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Raspberry Pi 4 modelo B
Introducción
La Raspberry Pi 4 salió al mercado el 24 de junio de 2019. Es la sucesora de la Raspberry Pi 3 B+.
La Raspberry Pi existe en cuatro versiones:
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La Raspberry Pi Zero (65 x 30 mm) con formato de billete de metro.
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La Raspberry Pi A (65 x 56 mm) con un formato cuadrado.
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La Raspberry Pi B (85 × 56 mm) con formato de tarjeta de crédito.
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La Raspberry Pi 400 integra una Raspberry Pi 4 en un teclado (285 x 120 mm).
El mantener un precio de 35 USD (alrededor de 40 € en España) para la versión que presenta 2 GB de memoria ha sido lo que ha guiado las elecciones tecnológicas y las evoluciones de esta versión de la Raspberry Pi.
La Raspberry Pi 4 reúne en una tarjeta de 85 × 56 mm todos los componentes necesarios para hacer funcionar un sistema operativo (Linux) y de esta manera usarla como un PC.
Las herramientas básicas se encuentran disponibles en la mayoría de las distribuciones: procesador de texto, hoja de cálculo, juegos, navegador de Internet.
Los creadores de material como las impresoras 3D, aparatos controlados por radio (vehículos, drones, helicópteros…) encuentran en la Raspberry decenas de usos insólitos, a veces inútiles y por lo tanto absolutamente necesarios.
Pero sobre todo, lo que motivó la creación de la Raspberry Pi fue una voluntad de poner a disposición de los niños...
Los componentes de la Raspberry Pi 4
1. Vista desde arriba
Se pueden ver los componentes principales de la Raspberry Pi 4 en la imagen anterior. El procesador se encuentra dentro de una caja metálica que asegura una mejor disipación del calor con respecto a los modelos anteriores, que era de cerámica.
El circuito Wi-Fi-Bluetooth se encuentra bajo una carcasa metálica que sirve también para blindarlo. En este módulo no hay muchas modificaciones con respecto a las versiones anteriores. El conector PoE (Power on Ethernet: alimentación a través de Ethernet) se encuentra cerca del conector Ethernet. Está destinado a recibir una tarjeta que asegurará la alimentación de la Raspberry Pi a través del cable de red.
Los chips RUN y Masa, anteriormente usados para el RESET del microprocesador, se han reunido en un chip Global_EN que sirve para poner el microprocesador en stand by para reducir su consumo. La masa está conectada al chip central. Si necesita más información, diríjase a la sección La alimentación de la Raspberry Pi 4 de este mismo capítulo.
2. Vista desde abajo
Debajo de la tarjeta de la Raspberry Pi 4, el componente principal es el conector de la tarjeta micro SD. Su reducido espesor, inferior a la longitud de los pines del GPIO y de las diferentes tomas soldadas en la tarjeta no ocasiona ninguna molestia para poder introducir...
El SoC de la Raspberry Pi 4
1. La CPU
La Raspberry Pi 4 está equipada con un SoC BCM2711B0. Este SoC (System on a Chip: sistema en un chip) incluye casi todos los componentes necesarios para la realización de un sistema completo: los periféricos así como los gestores de bus (SPI, I²C…).
El BCM2711B0 es parecido al BCM2837 usado en las otras versiones de la Raspberry Pi. Este procesador reemplaza los ARM Cortex-A53 de las versiones anteriores. Contiene un procesador de 4 núcleos de 64 bits, pero esta vez se ha elegido una CPU Cortex A72 a 1,5 GHz.
En las pruebas básicas (Linpack), el SoC de la Raspberry Pi 4 muestra un aumento de velocidad de entre tres y cuatro veces superior con respecto al modelo anterior. Este resultado es poco significativo, sin embargo, pruebas más completas muestran una mejora cercana al 30 % en velocidad de ejecución.
El BCM2711B0 está equipado con un disipador de calor metálico como en la Raspberry Pi 3 B+. Este componente asegura una mejor evacuación del calor.
2. El GPU
El circuito gráfico VídeoCore VI tiene una cadencia de 500 MHz. Ahora soporta la descodificación de vídeo H.265 en 4K/60 imágenes por segundo. Esta tarjeta tiene un rendimiento de dos a tres veces mayor que la de la generación anterior y soporta OpenGL ES 3.0 (Open Graphics Library for Embedded System: biblioteca gráfica...
