouce (2,54 mm). La borne N°1 est repérée par une pastille carrée.
Le GPIO est situé entre deux trous de fixation du Raspberry Pi 4, du côté composants de la carte. Si vous positionnez la carte avec le port GPIO en haut, la broche numérotée 1 est la plus proche de la protection du circuit Wi-Fi.
La broche 2 est située sur le bord de la carte, à côté de la broche 1. À l’autre extrémité de la rangée de connecteurs, la broche 39 est du côté du bloc de 4 broches (marqué PoE). La broche 40 est sur le bord de la carte. Toutes les broches impaires sont situées entre la broche 1 et la broche 39. Les broches paires sont situées le long du bord de la carte.
Le brochage du connecteur GPIO est rappelé dans le schéma suivant. Les broches impaires sont à gauche, les paires sont à droite.
Douze...
L’alimentation du Raspberry Pi 4
1. Par la prise d’alimentation
L’alimentation du Raspberry Pi 4 a été modifiée par rapport aux modèles précédents. Elle fait appel à une prise USB-C (photo ci-dessous). Il n’y a pas d’interrupteur marche/arrêt et c’est l’insertion ou le retrait de la prise micro USB-C qui joue le rôle d’interrupteur.
Les développeurs de la carte Raspberry Pi 4 ont cependant commis une erreur lors de la conception de la carte initiale, remplaçant deux résistances par une seule, ce qui empêche le fonctionnement normal de l’USB-C avec certaines alimentations. Ce défaut existe sur les cartes originales et a été corrigé sur la version 1.2.
La plupart des chargeurs USB-C 5v / 3A disponibles sur les sites de vente en ligne à faible prix fonctionnent avec le Raspberry Pi 4 original. Il est prudent de vérifier la compatibilité avant tout achat.
Le passage d’une prise micro USB à une prise USB-C pour le connecteur d’alimentation permet de fournir un courant supplémentaire de 500 mA au Raspberry Pi 4. Il y a maintenant un courant de 1,2 A disponible pour les périphériques USB connectés.
La connexion de périphériques sur les interfaces du Raspberry Pi augmente la consommation. Les broches GPIO peuvent fournir jusqu’à 50 mA au total. Le port HDMI consomme 50 mA, le module caméra 250 mA, et les claviers et souris peuvent consommer de 100 mA à près d’un ampère selon le modèle. L’alimentation doit être dimensionnée en fonction de cette consommation.
Une alimentation capable de fournir au moins trois ampères est un bon choix pour éviter les problèmes liés à des chutes de tension.
L’alimentation du Raspberry Pi est une des parties de la carte qui a connu le plus d’évolutions depuis sa création. Les régulateurs analogiques des versions antérieures abaissaient le 5 V en 3,3 V et 1,8 V en dissipant l’énergie excédentaire sous forme de chaleur. Ceci amenait parfois à munir le régulateur principal d’un petit radiateur destiné à faciliter l’évacuation de la chaleur...
Le connecteur de carte micro SD du Raspberry Pi 4
Situé sous la carte du Raspberry Pi 4, le connecteur est prévu pour accueillir une carte micro SD.
La Fondation a indiqué que la vitesse d’accès à la carte micro SD est passée de 25 Mb/s (Raspberry Pi 3) à 50 Mb/s sur ce modèle.
Le connecteur de la carte micro SD est de type "push-pull". Il n’y a pas de verrouillage mécanique lors de l’insertion de la carte, et pour ressortir la carte, il suffit de tirer dessus.
Attention : avec certains boîtiers, la carte micro SD vient buter sur le bord du boîtier. C’est le cas avec le boîtier "officiel". Il faut veiller à retirer la carte micro SD avant de sortir le Raspberry Pi 4 du boîtier. La carte risque d’être cassée et de devenir inutilisable.
Problème de boot
Si votre Raspberry Pi 4 ne démarre pas, il est possible que la mémoire EEPROM embarquée sur la carte soit corrompue.
