Cada dia es más frecuente el uso de equipos electrónicos inteligentes, es decir que son muy autónomos en sus proceso y controles. esto se debe en gran parte al uso de mayores capacidades de procesamiento y almacenamiento. tal es el caso de la tarjeta Raspberry PI4B que cuenta con buena capacidad de procesamiento y almacenamiento. en este apartado aprenderemos sobre las partes que forman esta tarjeta. en apartados posteriores aprenderemos a usarlos y programarlos con la lenguaje python.
La tarjeta Raspberry Pi 4 Modelo B, o “Pi4B”, es un computador con periféricos, ideal para proyectos electrónicos y de cómputo. Esta placa es una de las más usadas en el mundo, talvez debido a su precio accesible o a su gran comunidad. Ha sido adoptada en muchos centros de estudio segundarios y superiores, como tarjeta de desarrollo para las clases de electrónica y programación de computadoras. También, es usada en proyectos para el hogar y la industria. La siguiente es una imagen de la tarjeta Raspberry Pi4B:
Muchos proyectos electrónicos con microcontroladores, no se pueden hacer con microcontroladores de 8 o 16 bits, pues sus capacidades de memoria y velocidad de procesamiento no los soporta. Por ejemplo, hacer procesamiento de imagen, para un microcontrolador de 8 o 16 bits, es muy difícil. Para la tarjeta Raspberry Pi4B es posible, gracias a sus capacidades de procesamiento y almacenamiento.
Dentro de las partes más importantes de la tarjeta Raspberry Pi4B, podemos notar: un procesador nuevo, con más capacidad de procesamiento, un puerto Ethernet Gigabit, USB3, USB2, 2 puertos micro HDMI, soportando dos displays de 4K, buena capacidad de memoria RAM, conector USB-C como fuente de voltaje. Observa estas características en la siguiente imagen:
La siguiente es una imagen pictórica de la tarjeta Raspberry Pi4B, la cual nos da una idea simplificada de sus conectores y ubicación de sus circuitos integrados:
Para comenzar a estudiar la tarjeta Raspberry Pi4B, vamos a dividirla en 13 partes, como se muestra en la siguiente lista:
• 1 - Fuente de Voltaje, conector USB-C 5V – 3A.
• 2 - Circuito Integrado, manejador de voltaje.
• 3 - Conector para Display.
• 4 - Pines de entrada salida.
• 5 - Ethernet Gigabit.
• 6 - Puertos USB. 2 x USB 2.0. 2 x USB 3.0.
• 7 - Salida de audio estéreo y video compuesto.
• 8 - Conector para Cámara.
• 9 - 2 x puertos Micro HDMI.
• 10 - LAN Wireless 2.4 GHz y 5.0 GHz. Bluetooth 5.0 BLE.
• 11 - Procesador BCM2711 quad-core Cortex-A72 ARM de 1.5 GHz.
• 12 - Memoria RAM LPDDR4.
• 13 - Ranura para tarjeta Micro SD.
La siguiente imagen muestra esta división desde el punto de vista físico:
La siguiente imagen muestra la anterior división, pero de forma pictográfica:
La siguiente es una lista de las partes que forman la Raspberry Pi4B, con sus respectivos nombres de función:
La única parte que no está en esta lista es: la ranura para la tarjeta micro SD, la cual veremos más adelante. A continuación, describiremos cada parte de la tarjeta Raspberry Pi4B.
1 - Fuente de Tensión, conector USB-C 5V – 3A.
La tarjeta Raspberry Pi4B, necesita una fuente de tensión de 5 volt y 3 amperes, a través de un conector USB del tipo C, o “USB-C”. Este tipo de conector tiene la ventaja de poder ser conectado a la tarjeta, por cualquiera de sus dos lados. La siguiente figura muestra este conector:
El siguiente, es el circuito electrónico del conector USB-C, en la entrada de voltaje. Observa en el diagrama, que el negativo es suministrado por los pines: A1B12 y B1A12 del conector. El positivo (5 voltios) es suministrado por los pines: A4B9 y B4A9.
2 - Circuito Integrado, manejador de voltaje.