Los puertos USB y Ethernet de la Raspberry Pi 4
1. USB 3 y USB 2
La Raspberry Pi 3 tiene un hub USB/Ethernet conectado a la salida USB 2 de la CPU, lo que representa un cuello de botella ya que todas las comunicaciones comparten la misma línea.
Con la Raspberry Pi 4, la Fundación introdujo un hub USB 3 dotado de un bus PCI Express. Esto elimina las limitaciones sufridas con el USB en las versiones anteriores.
El comando lspci, instalado gracias al comando
sudo apt-get install pciutils permite mostrar las características de la conexión 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) El circuito instalado en la tarjeta es un VL805 de VIA Labs. Ofrece cuatro puertos USB 3. La Fundación eligió dotar a la Raspberry Pi 4 de dos puertos USB 3 y dos puertos USB 2.
2. Ethernet Gigabit
La Raspberry Pi 4 dispone de un «verdadero» puerto Ethernet de 1 Gbit/s directamente conectado a la CPU, sin pasar por un HUB USB como en las versiones anteriores. El puerto Gigabit Ethernet se basa en un circuito Broadcom BCM54213. Este circuito gestiona todas las funciones de la capa de red física en 1000BASE-T, 100BASE-TX y 10BASE-T EEE (Energy Efficient Ethernet) 802.3az. Integra un circuito de WOL (Wake On LAN: despertar o encender a través de Ethernet) que permite contemplar una activación...
El Wi-Fi y el Bluetooth de la Raspberry Pi 4
La Raspberry Pi 4 contiene un circuito con funciones Wi-Fi 802.11ac con bandas de frecuencia de 2,4 GHz y 5 GHz, así como de comunicación simultánea Bluetooth 5.0 y Bluetooth Low Energy (BLE). El circuito está cubierto con una tapa metálica que lo protege de perturbaciones electromagnéticas (EMI). Se trata de un circuito Cypress CYW43455.
La antena elegida por la Fundación vuelve a ser un alojamiento asignado (licencia Proant Niche antenna). Esta elección permite conservar un coste reducido: la antena es una simple forma de triangulo dibujada en el circuito impreso.
El Wi-Fi y el Bluetooth pueden funcionar de manera simultánea. Esto permite, por ejemplo, poder ver un vídeo en línea usando el Wi-Fi, enviando el sonido a la vez hacia un altavoz Bluetooth.
Las salidas de vídeo de la Raspberry Pi 4
La Raspberry Pi 4 presenta 3 salidas de vídeo:
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Una salida de vídeo compuesto (analógica).
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Dos salidas HDMI (High Definition Multimedia Interface: interfaz multimedia de alta definición).
Las salidas analógicas y HDMI no pueden funcionar simultáneamente. En la Raspberry Pi 4, la salida de vídeo analógica está desactivada por defecto. Habrá que reiniciar la tarjeta si se desea cambiar la salida de vídeo. Se puede forzar la salida de vídeo analógica en el archivo config.txt con el comando enable_tvout=1.
El uso de la salida analógica degrada ligeramente el rendimiento de la Raspberry Pi 4 ya que tiene que haber una adaptación de los relojes del sistema para el funcionamiento de esta salida.
1. Vídeo digital
El conector HDMI es una interfaz de audio/vídeo totalmente digital. Remplazó al Euroconector analógico en el material electrónico de consumo capaz de mostrar vídeo HD hacia el año 2005.
En la Raspberry Pi 4, hay dos conectores micro HDMI disponibles. Pueden proporcionar vídeo de calidad de hasta 4K. El puerto activado por defecto es el HDMI0. Es capaz de proporcionar vídeo de calidad 4K60p. En el caso de que haya dos pantallas conectadas, el máximo disponible será dos veces 4K30p.
Es preferible utilizar cables micro HDMI - HDMI en lugar de adaptadores micro HDMI - HDMI, porque los adaptadores son anchos y a veces no permiten conectar tomas en los dos puertos.
