Obligement - L'Amiga au maximum

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Matériel : Raspberry Pi
(Article écrit par David Massot - juin 2013)


Si les mots Oric, CPC 464, Commodore 64/128, TO7, "Plan Informatique pour Tous" ne vous disent rien, vous êtes sans doute trop jeunes ! :-) Rappelons-nous, "Mode vieux c.. ON" de cette époque où l'informatique balbutiante n'était pas encore standardisée, où fleurissaient de nombreuses machines. Il fallait alors choisir son camp ou les parents le choisissaient pour nous. Les cours d'école se transformaient en zone de joutes verbales où de jeunes paons s'affrontaient sur la supériorité avérée ou imaginée de tel ou tel micro-ordinateur. C'est aussi une époque, avec le manque d'applications et la démocratisation du BASIC où la programmation avait une place de choix, avec les jeux. "Mode vieux c.. OFF".

En 2006, une idée a alors germé dans l'esprit de David Braben, programmeur de cette époque et créateur des fameux jeux Elite et Frontier (sur Amiga notamment) : ramener et encourager la programmation simplement et à moindre coût dans les foyers et les écoles. C'est la raison principale de la création du Raspberry Pi par Eben Upton et son équipe constituée d'instituteurs, d'universitaires et d'ingénieurs (David Braben ayant joué le rôle de mécène).

Le but du Raspberry Pi, comme indiqué plus haut, est d'encourager l'apprentissage de la programmation informatique ; ici, point de recherche de puissance brute ou de création d'une machine complètement autonome comme avec le projet OLPC.

Il est cependant suffisamment puissant pour de nombreuses utilisations annexes et fait par conséquent le bonheur de nombreux hobbyistes électroniciens ou informaticiens. Pourquoi en parle-t-on sur Obligement, magazine traitant de l'Amiga ? Et bien tout simplement parce que le système AROS est en cours de portage depuis quelques semaines et que le Raspberry Pi peut donc maintenant être considéré comme un ordinateur "compatible Amiga".

Le déballage

Le Raspberry Pi, qui a déjà dépassé le million d'exemplaires en terme de vente, peut être initialement commandé sur les sites suivants : Farnell, son extension française Kubii et Radiospares. D'autres sites se sont rajoutés par la suite, des petites entités comme Adafruit ou Vesalia par exemple et des plus gros comme Amazon. Mention spéciale à Adafruit qui est un site marchand vraiment excellent, proposant de nombreux tutoriels et des paquetages tout prêts pour le Raspberry Pi.

Le paquetage est très épuré et la machine (protégée dans un plastique anti-statique) est livrée dans une boîte en carton. La production a atteint un niveau assez élevé, faisant que l'attente d'une commande est assez courte.

Caractéristiques techniques

Le Raspberry Pi est un micro-ordinateur de la taille d'une carte de crédit et est disponible en deux versions, A et B. Voici une image d'un modèle B :

Raspberry Pi

Il est constitué d'un système sur une puce ("System On A Chip") Broadcom BCM2835 qui intègre tous les éléments d'une unité centrale sur un seul circuit intégré et inclut un processeur Arm1176JZF-S équipé d'une unité à virgule flottante cadencé à 700 MHz. Le micrologiciel du Raspberry Pi permet d'ailleurs de surcadencer le processeur jusqu'à 1 GHz. La partie graphique est assurée par un processeur (GPU) VideoCore IV. Enfin, il n'inclut pas de mémoire de masse, celle-ci est assurée par une carte SD permettant le démarrage et le stockage.

Initialement, seul le modèle B était vendu, le modèle A moins équipé et donc moins cher fut proposé début 2013. Le processeur ARM11 a été choisi en raison du rapport qualité/prix de ce processeur.

Il ne possède qu'un seul port USB et n'a pas de contrôleur Ethernet. Il peut toutefois être connecté à un réseau en utilisant un adaptateur USB-Ethernet ou Wi-Fi. En réalité, il n'y a finalement pas de différences entre les deux modèles si le A est équipé d'un adaptateur USB réseau (sauf la taille mémoire car celle du modèle B fut doublée fin 2012).

Nanti de ces circuits, le Raspberry Pi est une machine avec la puissance d'une console de jeux X-Box première du nom, équivalente en gros à un Pentium II 300 MHz avec des capacités graphiques plus performantes. En effet, le processeur graphique apporte la gestion d'OpenGL ES 2.0, la gestion matérielle Open VG et le décodage du Full HD 1080p30 H.264. Il est capable de traiter 24 GFlops (24x10^9 opérations par secondes).

Le Raspberry Pi n'est pas fourni avec une horloge temps réel, par conséquent, les systèmes d'exploitation installés doivent utiliser un serveur d'horloge pour se synchroniser.

