A cada dia é mais frequente o uso de equipamentos eletrônicos inteligentes, ou seja, são muito autônomos em seus processos e controles. isso se deve em grande parte ao uso de maiores capacidades de processamento e armazenamento. é o caso do cartão Raspberry PI4B que possui boa capacidade de processamento e armazenamento. Nesta seção, aprenderemos sobre as partes que compõem este cartão. em seções posteriores aprenderemos a usá-los e programá-los com a linguagem python.
A placa Raspberry Pi 4 Modelo B, ou “Pi4B”, é um computador com periféricos, ideal para projetos eletrônicos e de informática. Esta placa é uma das mais utilizadas no mundo, talvez pelo seu preço acessível ou pela sua grande comunidade. Foi adotado em diversos centros de ensino médio e superior, como cartão de desenvolvimento para aulas de eletrônica e programação de computadores. Além disso, é usado em projetos para casa e indústria. A seguir, uma imagem da placa Raspberry Pi4B:
Muitos projetos eletrônicos com microcontroladores não podem ser feitos com microcontroladores de 8 ou 16 bits, pois suas capacidades de memória e velocidade de processamento não os suportam. Por exemplo, fazer processamento de imagem, para um microcontrolador de 8 ou 16 bits, é muito difícil. Para o cartão Raspberry Pi4B é possível, graças às suas capacidades de processamento e armazenamento.
Entre as partes mais importantes da placa Raspberry Pi4B, podemos destacar: um novo processador, com maior capacidade de processamento, uma porta Gigabit Ethernet, USB3, USB2, 2 portas micro HDMI, suportando dois monitores 4K, boa capacidade de memória RAM, USB- Conector C como fonte de tensão. Observe essas características na imagem a seguir:
A seguir, uma imagem pictórica da placa Raspberry Pi4B, que nos dá uma ideia simplificada de seus conectores e posicionamento de seus circuitos integrados:
Para começar a estudar a placa Raspberry Pi4B, vamos dividi-la em 13 partes, conforme lista a seguir:
– 1 - Fonte de alimentação, conector USB-C 5V – 3A.
– 2 - Circuito Integrado, gerenciador de tensão.
– 3 - Conector para Display.
– 4 - Pinos de saída de entrada.
– 5 - Gigabit Ethernet.
– 6 - portas USB. 2 x USB 2.0. 2 x USB 3.0.
– 7 - Áudio estéreo e saída de vídeo composto.
– 8 - Conector para câmera.
– 9 - 2 portas Micro HDMI.
– 10 - LAN sem fio de 2,4 GHz e 5,0 GHz. Bluetooth 5.0 BLE.
– Processador BCM2711 quad-core ARM Cortex-A72 de 11 a 1,5 GHz.
– 12 - Memória RAM LPDDR4.
– 13 - Ranhura para cartão Micro SD.
A imagem a seguir mostra essa divisão do ponto de vista físico:
A imagem a seguir mostra a divisão anterior, mas pictograficamente:
A seguir está uma lista das partes que compõem o Raspberry Pi4B, com seus respectivos nomes de funções:
A única parte que não está nesta lista é: o slot para cartão micro SD, que abordaremos mais adiante. A seguir, descreveremos cada parte da placa Raspberry Pi4B.
1 - Fonte de alimentação, conector USB-C 5V – 3A.
A placa Raspberry Pi4B necessita de uma fonte de tensão de 5 volts e 3 amperes, através de um conector USB tipo C, ou “USB-C”. Este tipo de conector tem a vantagem de poder ser conectado à placa em qualquer um de seus dois lados. A figura a seguir mostra esse conector:
Segue o circuito eletrônico do conector USB-C, na entrada de tensão. Observe no esquema, que o negativo é alimentado pelos pinos: A1B12 e B1A12 do conector. O positivo (5 volts) é alimentado pelos pinos: A4B9 e B4A9.
2 - Circuito Integrado, gerenciador de tensão.