La Raspberry Pi 4 puede gestionar hasta dos pantallas, con una resolución de hasta 1080p y una frecuencia de refresco de 60 Hz. En la resolución 4K, si conecta dos pantallas, está limitado a una frecuencia de refresco de 30 Hz. También puede gestionar una sola pantalla en 4K con una frecuencia de refresco de 60 Hz: para ello, la pantalla tiene que estar conectada al puerto HDMI más cercano a la entrada de alimentación USB-C (etiquetada HDMI0). También tiene...
Las salidas de audio de la Raspberry Pi 4
1. Audio digital
La salida de audio digital se hace a través del puerto HDMI en formato 5.1. El audio está combinado con el vídeo.
Si su pantalla indica que posee altavoces, el sonido se transmitirá por defecto a la salida HDMI; en el caso contrario, será transmitido por la toma analógica. También puede forzar manualmente la salida usando la herramienta raspi-config, en el archivo config.txt o haciendo clic derecho en el icono con forma de altavoz, en la parte superior a la derecha de la barra de tareas.
2. Audio analógico
La salida de audio analógica se hace mediante un jack estéreo de 3,5 mm con cuatro polos. Esta salida da una señal de alrededor de 1 voltio entre dos crestas de la curva. Esta señal es demasiado débil para que se pueda utilizar con unos auriculares o altavoces. Por lo tanto, habrá que usar un amplificador.
En la Raspberry Pi 4, el audio digital está seleccionado por defecto. Para usar la salida analógica, tendrá que modificar la configuración.
Para simular el audio analógico, la Raspberry Pi produce una señal digital de tipo PWM (Pulse Width Modulation: modulación del ancho de la impulsión). La señal está codificada en 11 bits (los CD de audio están codificados en 16 bits), lo que puede ser conveniente para aplicaciones...
El bus CSI de la Raspberry Pi 4
El bus CSI-2 (Camera Serial Interface: bus serie para cámara) es un bus estándar, definido por la alianza MIPI (Mobile Industry Processor Interface: interfaz de procesador para la industria móvil) que agrupa a más de 200 empresas que intervienen en el sector de los terminales móviles. MIPI define el bus que enlaza los diferentes componentes inetgrados en los dispositivos móviles.
Ya que el SoC de la Raspberry Pi 4 proviene de la telefonía móvil, dispone de un bus CSI. En este bus es compatible con un conector de cámara que responda a esta norma.
El bus CSI está situado entre el conector de audio/vídeo analógico y el conector HDMI1 (foto de arriba). Ha sido concebido para recibir directamente el cable que proviene del módulo de la cámara. Se puede ver el texto "Camera" al lado del conector CSI.
El bus CSI contiene los elementos siguientes:
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Un bus de control derivado del estándar I²C (Inter Integrated Circuit: bus de circuitos inter-integrados) que fue usado en los años 1980 por Philips para la comunicación entre los microprocesadores y los circuitos anexos incluidos en sus televisores, reproductores de vídeo… Se ha convertido en un estándar industrial para la comunicación entre los circuitos integrados. El bus I²C contiene dos señales: SDA (Serial DAta: línea...
El bus DSI de la Raspberry Pi 4
Como el CSI, el bus DSI (Display Serial Interface: interfaz serie para pantalla) es una especificación de la alianza MIPI. Su objetivo es reducir el precio de las pantallas utilizadas en los dispositivos móviles. Su estructura es parecida a la del bus CSI, excepto porque las líneas de datos salen del SoC y van hacia la pantalla. El conector DSI (ver foto inferior) está situado en un extremo de la tarjeta de la Raspberry Pi, cerca del GPIO. Permite conectar una pantalla LCD gracias a un cable plano.
El texto "Display" aparece al lado del conector CSI. El bus DSI está dirigido por el GPU. La Fundación sacó al mercado una pantalla táctil oficial que utiliza este puerto DSI a principios de septiembre de 2015. Esta pantalla táctil tiene una definición de 800 x 480 píxeles a 60 fps y ofrece una buena calidad de imagen.
En la foto anterior, una Raspberry Pi 3 está conectada usando el puerto DSI a la tarjeta de control de la pantalla táctil oficial. Es una pantalla de 7 pulgadas (18 cm) de diagonal con un tamaño de alrededor de 155 mm x 86 mm.
La pantalla consume hasta 470 mA además del consumo de la Raspberry Pi. Será necesario preparar una alimentación potente de, al menos 3 A.