Les spécifications techniques détaillées des deux modèles sont les suivantes :

Modèle A
Modèle B
Système sur puce
Broadcom BCM2835 (processeur, puce graphique, DSP, SDRAM et port USB)
Processeur
ARM1176JZF-S à 700 MHz (famille ARM11)
Processeur graphique
Broadcom VideoCore IV
OpenGL ES 2.0 (24 GFlops)
MPEG-2 et VC-1 (sous licence), 1080p, encodage et décodage H.264/MPEG-4 AVC
Mémoire (SDRAM)
256 Mo (partagée)
512 Mo (partagée) depuis le 15 octobre 2012
Ports USB 2.0
1
(directement depuis la puce BCM2835)
2
(via le concentrateur USB trois ports)
Entrée vidéo
Connecteur CSI permettant la connexion du module caméra RPF
Sorties vidéo
Composite RCA (PAL et NTSC), HDMI 1.3 et 1.4
14 résolutions HDMI de 640x350 à 1920x1200
Sorties audio
Sortie audio Jack 3,5 mm, audio I2S
Interface de stockage
Port carte SD/MMC/SDIO (3,3 Volts uniquement)
Interface réseau
Aucune
Port Ethernet 10/100 Mbps connecté au troisième port du concentrateur USB
Périphériques bas niveau
8× GPIO, liaison série UART, bus I2C, bus SPI, audio I2S, +3.3 V, +5 V, masse
Puissance
300 mA (1,5 W)
700 mA (3,5 W)
Source d'alimentation
5 volts via Micro USB ou broches du GPIO
Taille
85,60x53.98 mm
Poids
45 g

Raspberry Pi

Systèmes d'exploitation et logiciels disponibles

Les systèmes d'exploitation suivants sont fonctionnels ou en cours de portage :

Systèmes d'exploitation complets :
  • AROS.
  • Haiku.
  • Linux.
    • Android (Android 2.3 "Gingerbread" et Android 4.0 "Ice Cream Sandwich")
    • Arch Linux ARM.
    • R_Pi Bodhi Linux.
    • Debian ARM portage d'architecture (étant donné qu'il est compilé pour processeur ARMv7 et celui du Rasberry Pi est ARMv6).
      • Raspbian (Debian 7 Wheezy ARMhf modifiée pour processeurs ARMv6).
    • Firefox OS.
    • Gentoo Linux.
    • Google Chromium OS.
    • PiBang Linux.
    • Raspberry Pi Fedora Remix.
    • Slackware ARM (anciennement ARMedslack).
    • QtonPi, une application multiplate-forme basée sur une distribution Linux et la bibliothèque QT.
    • WebOS et Open WebOS.
  • Plan 9 de Bell Labs.
  • Risc OS.
  • Unix.
    • FreeBSD.
    • NetBSD.
Distributions "légères" multi applications :
  • Moebius, basée sur Debian qui tient sur une carte SD de taille 1 Go. Elle propose des services minimum.
  • OpenWrt 12.09.
  • Squeezes ARM Puppy, une version de Puppy Linux compilée spécialement pour le Raspberry Pi.
Distributions "légères" mono application (Media Center par exemple) :
  • IPFire.
  • OpenELEC.
  • Raspbmc.
  • XBMC.
  • XBian.
Comme vous pouvez le voir, le choix est important. Le gros avantage du Raspberry Pi est que l'on peut interchanger les cartes SD pour essayer des systèmes différents, ou le même mais optimisé pour différentes utilisations.

Mais si de nombreux systèmes d'exploitation sont proposés, peu sont officiellement gérés par l'équipe Raspberry Pi. Ces derniers sont fournis en image disque qui devront être écrites sur des cartes SD de taille minimale de 2 Go. Pour les débutants, un wiki très complet est disponible.

Les systèmes d'exploitation gérés sont les suivants : Raspbian "Wheezy", l'image recommandée, qui est une distribution dérivée de Debian, Soft-float Debian "Wheezy" pour être utilisée avec des logiciels comme la machine virtuelle Java Oracle, Arch Linux ARM basée sur Arch Linux mais peu recommandée pour les débutants, Pidora qui est une distribution Fedora Remix optimisée pour le Rasberry Pi et enfin Risc OS en version Open Source créé initialement en 1987 par la société Acorn.

La distribution en vogue, Raspbian est fournie avec tout un panel de logiciels du monde Unix (terminal, navigateur Midori...) et le gestionnaire de fenêtres LXDE réputé pour son côté léger. Son orientation programmation apporte le langage Python, déclaré langage officiel de la machine et Scratch pour initier les plus jeunes. Assembleur, C, C++ et bien d'autres langages sont aussi de la fête. Le magasin en ligne Pi Store, s'étoffe petit à petit.

