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2021年，樹莓派推出其首款售價(jià)僅為4美元的MCU——Raspberry Pi Pico，它基于RP2040構(gòu)建。而后又推出添加英飛凌CYW43439無線芯片的6美元Raspberry Pi Pico W。

時(shí)隔三年，再看這個(gè)產(chǎn)品，誰(shuí)也沒想到這一產(chǎn)品能夠大獲歡迎，不僅本身可玩性強(qiáng)，還被實(shí)際用在工業(yè)中。但仔細(xì)想想，這個(gè)產(chǎn)品又有許多設(shè)計(jì)上的不足，包括片上存儲(chǔ)、低功耗空閑和封裝選項(xiàng)等，同時(shí)內(nèi)核速度也不夠快。

前兩天，樹莓派推出5美元的Raspberry Pi Pico 2。這一次，他們不僅升級(jí)了內(nèi)核和功能，還加入了RISC-V，這引發(fā)了工程師大規(guī)模的討論。其中，不乏一些吐槽。

付斌｜作者

電子工程世界（ID：EEWorldbbs）｜出品

依然經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的設(shè)計(jì)

Pico 2延續(xù)了Pico一代“經(jīng)濟(jì)實(shí)惠”這一準(zhǔn)則進(jìn)行了大量升級(jí)。

相同點(diǎn)方面，兩款產(chǎn)品均基于40nm工藝節(jié)點(diǎn)制造，通過專用 QSPI 總線支持高達(dá) 16MB 的片外閃存，支持DMA控制器，全連接AHB橫桿，片上可編程LDO（用于產(chǎn)生內(nèi)核電壓），2個(gè)片上PLL（用于生成USB和內(nèi)核時(shí)鐘），30個(gè)GPIO引腳（其中 4 個(gè)可用作模擬輸入），外設(shè)支持2個(gè)UART、2個(gè)SPI 控制器、2個(gè)I2C控制器、USB1.1控制器和PHY。

不同點(diǎn)方面，SRAM近乎翻倍，從264KB片上SRAM升級(jí)到520KB；板載4MB的外部Flash，相對(duì)Pico的2MHz擴(kuò)充了一倍；PWM 通道從16個(gè)提升到24個(gè)；從8 PIO狀態(tài)機(jī)提升為3個(gè)可編程IO（PIO） 模塊，總共12個(gè)狀態(tài)機(jī)。

RP2040

RP2350

核心架構(gòu)

雙 Arm Cortex-M0+

雙Arm Cortex-M33、雙RISC-V Hazard3或Arm Cortex-M33+RISC-V Hazard3

時(shí)鐘速度

133MHz

150MHz

片上SRAM

264KB

520KB

板載閃存

2 MB QSPI

4 MB QSPI

GPIO

26

26(可支持4 x ADC)

USB

USB 1.1（Micro USB）

升級(jí)USB 1.1，支持主機(jī)和設(shè)備（Micro USB）

安全功能

基本安全功能

Arm TrustZone、簽名啟動(dòng)、SHA-256、TRNG、故障檢測(cè)器

外設(shè)接口

2×UART、2×SPI、2×I2C 、 ADC、PWM、USB 1.1

增強(qiáng)的外設(shè)、額外的PIO 狀態(tài)機(jī)、更多的 GPIO 引腳、更高的電源效率

不止如此，這次樹莓派還提供了更多的封裝選項(xiàng)。我們都知道，Pico（RP2040）僅提供單個(gè)7×7mm QFN56封裝選項(xiàng)，這次Pico 2（RP2350）提供四種不同選擇：具有 30 個(gè) GPIO 的7×7mm QFN60 封裝 （RP2350A） 或具有48個(gè)GPIO的10×10mm QFN80封裝 （RP2350B）;以及每個(gè)型號(hào)都具有2MB的堆疊封裝QSPI閃存（RP2354A 和 RP2354B）。

樹莓派稱，我們一如既往地堅(jiān)持可負(fù)擔(dān)的價(jià)格：盡管我們的硅芯片面積已經(jīng)從RP2040的 2mm2增加到了5.3mm2，但RP2350A的價(jià)格僅比RP2040高10美分，3400個(gè)單元卷軸的價(jià)格為0.80美元，單單元數(shù)量為1.10美元。RP2350B將比RP2350A貴10美分，而RP2354變體將比他們的無Flash版本貴20美分。

在軟件方面，推出了Pico SDK的更新版本，以及新的MicroPython和CircuitPython圖像，與谷歌推出原生支持Pico 2的Pigweed SDK，此外未來還會(huì)支持Rust語(yǔ)言。