El GPIO de la Raspberry Pi 4
Presentación del GPIO
El GPIO (General Purpose Input/Output: entrada/salida de uso general) es una interfaz que permite conectar la Raspberry Pi 4 al mundo real. Se trata del conector identificado como J8 y GPIO. Es idéntico al GPIO de los modelos anteriores y mantiene la compatibilidad para el hardware de tipo HAT.
El puerto GPIO está compuesto por 40 pines, repartidos en dos filas de 20 pines, separadas por 2,54 mm (0,1 pulgadas). Se puede identificar fácilmente el terminal n° 1 gracias a un pad cuadrado.
El GPIO se sitúa entre dos orificios de fijación de la Raspberry Pi 4, al lado de los componentes de la tarjeta. Si posiciona la tarjeta con el puerto GPIO hacia arriba, el pin con el número 1 es el que se encuentra más cerca de la protección del circuito Wi-Fi, con el logotipo de Raspberry Pi en relieve.
El pin 2 está situado en el borde de la tarjeta, al lado del pin 1. En el otro extremo de la fila de conectores, el pin 39 está al lado del bloque de 4 pines (donde está el texto PoE). El pin 40 se encuentra en el borde de la tarjeta. Todos los pines impares se encuentran entre el pin 1 y el pin 39. Los pines pares están situados a lo largo del borde de la tarjeta.
Una novedad de la Raspberry Pi 4, es que ahora hay puertos de serie adicionales con cuatro nuevos UART:
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UART 2 TxD, RxD, CTS...
La alimentación de la Raspberry Pi 4
1. La toma de alimentación
La alimentación de la Raspberry Pi 4 ha sido modificada con respecto a los modelos anteriores. Ahora usa una toma USB-C (ver foto inferior). No hay interruptor de marcha/paro y el hecho de insertar o retirar el cable USB-C hace que se encienda o se apague la Raspberry.
Los diseñadores de la tarjeta Raspberry Pi 4 original cometieron un error cuando la diseñaron al reemplazar las dos resistencias por una sola, lo que impide el funcionamiento normal de la toma USB-C con algunos cargadores. Este defecto existe en las tarjetas originales y se debería corregir en las series siguientes.
La mayoría de los cargadores USB-C 5 V/3 A baratos disponibles en los sitios web funcionan correctamente con la Raspberry Pi 4. No obstante, habría que comprobar la compatibilidad antes de comprar.
Este defecto no existe en las últimas versiones de la Raspberry Pi 4.
El hecho de haber pasado de una toma micro USB a una toma USB-C para el conector de alimentación permite proporcionar una corriente adiconal de 500 mA. Ahora hay una corriente de 1,2 A disponible para los dispositivos USB conectados. Esto es cierto incluso con una gran carga CPU y debería mejorar el comportamiento de la alimentación cuando se conecte un dispositivo USB que consuma mucha corriente.
Las exigencias en términos de valores de la tensión de alimentación y de calidad del cable USB son grandes. La alimentación con fuente conmutada (ver foto superior) utilizada en la Raspberry Pi 4 es un modelo especialmente creado para esta tarjeta. El regulador de la fuente conmutada controla él solo varias alimentaciones y posee un alto rendimiento (cerca del 90 % en carga). Prácticamente no disipa calor.
Es importante que la tensión de entrada sea igual (o ligeramente superior) a 5 voltios. Algunos adaptadores suministran una tensión ligeramente inferior a 5 voltios. La conexión de dispositivos USB en la Raspberry Pi provoca una importante demande de corriente que hace caer momentáneamente la tensión suministrada. En algunos casos, esto puede provocar el reinicio de la Raspberry Pi a pesar de las protecciones existentes. Además, el uso de un cable USB de mala calidad entre el bloque de alimentación y la toma USB-C de la Raspberry Pi puede incluso...
El conector de la tarjeta micro SD de la Raspberry Pi 4
Situado bajo la tarjeta de la Raspberry Pi 4, el conector está previsto para recibir un tarjeta micro SD.
La Fundación ha indicado que la velocidad de acceso a la tarjeta micro SD ha pasado de 25 Mb/s (Raspberry Pi 3) a 50 Mb/s en este modelo.
Como en la Raspberry Pi 3 B+, el conector es de tipo "push-pull". No hay bloqueo mecánico cuando se inserta la tarjeta; para sacarla basta con tirar de ella.