Signalons que la partie graphique de toutes les distributions Linux n'est pour l'instant pas optimisée, le serveur X n'utilise donc pas en ce moment le VideoCore IV mais le processeur ARM pour gérer l'affichage occasionnant des lenteurs. Un pilote X optimisé était en développement, mais le manque d'information sur la puce Broadcom (il faut signer un accord de confidentialité pour obtenir la documentation) et la difficulté ont fait que le principal développeur semble avoir abandonné le développement. Il a d'ailleurs disparu des forums sans laisser de traces, à croire qu'il travaillait aussi avec l'équipe Natami :-). Une solution alternative prometteuse, appelée Weston, est en cours de développement et est actuellement disponible en version alpha sur la dernière image Raspbian.

Raspberry Pi

Périphériques et accessoires

Le Raspberry Pi peut être branché sur un large panel d'écran : télévision par le port HDMI ou la sortie composite, moniteurs compatibles HDMI/DVI (pour les moniteurs VGA, un adaptateur est nécessaire), pico-projecteurs HDMI/DVI... Il est à noter que les sorties composite et HDMI ne peuvent pas être utilisées en même temps.

Ce micro-ordinateur gère aussi un très large choix de périphériques USB : claviers, souris, concentrateurs USB, adaptateurs Wi-Fi, Bluetooth et Ethernet, cartes son, récepteurs 3G et infrarouge, webcams, périphériques radio, lecteurs multicartes... (tout ce que le noyau Linux propose en fait). Une liste complète présentant les périphériques et leurs problèmes éventuels est disponible ici.

Les interfaces bas niveau (DSI, CSI ou GPIO "General Purpose Input Output") permettent aussi l'utilisation de nombreuses cartes d'extension pour des applications diverses et variées : éducation, protection et LED, moteurs et robotique, domotique, connexion avec les cartes Arduino... Les plus célèbres interfaces sont la carte Camera CSi proposant un capteur de 5 mégapixels, les cartes d'extension multi-application comme la Piface (ci-dessous à droite) ou la Gertboard (ci-dessous à gauche) qui est une concurrente aux cartes Arduino et propose d'accéder aux entrées sorties du Raspberry Pi et l'accès à un micro-contrôleur ATMEL ATMegs 328p. La Gertboard apporte de plus la protection des broches du GPIO qui sont directement connectées au processeur ARM. En effet, celles-ci doivent être alimentées avec du 3,3 V alors que bien d'autres composants actifs nécessitent du 5 V.

Raspberry Pi

Raspberry Pi

Enfin, de nombreux boîtiers de protections sont aussi en vente, boîtiers aux couleurs acidulées, minimalistes, avec des facilités d'accès au GPIO par exemple.

Raspberry Pi Raspberry Pi

En le livrant nu, l'équipe Raspberry Pi fait le pari du recyclage des périphériques. Une blague courante consiste à dire que le Raspberry Pi est une machine peu chère dont le prix double avec les périphériques qu'il faut lui adjoindre. :-)

Mesures et comparaisons

Toutes les mesures suivantes ont été réalisées (par Trouch.com) sur un Raspberry Pi modèle B (512 Mo de mémoire vive). Des programmes utilisant les technologies suivantes ont été testés : GCC, machine virtuelle Oracle JVM, OpenJDK Zero VM, JamVM, Python sur les plates-formes suivantes :
  • Raspberry Pi 700 MHz - 512 Mo de mémoire.
    • Debian Wheezy Soft-float avec le JDK7 Oracle (gestion logicielle des nombres à virgule ou flottants).
    • Raspbian Wheezy (Hard-float) avec le JDK8 Oracle (gestion matérielle des nombres à virgule ou flottants).
  • Téléphone Wiko Cink Slim - ARM double coeur 1 GHz - 512 Mo de mémoire.
    • Android 4.0.
  • Ordinateur portable Dell E6400 - x86 double coeur (Dual Core pré Core Duo) - 2 Go de mémoire.
    • Ubuntu 12.10.
Comparaison des technologies

Raspberry Pi

Ici, avec la résolution d'une boucle de 100 grilles de Sudoku (en mode difficile), nous pouvons voir que le code optimisé pour GCC est plus rapide que nous le pensions pour le Raspberry Pi. La JVM Oracle est assez rapide aussi. Par contre, le programme écrit en Python explose tous les compteurs indiquant qu'il y a peut-être un problème sur le système d'exploitation du Raspberry Pi ou un problème général avec le processeur ARM. Dans ce cas présent, les tests n'ont pu être réalisés avec le téléphone.

Raspberry Pi

Lors du test du produit de deux matrices 100x100, les résultats sont du même ordre.