目前Pico 2已經(jīng)開始在英國(guó)銷售，價(jià)格為5美元。在日本，Switch Science和KSY計(jì)劃在不久的將來開始銷售。對(duì)于產(chǎn)能，樹莓派表示，盡管目前渠道中的庫(kù)存相對(duì)較少，但 Pico 2 正處于全速生產(chǎn)中，由合作伙伴Sony負(fù)責(zé)。此外，許多授權(quán)經(jīng)銷商都在運(yùn)作預(yù)訂和預(yù)留方案。

在年底之前，樹莓派還將推出搭載與Pico W相同的Infineon 43439調(diào)制解調(diào)器的無線版 Pico 2 W，以及預(yù)安裝0.1英寸排針的Pico 2和Pico 2 W版本。

M33和RISC-V雙核齊飛

如果要找出Pico 2與Pico第一代最大的不同，就是內(nèi)核。

第一代Pico基于雙核配置Arm Cortex-M0+（133MHz）的RP2040，而這一次，樹莓派RP2350提供了兩種內(nèi)核：一是150MHz的Arm Cortex-M33，一個(gè)是樹莓派研發(fā)的150MHz Hazard 3 RISC-V內(nèi)核。

從方便開展嵌入式教育的角度出發(fā)，樹莓派基金會(huì)特別在RP2350中添加了兩個(gè) Cortex-M33和兩個(gè)RISC-V核。在芯片的啟動(dòng)階段，用戶可以從4個(gè)核心中任選兩個(gè)，由此產(chǎn)生了以下的組合：

• 雙核Cortex-M33；

• 雙核 RISC-V；

• 一個(gè)Cortex-M33和一個(gè)RISC-V。

從內(nèi)核角度來看，這次Pico 2的確是“史詩(shī)級(jí)”升級(jí)。

首先，Arm Cortex-M33是Cortex-M3和Cortex-M4的繼任者，性能更強(qiáng)，具有DSP浮點(diǎn)運(yùn)算功能，它基于ARMv8-M架構(gòu)，而M++則基于Armv6-M，整整差了兩代。

對(duì)比起來，M33采用了TrustZone技術(shù)，支持PSA Certified認(rèn)證，也就是說Pico 2更安全了；同時(shí)DSP拓展可以為系統(tǒng)增加85個(gè)新指令，支持?jǐn)U展浮點(diǎn)單元 (FPU) ，也就是說Pico 2的AI性能提升了，很多MCU跑小型的邊緣AI都靠DSP和FPU。

從Datasheet中，我們也看到，Pico 2的M33內(nèi)核配備了DSP、FPU、MPU（用于任務(wù)隔離的存儲(chǔ)保護(hù)單元，8個(gè)SAU區(qū)域、8個(gè)安全MPU區(qū)域和8個(gè)非MPU區(qū)域），同時(shí)支持TrustZone安全性和安全啟動(dòng)（簽名啟動(dòng)支持、8KB的片上反熔絲一次性可編程OTP內(nèi)存、SHA-256加速、硬件真隨機(jī)數(shù)生成器TRNG）。

其次，RISC-V內(nèi)核Hazard3可大有來頭，它由樹莓派的天才ASIC工程師Luke Wren業(yè)余時(shí)間所設(shè)計(jì)。Hazard3完全是他自己設(shè)計(jì)，并授權(quán)給樹莓派。

據(jù)了解，Luke在16歲時(shí)利用空閑時(shí)間開始設(shè)計(jì)基于7400系列邏輯的處理器，并受到RISC-V ISA的啟發(fā)。Hazard3是Luke之前設(shè)計(jì)之一Hazard5的分支，專注于在小硅封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)MCU時(shí)鐘頻率的最佳性能。從Hazard5到Hazard3的第一個(gè)實(shí)例的開發(fā)過程，Luke只用了不到一周的時(shí)間。

Luke把該內(nèi)核的設(shè)計(jì)在GitHub（ https://github.com/Wren6991/Hazard3 ）上以Apache 2.0的形式提供任何人學(xué)習(xí)。未來的處理器設(shè)計(jì)人員可以查看Hazard3的未經(jīng)編輯的提交歷史記錄，并從 Luke的開發(fā)過程中學(xué)習(xí)，包括他的錯(cuò)誤以及他如何糾正這些錯(cuò)誤。學(xué)習(xí)處理器設(shè)計(jì)的學(xué)生可以在RP2350上開發(fā)和測(cè)試軟件工作負(fù)載，修改處理器以包含他們自己的自定義指令，然后在FPGA上測(cè)試新版本。

