作者：陸向陽
近期樹莓派基金會發表一片新板子，名為Raspberry Pi Pico，它不相容於過往的Raspberry Pi ，為何基金會要推出一個不相容品？本文將對此進行探討。
圖1 只有4美元的新板卡Raspberry Pi Pico。（圖片來源：樹莓派基金會）
回應MCU應用需求
Raspberry Pi Pico非常便宜，僅4美元！
Raspberry Pi Pico的推出，估計是基金會回應長期以來，創客用Raspberry Pi 進行控制應用的需求反應。由於Raspberry Pi 上有26/40個GPIO接腳，可用來連接按鈕、燈號，或間接驅動喇叭、馬達等，但整體而言Raspberry Pi 依然不適合拿來做這些本來屬於微控制器（MCU）領域的應用。
例如Raspberry Pi 怎樣運作也要耗約100mA電流，對控制應用而言還不夠省電；或即便不透過作業系統，由控制程式直接掌控硬體，其控制反應也還是不夠即時；此外Raspberry Pi 也缺乏MCU上幾乎基本配備的類比數位轉換器（ADC），或俗稱類比輸入（Analog Input）。
為了回應上述需要，基金會與晶片商合作共同推出了名為RP2040的控制器晶片，以此晶片建構成Raspberry Pi Pico。
RP2040晶片解析
Raspberry Pi Pico的核心在RP2040晶片，該晶片接受1.8～5.5V的寬裕範圍運作電壓，言下之意只要2顆或3顆AA電池就可運作，供電設計簡便許多。晶片上有2個UART、2個SPI、2個I2C、16個PWM、8個可程式化輸入輸出的狀態機，共計30個GPIO接腳，並有4個類比輸入。晶片也支援USB 1.1介面，程式寫入可以如同電腦使用者把檔案丟入USB隨身碟那麼簡單直覺。
接腳與介面是晶片的週邊電路，核心部分則有2個Cortex-M0+核心，時脈133MHz，記憶體則為264KB SRAM，儲存則是可透過QSPI介面外接快閃記憶體，最高容量達16MB。其他對晶片、板卡應用者而言比較不重要的是半導體技術資訊，包含使用40奈米製程、裸晶面積2平方公釐、封裝為7 x 7公釐QFN-56等。
值得一提的是，RP2040的晶片編號是有意涵的，RP當然是Raspberry Pi的簡稱，2為兩個核心，0指Cortex-M0+，4則是用一個公式floor(log2(ram/16k))而得到，即floor(log2(264k/16k))，最後的0也是相同的函式，但是是計算晶片內的儲存記憶體容量，由於全部在晶片外，所以晶片內是零，故數字為0。
圖2 RP2040晶片的編號意涵。（圖片來源：樹莓派基金會）
雖然樹莓派不是第一次使用獨家晶片，打從2015年的BCM2836、2016年的BCM2837即屬獨家供貨，然基金會還是很打趣的說：每個水果公司都會打造自己的矽晶片，言下之意是指Apple跟Raspberry Pi自己，故稱Raspberry Si（Si=Silicon，晶片的俗稱）。樹莓派宣稱RP2040晶片是從過去Sense HAT到Raspberry Pi 400等開發經驗中習得的經驗所打造成。
軟體解析
既然RP2040晶片運算力、硬體資源遠遠不及Raspberry Pi，自然不可能跑什麼Raspberry Pi OS（昔為Raspbian）、Ubuntu Linux或其他本來在Raspberry Pi上的OS，而是直接執行開發撰寫成的控制程式，撰寫方式主要有二，簡單點的作法是用MicroPython，技術一點則用C。
若選擇MicroPython則有Thonny IDE的初學者整合開發環境可用，若選擇C則可用gcc，或者是Visual Studio Code。為了讓MicroPython在RP2040晶片上有更好的執行表現，基金會特別與MicroPython作者、Thonny IDE作者合作，請他們在新版MicroPython、Thonny IDE上增強對RP2020的支援。
圖3 適合初學者的Python整合開發環境Thonny IDE（圖片來源：Thonny官網）
進一步的，由於RP2040大幅減弱運算力，晶片內沒有硬體浮點運算單元，然而即便是簡單的物聯網應用都可能會用及浮點運算，因此也有配套補強方案，基金會與浮點運算函式庫Qfplib的作者聯繫，推出針對RP2040晶片最佳化的浮點運算函式庫，此函式庫比gcc的浮點運算函式庫更快速。
Raspberry Pi Pico解析
了解RP2040晶片後再進一步了解以晶片構成的Raspberry Pi Pico板卡。雖然RP2040可外接最多16MB儲存，但Raspberry Pi Pico上僅有2MB，然後30個GPIO接腳在板上有26個可用，4組類比輸入在板上有3組可用。板上還有一個USB埠、一個按鈕、一個LED燈號。由於Raspberry Pi Pico是與RP2040協同設計而成，所以即便Raspberry Pi Pico只是簡單的兩層板，也是能很穩定正常地運作。
RP2040晶片策略
與過去Raspberry Pi不同的，RP2040晶片並非只有樹莓派自己官方的板卡可用，這次是類同於Arduino的推展方式，歡迎各家板卡商使用其晶片來推出產品，使控制應用的板卡能盡可能多樣發展。所以除了Raspberry Pi Pico官方板卡外，發表當日即有4個夥伴支持呼應，並推出8張使用RP2040晶片的板卡：
- Adafruit Feather RP 2040
- Adafruit ItsyBitsy RP 2040
- Arduino Nano RP2040 Connect
- Pimoroni PicoSystem
- Pimoroni Pico Explorer Base
- SparkFun Thing Plus – RP2040
- SparkFun MicroMod RP2040 Processor
- SparkFun Pro Micro – RP2040
不同板卡有不同的強調，有的是擁有比官方Raspberry Pi Pico更多的外部記憶體，有的是加裝記憶卡卡槽，有的加裝無線通訊，有的有慣性感測器等等。估計這也是Raspberry Pi Pico很陽春的原因，更多特色功能與設計，由協力夥伴來實現滿足。
圖4 SparkFun Thing Plus – RP2040，售價16美元，可接MicroSD記憶卡。（圖片來源：樹莓派基金會）
小結
最後，樹莓派在推廣RP2040/Raspberry Pi Pico上使用其過往慣用的推廣法，過去為了拱MagPi雜誌，只要買雜誌就送5美元的Pi Zero板卡，現在為了拱HackSpace雜誌，只要買雜誌就送Raspberry Pi Pico，另外也伴隨硬體推出配套的入門書（英文）。
截至近期（2021年1月27日）為止，RP2040/Raspberry Pi Pico的部落格專文已累積達228則留言，留言則數明顯多於其他的RPi部落格專文，因此估計RP2040/Raspberry Pi Pico會掀起一波話題。
更往未來看，筆者認為：若RP2040/Raspberry Pi Pico推行順利，則原有Raspberry Pi的控制應用價值與角色將逐漸轉淡、放手，專心扮演資料處理（電腦）角色，其GPIO使用的機會逐漸減少，甚至完全密封不再使用，相關控制工作逐漸轉移、下放到RP2040上頭。
（作者為MakerPRO特約專欄作者；責任編輯：林亮潔）
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