Precaución: con algunas carcasas, la tarjeta micro SD llega a tropezar con el borde de la carcasa. Pasa con la carcasa "oficial". Hay que sacar la tarjeta micro SD antes de sacar la Raspberry Pi 4 de la carcasa. En caso contrario, la tarjeta puede romperse y quedar inservible.
Problema de arranque
Si su Raspberry Pi 4 no arranca, es posible que la memoria EEPROM integrada en la tarjeta esté corrompida.
Para comprobarlo, desconecte la tarjeta SD, desenchufe el aparato de la corriente y vuelva a enchufarlo. Si LED verde no parpadea, tiene que reprogramar la EEPROM.
Descargue el Raspberry Pi Imager en la página: https://www.raspberrypi.org/downloads
Elija el bootloader seleccionando Misc utility images, después Bootloader y por último SD Card Boot. Grabe el bootloader en la tarjeta micro SD.
Inserte de nuevo la tarjeta en su Raspberry Pi 4. Conecte la alimentación y espere por lo menos 10 segundos. El LED verde parpadea rápida e indefinidamente. Si hay una pantalla HDMI conectada, se iluminará en verde.
Esta operación copia el bootloader que se encuentra en la tarjeta micro SD en la EEPROM de la Raspberry Pi 4.
Vuelva a poner la tarjeta Raspberry Pi OS y la Raspberry Pi 4 deberá arrancar.
En caso de problemas durante la copia, el LED parpadea según un código (ver Los LED de estado de la Raspberry Pi 4) y si hay una pantalla HDMI conectada, se iluminará en rojo.
Si hay un problema de lectura de la tarjeta micro SD o no está insertada, aparecerá el mensaje siguiente:
Los LED de estado de la Raspberry Pi 4
1. Descripción
La Raspberry Pi 4 está equipada con dos LED de estado, que se pueden ver aquí arriba, cerca del borde de la tarjeta. El LED que se encuentra más a la derecha es el LED PWR (Power: Alimentación). Se enciende cuando una tensión de 5 voltios es aplicada en la toma micro USB de alimentación. Cuando la tensión disminuye por debajo de 4,75 voltios se apaga e indica un problema de alimentación.
El LED ACT a la derecha en la imagen de arriba indica la actividad de la Raspberry Pi 4, es decir, el acceso a la tarjeta micro SD. El LED se enciende cuando se accede a la tarjeta. Si no introduce ninguna tarjeta micro SD, parpadeará en secuencias de cuatro veces.
Cuando se para el sistema operativo usando el botón Shutdown del menú o mediante los comandos halt o shutdown en la línea de comandos, el LED PWR se apaga mientras que el LED ACT parpadea indicando el paro del sistema. Cuando el LED PWR vuelve a encenderse al final de la secuencia, el sistema se para y se puede desconectar la alimentación sin riesgos.
2. Mensaje de error
Si una Raspberry Pi 4 no consigue iniciarse por alguna razón o si tiene que apagarse, en muchos casos, un LED parpadeará un número específico de veces para indicar lo que ha pasado. El LED produce un cierto número de parpadeos largos (0 o más), y después...
Las dimensiones físicas de la Raspberry Pi 4
El factor de forma de la Raspberry Pi 4 es idéntico al de sus predecesoras Raspberry Pi 2, 3B+ y 3. La toma Ethernet se ha desplazado hacia el GPIO. La tarjeta tiene cuatro agujeros de fijación colocados en los ángulos de un rectángulo de 58 x 49 mm. La fijación colocados de la tarjeta en un soporte está simplificada y esta disposición de agujeros permite también montar de manera muy estable tarjetas de extensión.
Conclusión
Con esta versión de la Raspberry Pi, la Fundación ha llevado esta tarjeta al mismo nivel que sus principales competidores, conservando una cierta compatibilidad, aunque incompleta, con sus antecesoras.
Las evoluciones anteriores simplemente habían mejorado las características de la Raspberry Pi. Con la Raspberry Pi 4, el procesador más potente, la posibilidad de elegir el tamaño de la memoria, el puerto Ethernet gigabit y el puerto USB 3 han permitido que la Fundación pueda proponer una alternativa real a los PC de gama baja.