通過GitHub公開的數(shù)據(jù)顯示，Hazard3在RP2350配置中，跑分達(dá)到了3.81 CoreMark/MHz，接近Cortex-M33在Arm Compiler 6.17下4.06的結(jié)果。

此外，Hazard3兼容RISC-V RVI20U32 Profile，包括M、A 和C可選擴(kuò)展以及B、Zbc、Zbkb、Zicsr、Zcb和Zcmp非Profile擴(kuò)展。這些RISC-V內(nèi)核可以在啟動(dòng)時(shí)選擇，并可以訪問所有MCU外設(shè)。

大部分工程師對(duì)于這種設(shè)計(jì)還是比較認(rèn)可的，覺得樹莓派這次有點(diǎn)東西，畢竟Pico 2很便宜，這次性能升級(jí)夠看，而且RISC-V內(nèi)核的發(fā)布比較讓人意外。

也有工程師感到疑惑，設(shè)計(jì)得有點(diǎn)怪異，畢竟一個(gè)裝有四個(gè)內(nèi)核的芯片，但你一次只能使用其中的兩個(gè)。其中兩個(gè)內(nèi)核有一個(gè) FPU、一個(gè) DSP、一個(gè) MPU，并支持 TrustZone 安全性和安全啟動(dòng)，另外 2 個(gè)內(nèi)核僅用于整數(shù)，但可以在沒有任何安全性的情況下訪問所有芯片資源（AFAICS，不經(jīng)過MPU，很像玄鐵C910向量單元），很奇怪的設(shè)計(jì)。的確，當(dāng)人們從Pico（RP2040）的兩個(gè)M0+之一中比重一個(gè)HDMI信號(hào)時(shí)，他們本可以用RV32I做同樣的事情。對(duì)他來說，仍然是一個(gè)奇怪而令人費(fèi)解的設(shè)計(jì)。

工程師反駁了上面的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為樹莓派是為了盡量控制成本，畢竟升級(jí)之后漲價(jià)了1美元。價(jià)格上漲對(duì)某些人來說可能是一種恥辱，盡管提供了額外的處理魅力。

非常注重安全的一代

我們都知道，這一次Pico 2里面包含很多安全方面的升級(jí)。為了讓它更安全，樹莓派“定了個(gè)小目標(biāo)”。不僅是與DEF CON黑客大會(huì)合作，甚至是直接貼出10000美元的懸賞，獎(jiǎng)勵(lì)第一個(gè)發(fā)現(xiàn)漏洞的人。（懸賞計(jì)劃： https://github.com/raspberrypi/rp2350_hacking_challenge ）

根據(jù)樹莓派的介紹，RP2350安全模型的基石是簽名引導(dǎo)。如果啟用了安全性，則只有使用私鑰的二進(jìn)制文件進(jìn)行簽名，且相應(yīng)公鑰的哈希值存儲(chǔ)在 OTP 中的情況下，才能引導(dǎo)該二進(jìn)制文件。防止攻擊者運(yùn)行任意代碼大大增加了提取 OTP 內(nèi)容(包括用于代碼保護(hù)的加密密鑰)的難度。

雖然RP2350使用多種技術(shù)，包括硬件快速故障檢測(cè)器和我們正在申請(qǐng)專利的冗余協(xié)處理器，以保護(hù)控制流和數(shù)據(jù)完整性免受故障注入攻擊，但他們想在啟動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)并修復(fù)缺陷。希望在RP2350部署到關(guān)鍵應(yīng)用程序中之前盡早發(fā)現(xiàn)這些缺陷。

EEWorld論壇，工程師認(rèn)為這一代產(chǎn)品之所以如此看中安全方面問題，估計(jì)是因?yàn)橛玫降腗33核，這顆核心在之前出現(xiàn)過一些黑客事件。當(dāng)然，相比來說，這顆芯片還是通用產(chǎn)品，只是增強(qiáng)了安全方面功能。

被爭(zhēng)論的USB

在外網(wǎng)，工程師們爭(zhēng)論的核心在于USB。他們認(rèn)為，Pico 2使用之前相同的表面貼裝micro-USB，這種USB總是從板上掉下來，或者數(shù)據(jù)引腳首先在背面分離。反觀其它大多數(shù)MCU板（例如 esp32）都換成了USB-C，它在機(jī)械上更加堅(jiān)固且可逆，有些則支持PD，以支持>5V的電源輸出。

工程師們普遍認(rèn)為，這是升級(jí)USB-C的好機(jī)會(huì)，畢竟這次推出了一個(gè)性能大升級(jí)的產(chǎn)品，沒有換成USB-C很令人失望。