Pour vérifier, retirez la carte SD, débranchez l’appareil du secteur, puis rebranchez-le. La LED verte doit clignoter. Si la LED verte ne clignote pas, vous devez reprogrammer l’EEPROM.
Téléchargez le bootloader sur la page https://www.raspberrypi.org/downloads, décompressez l’archive sur une carte SD vide au format FAT et insérez ensuite la carte dans votre Raspberry Pi 4. Connectez l’alimentation et attendez que la LED verte clignote rapidement.
Cette manipulation copie le bootloader présent sur la carte micro SD dans l’EEPROM du Raspberry Pi 4.
Remettez ensuite la carte Raspberry Pi OS ou NOOBS et le Raspberry Pi 4 doit démarrer.
Les LED d’état du Raspberry Pi 4
Le Raspberry Pi 4 est équipé de 2 LED d’état, visibles ci-dessus sur le bord de la carte. La LED la plus à droite est la LED PWR (Power = Alimentation). Elle s’allume lorsque la tension de 5 volts est appliquée sur la prise micro USB d’alimentation. Lorsque la tension diminue sous la valeur de 4,63 volts, elle s’éteint, indiquant un problème d’alimentation. Si vous voyez la LED PWR s’éteindre ou clignoter, orientez vos recherches vers l’alimentation (boîtier d’alimentation, câble, connecteurs).
La LED ACT à droite sur l’image ci-dessus indique l’activité du Raspberry Pi 4, c’est-à-dire l’accès à la carte micro SD. La LED s’allume lors d’un accès à la carte. Si vous n’introduisez pas de carte micro SD, elle clignote par séquence de quatre fois.
Lors de l’arrêt du système d’exploitation par le menu avec le bouton Shutdown ou en ligne de commande avec les commandes halt ou shutdown, la LED PWR s’éteint pendant que la LED ACT clignote, indiquant l’arrêt du système. Quand la LED PWR se rallume à la fin de la séquence, le système est arrêté et l’alimentation peut être débranchée sans risque.
Surchauffe du processeur
Le SoC du Raspberry Pi 4 est plus chaud que ses prédécesseurs (plus puissant, plus rapide). Il possède un mécanisme de protection qui diminue la vitesse de l’horloge quand la température devient trop élevée, pour tenter de réduire la température. Le ou les noyaux concernés sont alors ralentis.
1. Entre 80 et 85 °C
Pour avertir l’utilisateur, un thermomètre s’affiche dans le coin supérieur droit de l’écran. Il se superpose à tout ce qui peut être affiché sur l’écran. Si la température du SoC est comprise entre 80°C et 85°C, l’icône ci-dessus est affichée.
2. Plus de 85°C
Si la température du SoC est supérieure à 85°C, l’icône ci-dessus s’affiche. Le ou les noyaux ARM et GPU sont ralentis pour tenter de réduire la température du SoC.
Les dimensions physiques du Raspberry Pi 4
Le facteur de forme du Raspberry Pi 4 est identique à celui de ses prédécesseurs Raspberry Pi 2, B+ et 3. La prise Ethernet a migré vers le GPIO. La carte comporte quatre trous de fixation disposés aux angles d’un rectangle de 58 x 49 mm. La fixation de la carte sur un support est simplifiée et cette disposition des trous permet également de monter de façon très stable les cartes d’extension.
Conclusion
Avec cette version du Raspberry Pi, la Fondation amène la carte à la hauteur de ses principaux concurrents, tout en conservant une compatibilité, cependant incomplète, avec les prédécesseurs.
Les précédentes évolutions avaient simplement amélioré les caractéristiques de la carte Raspberry Pi. Avec le Raspberry Pi 4, le processeur plus puissant, la possibilité de choisir la taille de la mémoire, le port Ethernet gigabit et l’USB 3 ont permis à la Fondation de proposer une alternative à un véritable PC bas de gamme.