Uma vez obtidos os 5 volts do conector USB-C, é necessário obter várias tensões que a placa Raspberry Pi4B precisa. Para isso, é utilizado o circuito integrado: “MxL7704”, que é um gerenciador de energia (PMIC), com 5 reguladores de tensão de carga independentes. A figura a seguir mostra esse circuito:
Observe no diagrama a seguir as entradas de tensão denominadas: VIN1, VIN2, VIN3, VIN4 e VIN_LDO. Além disso, podemos observar as saídas: VOUT1, VOUT2, VOUT3, VOUT4 e LDO_OUT. Algumas saídas possuem 3,3 volts, 1,8 volts, 1,1 volts, tensão para os microprocessadores (núcleo):
O seguinte é o diagrama de blocos geral do integrado MxL7704:
Próximo ao circuito regulador de tensão, existem dois LEDs, que indicam se o Rasberry está energizado e se há atividade na placa. Observe os LEDs no diagrama a seguir:
3 - Conector do monitor.
A placa Raspberry Pi4B possui um conector para: serial display interface (DSI) do tipo MIPI ou Mobile Industry Processor Interface. Este conector permite conectar telas sensíveis ao toque (displays) ao cartão Raspberry. Assim, a interface DSI MIPI é um protocolo de comunicação que permite a transmissão de imagens de um processador para uma tela. Observe na imagem a seguir este conector:
A tecnologia DSI MIPI usa sinais seriais para transmitir dados do processador para o monitor. Observe o circuito do conector DSI no esquema a seguir:
4 - Pinos de saída de entrada.
A placa Raspberry Pi4B possui um conector de 40 pinos para conectar entradas e saídas de uso geral (GPIO). Esses pinos são organizados em 2 fileiras de 20 pinos cada. Além de poder usar esses pinos como entrada/saída, os pinos podem ser alternados para outros periféricos, como: I2C, UART, SPI, etc. A imagem a seguir mostra esse conector:
A seguir está o circuito eletrônico para o conector de E/S de 40 pinos:
A imagem a seguir mostra o conector de entrada/saída de 40 pinos pictoricamente. Observe que esses pinos também fornecem tensão aos circuitos de alimentação que se conectam às entradas/saídas:
A imagem a seguir classifica as tensões, pinos de entrada/saída e pinos especiais por cor:
5 – Ethernet Gigabit
A placa Raspberry Pi4B possui um circuito integrado BCM54213PE, que é um transceptor Gigabit Ethernet (GbE). Este circuito realiza as funções da camada física de Ethernet, para as velocidades: 1000BASE-T, 100BASE-TX e 10BASE-T, ou seja 1000, 100 e 10 Mbit. A imagem a seguir mostra isso integrado ao lado do conector de rede RJ45:
A imagem a seguir mostra o diagrama interno do conector RJ45 fêmea. Podemos observar os LEDs de conexão/atividade da rede e as bobinas de isolação dos cabos utilizados na rede:
6 - Portas USB. 2 x USB 2.0. 2 x USB 3.0.
A placa Raspberry Pi4B possui um circuito integrado VL805. Este circuito é um host controller USB 3.0 com Super-Speed (5 Gbps) e compatível com os demais padrões: High-Speed (400 Mbps), Full-Speed (12 Mbps) e Low-Speed (1,5 Mbps). A imagem a seguir mostra esse circuito:
O seguinte é o diagrama de blocos do circuito VL805:
7 - Saída de áudio estéreo e vídeo composto.
A placa Raspberry Pi4B possui uma saída de áudio analógico estéreo e uma saída de vídeo composto por meio de um conector A/V de 4 polos. A placa Raspberry Pi4B, por padrão, habilita a saída HDMI 0 para vídeo. Para utilizar a saída de vídeo composto, é necessário habilitá-la no arquivo de configuração: “config.txt” do sistema operacional. A figura a seguir mostra a saída analógica de áudio/vídeo:
A seguir está o diagrama esquemático para a saída analógica de áudio/vídeo:
8 - Conector para Câmera.
O Raspberry Pi4B possui um conector CSI MIPI para conectar uma câmera. Com ele é possível tirar fotos e capturar vídeos, permitindo criar projetos interessantes como processamento de imagem, reconhecimento de objetos, detecção de movimento, reconhecimento facial, etc. A imagem a seguir mostra o conector CSI MIPI para a câmera:
O seguinte é o diagrama eletrônico para o conector CSI MIPI da câmera:
9 - 2 portas Micro HDMI.