也有工程師猜測(cè)樹莓派為什么一直使用使用micro-USB。一種可能性是為了保持兼容性，保持和上一代Pico一致，就像與Pi Zero 2 W保持其前身的硬件兼容性是一樣的，有些OEM/工業(yè)客戶可能依賴micro-USB連接器，設(shè)計(jì)師會(huì)想要“插頭兼容性”。另一種可能性可能是會(huì)增加復(fù)雜度和產(chǎn)品的價(jià)格，畢竟想保持5美元還是挺難的。

除了沒有換到USB-C，也有工程師對(duì)于USB 1.1有意見，他們需要主機(jī)設(shè)備延遲，而目前最多只能削減到1毫秒。他們發(fā)出疑問，USB 2.0是否存在技術(shù)或成本問題？擁有USB 2.0支持會(huì)讓它變得史詩(shī)般美好。

有工程師解釋，USB 2.0的芯片面積很大，需要為芯片邊緣的物理體增加更多空間，因此硅領(lǐng)域的成本是很大的。此外，它還占用更多的 GPIO。所以說，雖然技術(shù)上可行（雖然需要大量的工作），但模具區(qū)域的成本令人望而卻步。

備受爭(zhēng)議的ADC

樹莓派Pico（RP2040）是好產(chǎn)品嗎？絕對(duì)是。但它為什么一直處在一個(gè)“不上不下”的地位，或許是因?yàn)锳DC有一定問題，甚至被工程師稱為“缺陷”。

去年，就有工程師發(fā)帖稱“使用Pico有缺陷的ADC會(huì)收到多少錯(cuò)誤”，他表示，RP2040中的ADC無法滿足最初預(yù)期的性能，實(shí)際在使用時(shí)誤差幅度很大，而且引腳在某些電壓上誤差幅度更高。

工程師曾經(jīng)發(fā)帖分享，通過MicroPython編寫的程序，測(cè)量ADC的差分非線性，即當(dāng)信號(hào)掃過該范圍時(shí)，是否存在缺失或接近缺失代碼。最后發(fā)現(xiàn)，存在4個(gè)奇怪的峰值。同時(shí)，由于電容器充電和放電時(shí)波形的指數(shù)性質(zhì)，直方圖的兩端高于中間，仔細(xì)檢查輸出文件會(huì)發(fā)現(xiàn)許多其他異常。

對(duì)于這個(gè)問題，有的工程師用軟件簡(jiǎn)單修復(fù)了一些，似乎也能恢復(fù)正常，但很明顯這種情況應(yīng)用到工業(yè)中是存在問題的。

一個(gè)工程師就表示，曾考慮將RP2040芯片用在一個(gè)項(xiàng)目中，但“缺乏”ADC是一個(gè)殺手，因此我們最終換成了STM32。

在Pico 2（RP2350）發(fā)布以后，很多工程師第一時(shí)間就去Datasheet中尋找ADC修復(fù)相關(guān)的信息。他們?cè)谧钚碌腞P2350的Datasheet中發(fā)現(xiàn)，RP2040-E11 所述，消除了代碼 0x200、0x600、0xa00 和0xe00的差分非線性尖峰，將ADC的精度提高了約0.5 ENOB。將外部ADC輸入通道的數(shù)量從4個(gè)增加到8個(gè)通道，僅在QFN-80封裝中（海報(bào)說明：例如僅限 RP2350B）。

對(duì)用戶來說，是個(gè)好消息，不過具體實(shí)際情況，還需要進(jìn)一步測(cè)量。不過，至少樹莓派意識(shí)到了這個(gè)問題，也在抓緊修復(fù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 樹莓派官網(wǎng)：https://www.raspberrypi.com/news/raspberry-pi-pico-2-our-new-5-microcontroller-board-on-sale-now/

[2] 樹莓派技術(shù)手冊(cè)：https://datasheets.raspberrypi.com/rp2350/rp2350-datasheet.pdf?_gl=1*qge7dd*_ga*MTQ1NTEyNzczLjE3MjM0MzAwNDQ.*_ga_22FD70LWDS*MTcyMzQ0MjQ1NC4yLjEuMTcyMzQ0MjQ4NC4wLjAuMA..

[3] RISC-V基金會(huì)：https://riscv.org/news/2024/08/raspberry-pi-launch-new-rp2350-microcontroller-and-pico-2-development-board-with-risc-v-support/

[4] 樹莓派論壇：https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=299904

[5] The Register：https://www.theregister.com/2024/08/08/pi_pico_2_risc_v/

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