Una vez obtenidos los 5 voltios del conector USB-C, es necesario obtener varios voltajes que la tarjeta Raspberry Pi4B necesita. Para esto, es usado el circuito integrado: “MxL7704”, el cual es un manejador de potencia (PMIC), con 5 reguladores de voltaje independientes de carga. La siguiente figura muestra este circuito:
Observa en el siguiente diagrama las entradas de voltaje llamadas: VIN1, VIN2, VIN3, VIN4 y VIN_LDO. También, podemos observar las salidas: VOUT1, VOUT2, VOUT3, VOUT4 y LDO_OUT. Algunas salidas tienen 3.3 voltios, 1.8 voltios, 1.1 voltio, voltaje para los microprocesadores (core):
El siguiente es el diagrama en bloques general del integrado MxL7704:
Cerca del circuito regulador de voltajes, se encuentran dos LEDs, los cuales indican si la Rasberry esta alimentada y si hay actividad en la tarjeta. Observa los LEDs en el siguiente diagrama:
3 - Conector para Display.
La tarjeta Raspberry Pi4B, tiene un conector para: interface serial de pantalla (DSI) del tipo MIPI o Interface de Procesador de la Industria Móvil. Este conector permite conectar pantallas (displays) táctiles (Touch Screen) a la tarjeta Raspberry. Así, la interfase DSI MIPI, es un protocolo de comunicación que permite la transmisión de imágenes desde un procesador a una pantalla. Observe en la siguiente imagen este conector:
La tecnología DSI MIPI utiliza señales seriales para transmitir datos desde el procesador a la pantalla. Observa el circuito del conector DSI en el siguiente diagrama:
4 - Pinos de entrada salida.
La tarjeta Raspberry Pi4B, tiene un conector de 40 pines para la conexión de entradas y salidas de propósito general (GPIO). Estos pines están dispuestos en 2 filas de 20 pines cada una. Además de poder usar estos pines como entrada/salida, los pines se pueden alternar para otros periféricos, como: I2C, UART, SPI, etc. La siguiente imagen muestra este conector:
El siguiente es el circuito electrónico para el conector de 40 pines de entradas/salidas:
La siguiente imagen muestra de forma pictórica el conector de 40 pines de entrada/salida. Observa que estos pines también suministran voltaje para alimentar los circuitos que se conecten a las entradas/salida:
La siguiente imagen clasifica los voltajes, pines de entrada salida y pines especiales por color:
5 - Ethernet Gigabit.
La tarjeta Raspberry Pi4B, tiene un circuito integrado BCM54213PE, el cual es un transmisor receptor Ethernet Gigabit (GbE). Este circuito realiza las funciones de la capa física de Ethernet, para las velocidades: 1000BASE-T, 100BASE-TX y 10BASE-T, es decir 1000, 100 y 10 Mbit. La siguiente imagen muestra este integrado junto al conector de red RJ45:
La siguiente imagen muestra el diagrama interno del conector hembra RJ45. Podemos notar los LEDs de conexión/actividad de red y las bobinas de asilamiento para los cables usados en la red:
6 - Puertos USB. 2 x USB 2.0. 2 x USB 3.0.
La tarjeta Raspberry Pi4B, tiene un circuito integrado VL805. Este circuito es un controlador “host” USB 3.0 con Super-Speed (5 Gbps) y compatible con los otros padrones: High-Speed (400 Mbps), Full-Speed (12 Mbps) y Low-Speed (1.5 Mbps). La siguiente imagen muestra este circuito:
El siguiente es el diagrama en bloques del circuito VL805:
7 - Salida de audio estéreo y video compuesto.
La tarjeta Raspberry Pi4B tiene una salida de audio analógico estéreo y una salida de video compuesto vía un jack A/V de 4 polos. La tarjeta Raspberry Pi4B, por defecto habilita la salida HDMI 0 para el video. Para usar la salida de video compuesto, es necesario habilitarla en el archivo de configuración: “config.txt” del sistema operativo. La siguiente figura muestra la salida audio/video analógica:
El siguiente, es el diagrama esquemático para la salida de audio/video analógico:
8 - Conector para Cámara.
La Raspberry Pi4B tiene un conector CSI MIPI para conectar una cámara. Con esto es posible tomar fotografías y capturar videos, permitiendo crear interesantes proyectos como procesamiento de imagen, reconocimiento de objetos, detección de movimiento, reconocimiento facial, etc. La siguiente imagen muestra el conector CSI MIPI para la cámara:
El siguiente, es el diagrama electrónico para el conector CSI MIPI de la cámara:
9 - 2 x puertos Micro HDMI.