A placa Raspberry Pi4B possui 2 interfaces multimídia de alta definição (HDMI), podendo conectar até 2 monitores. O conector utilizado é: micro-HDMI. A versão HDMI é 2.0, que suporta resolução de até 4Kp60. No caso de usar resolução 4K, é recomendável que o cabo usado para conectar a tela seja compatível com a especificação HDMI 2.0, pois a taxa de bits é muito alta e os cabos usados para versões anteriores do HDMI (1 .x), não suportam isto. Se você usar 2 telas, uma resolução de 4Kp30 está configurada. A imagem a seguir mostra os conectores HDMI:
O diagrama eletrônico a seguir é para os conectores micro-HDMI:
10 - LAN sem fio de 2,4 GHz e 5,0 GHz. Bluetooth 5.0 BLE.
A placa Raspberry Pi4B possui uma “LAN” sem fio (Wireless) com transmissor/receptor de banda dupla de 2,4 GHz e 5,0 GHz para conectividade. Também possui um transmissor/receptor para Bluetooth 5.0 com conectividade BLE. Essas interfaces permitem o desenvolvimento de muitos projetos interessantes, como controles remotos, Internet das Coisas (IoT), telemetria, etc. Para “IoT” a interface Gigabit Ethernet LAN também pode ser usada. A imagem a seguir mostra o pacote do circuito integrado usado para comunicações sem fio:
11 - Processador BCM2711 quad-core ARM Cortex-A72 de 1,5 GHz.
A placa Raspberry Pi4B possui um circuito integrado Broadcom BCM2711 Cortex-A72, com 4 processadores (quad-core), ARMv8 de 64 bits, rodando a uma velocidade de 1,5 GHz. Esta velocidade e 4 processadores tornam esta placa ideal para um grande número de aplicações de projetos interessantes que veremos nas próximas seções desta agenda. A imagem a seguir mostra o BCM2711 Cortex-A72 integrado no Raspberry Pi4B:
Como este circuito possui apenas uma interface (bus) para se comunicar com a RAM (DDR4), é necessário compartilhá-la com os 4 processadores. Para isso é necessário utilizar um arbitrador que multiplexe o uso de memória para cada processador. Esse mecanismo é o que possibilita o multithreading ou multitarefa em sistemas operacionais. Veja o diagrama de blocos do circuito integrado Broadcom BCM2711 Cortex-A72, os 4 processadores e a arbitragem (arbitragem) para memória RAM:
A imagem a seguir mostra melhor o processador usado na placa Raspberry Pi4B: o Broadcom BCM2711 Cortex-A72:
12 - Memória RAM LPDDR4.
A placa Raspberry Pi4B possui RAM LPDDR4, que vem em tamanhos de 1, 2, 4 e 8 Giga Bytes (GB), dependendo do modelo. A memória RAM é utilizada para carregar o sistema operacional, programas e serviços, que os 4 processadores ARMv8 devem executar. Além disso, é usado para armazenar os dados ou variáveis que o sistema operacional, programas e serviços usam. No caso da imagem a seguir, a memória RAM é: 9FD77 D9WHV, que possui tamanho de 4 GB:
13 - Soquete para cartão micro SD.
A placa Raspberry Pi4B possui um slot de memória "micro SD", para carregar o sistema operacional e armazenar dados e programas. Recomenda-se usar um micro SD de 16 Giga Bytes. Nos cartões Raspberry, a memória micro SD cumpre uma função semelhante aos discos rígidos em computadores de mesa. Segue uma imagem desta memória em seu respectivo slot:
Conclusão.
Quase todos os equipamentos de informática modernos possuem as mesmas peças vistas nesta seção. As diferenças estão no tamanho do armazenamento e do processamento. Mas em termos de operação eles são praticamente idênticos. Portanto, se você aprender a usar este cartão, o Raspberry Pi4B, poderá entender qualquer sistema de computador. Te encorajo a ir em frente, independente de não saber de eletrônica e programação, pois os projetos que iremos realizar serão práticos, para seu melhor entendimento. Além disso, usaremos as linguagens python e assembler. Python é uma linguagem moderna, intuitiva e fácil de usar.