Comparaison de plates-formes

Dans ce cas, les temps sont mesurés de la même manière mais groupés par technologies pour comparer les plates-formes.

Raspberry Pi

Raspberry Pi

Nous pouvons voir que la machine virtuelle Java d'Oracle a les mêmes performances que l'on soit en mode Hard-float ou Soft-float sur le Raspberry Pi. Avec un traitement purement en entiers, nous remarquons que la réduction du temps d'exécution sur plate-forme ARM est proportionnelle à l'augmentation de la fréquence. Mais avec un traitement basé sur les flottants, le Raspberry Pi peut être plus rapide que le téléphone grâce à la gestion matérielle des nombres flottants même à une fréquence moindre. Sur le Raspberry Pi, la gestion matérielle des flottants multiplie les performances par 2 !

Nous pouvons aussi voir les différences entre l'architecture x86 et ARM, l'ordinateur portable a des temps d'exécution vingt fois supérieurs avec une fréquence doublée.

Raspberry Pi

Enfin, la génération de clé RSA avec OpenSSL confirme bien le gain de performance en passant le Raspberry Pi en mode Hard-float.

Sur un registre plus ludique, le Raspberry Pi peut afficher Quake 3 en haute définition 1080p avec l'anticrénelage x4 activé avec une vitesse respectable de 10-30 images par secondes. Avec des réglages plus modestes (en supprimant l'anticrénelage par exemple), Quake 3 est tout à fait jouable.

Comme indiqué plus haut, le Raspberry Pi peut décoder de la video haute définition 1080p à 30 images par secondes, mais il faut aussi être conscient des points suivants : si le média utilise les codecs VC1 ou MPEG-2, une licence supplémentaire doit être achetée pour activer le décodage matériel de ces codecs. Le Pi n'est pas suffisamment puissant pour décoder le DTS ou le Dolby Digital 5.1 (AC3) à la volée, mais il n'a par contre aucun problème pour passer le flux via le HDMI vers un décodeur DTS ou AC3.

Ces différents tests confirment bien les comparaisons faites plus haut. Nous pouvons aussi retenir que le portage de Python sur machine ARM est peu optimisé (un comble alors que ce langage a été choisi à juste titre comme référence vu qu'il est très accessible, un peu comme le BASIC en son époque). Compte tenu des performances, Java est une alternative très intéressante pour avoir le meilleur rapport facilité/performance de programmation. Ensuite, il est vrai que le Raspberry Pi n'est pas suffisamment puissant pour exécuter des environnements de développement Java comme Eclipse par exemple (pas la peine on peut tout faire avec Emacs/vi, rayez la mention inutile ! ;-)).

Pour aller plus loin

Le Raspberry Pi est initialement prévu pour une utilisation dans le monde de l'éducation avec une forte composante "programmation". L'importante communauté qui est née autour de lui apporte chaque jour de nouvelles utilisations : Media Center avec Raspbmc ou OpenELEC par exemple, machine dédiée au jeu vidéo rétro avec ChameleonPi, découverte ou redécouverte de l'électronique avec le GPIO et ses applicatifs en domotique, robotique, informatique... Le site de Korben, par exemple, donne une liste de plus de cinquante idées pour votre Raspberry Pi.

De nombreux sites, blogs proposent des exemples de projets, de codes. Si la programmation du GPIO vous intéresse, le blog de Gordon Henderson par exemple présente des articles intéressants. Enfin, un magazine mensuel gratuit au format PDF, The MagPi a aussi été créé. Il est aussi disponible au format papier (son contenu s'adresse principalement aux débutants).

Conclusion

Le succès a bien été au rendez-vous ! Le Raspberry Pi était tant attendu que les deux premiers sites de vente ont été pris d'assaut le jour de la sortie et sont tombés immédiatement dès l'ouverture. La production a maintenant atteint un rythme de croisière, celle-ci est prise en charge par une compagnie chinoise et par Sony au Royaume-Uni.

Même si le Raspberry Pi a fait des émules des fois plus puissant et complètement libres (la partie matérielle n'étant pas complètement Open Source), son prix, sa faible consommation électrique ont attiré de nombreuses personnes. Le développement de sa communauté est sans précédent étant donné que les possibilités de communication avec Internet sont sans limites. Station de travail, outil pour l'éducation, ordinateur multimédia (surtout quand Weston sortira), le Raspberry Pi peut revêtir un grand nombre de rôles et en changer aussi simplement qu'un changement de carte SD. Il est aussi devenu une machine chérie des bidouilleurs en tout genre.

Sources
Nom : Raspberry Pi.
Constructeur : Raspberry Pi Foundation.
Genre : micro-ordinateur.
Date : 2012.
Prix : 23 euros (modèle A) ou 33 euros (modèle B).


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