La tarjeta Raspberry Pi4B tiene 2 interfaces multimedia de alta definición (HDMI), pudiéndose conectar hasta 2 pantallas. El conector usado es: micro-HDMI. La versión de HDMI es la 2.0, la cual soporta hasta una resolución de 4Kp60. En caso de usar la resolución 4K, se recomienda, que el cable usado para conectar la pantalla, cumpla con la especificación HDMI 2.0, por que la tasa de transferencia de bits es muy alta y los cables usados para las versiones anteriores de HDMI (1.x), no la soportan. Caso use 2 pantallas, se configura una resolución de 4Kp30. La siguiente imagen muestra los conectores HDMI:
El siguiente diagrama electrónico es para los conectores micro-HDMI:
10 - LAN Wireless 2.4 GHz y 5.0 GHz. Bluetooth 5.0 BLE.
La tarjeta Raspberry Pi4B tiene para conectividad una “LAN” inalámbrica (Wireless) con transmisor/receptor de doble banda de 2.4 GHz y 5.0 GHz. También, tiene un transmisor/receptor para conectividad Bluetooth 5.0 con BLE. Estas interfaces permiten el desarrollo de muchos proyectos interesantes, como controles remotos, internet de las cosas (IoT), telemetría, etc. Para “IoT” también se puede usar la interface LAN Ethernet Gigabit. La siguiente imagen muestra el encapsulado del circuito integrado usado para comunicaciones wireless:
11 - Procesador BCM2711 quad-core Cortex-A72 ARM de 1.5 GHz.
La tarjeta Raspberry Pi4B tiene un circuito integrado Broadcom BCM2711 Cortex-A72, con 4 procesadores (quad-core), ARMv8 de 64 Bits, corriendo a una velocidad de 1.5 GHz. Esta velocidad y 4 procesadores, hacen esta tarjeta ideal para un gran número de proyectos interesantes que veremos en los siguientes apartados de este temario. La siguiente imagen muestra el integrado BCM2711 Cortex-A72 en la Raspberry Pi4B:
Debido a que este circuito solo tiene una interface (bus) para comunicarse con la memoria RAM (DDR4), es necesario compartirla con los 4 procesadores. Para esto es necesario usar un árbitro que multiplexe el uso de la memoria para cada procesador. Este mecanismo es el que hace posible el multiproceso o multitarea en los sistemas operativos. Observa en el diagrama en bloques del circuito integrado Broadcom BCM2711 Cortex-A72, los 4 procesadores y el arbitraje (arbitration) para la memoria RAM:
La siguiente imagen muestra un mejor acercamiento del procesador usado en la tarjeta Raspberry Pi4B: el Broadcom BCM2711 Cortex-A72:
12 - Memoria RAM LPDDR4.
La tarjeta Raspberry Pi4B tiene una memoria RAM LPDDR4, la cual viene en tamaños de 1, 2, 4 y 8 Giga Bytes (GB), según el modelo. La memoria RAM es usada para cargar el sistema operativo, programas y servicios, que los 4 procesadores ARMv8 deben ejecutar. También, es usada para almacenar los datos o variables que el sistema operativo, programas y servicios usan. Para el caso de la siguiente imagen, la memoria RAM es: 9FD77 D9WHV, la cual posee un tamaño de 4 GB:
13 - Ranura para tarjeta Micro SD.
La tarjeta Raspberry Pi4B tiene una ranura para memorias “micro SD”, para cargar el sistema operativo y para almacenamiento de datos y programas. Se recomienda usar una micro SD de 16 Giga Bytes. En las tarjetas Raspberry, la memoria micro SD, cumple una función similar a los discos rígidos en los computadores de mesa. La siguiente es una imagen de esta memoria en su respectiva ranura:
Conclusión
Casi todos los equipos de cómputo modernos tienen las mismas partes vistas en este apartado. Las diferencias están en el tamaño de almacenamiento y procesamiento. Pero en cuanto al funcionamiento son prácticamente idénticas. Así que, si aprendes a usar esta tarjeta, la Raspberry Pi4B, estarás en capacidad de comprender cualquier sistema de cómputo. Le animo a seguir adelante, independientemente de no saber sobre electrónica y programación, pues los proyectos que realizaremos serán prácticos, para su mejor compresión. Además, usaremos los lenguajes python y assembler. Python es un lenguaje moderno, intuitivo y de fácil manejo.