RP2040 – Analisi del Microcontrollore Raspberry Pi

Se hai iniziato a esplorare il mondo dei sistemi embedded o dell’elettronica fai-da-te, probabilmente hai sentito sussurrare dell’RP2040. Ma cosa rende esattamente questo piccolo chip di Raspberry Pi così speciale in un mare di microcontrollori? Lanciato nel 2021 come il cervello dietro l’iconico Raspberry Pi Pico, l’RP2040 è diventato silenziosamente un preferito tra hobbisti, educatori e persino ingegneri professionisti. In questa analisi approfondita, esploreremo perché questo meraviglia dual-core sta ridefinendo ciò che un microcontrollore economico può raggiungere e come puoi iniziare a smanettare con esso oggi.

Cos'è l'RP2040?

L’RP2040 è un’Unità Microcontrollore (MCU) introdotta dalla Raspberry Pi Foundation. Funge da componente principale per il Raspberry Pi Pico e altre schede di sviluppo. Viene venduto a 10$ sul sito ufficiale ora.

An image showing the RP2040 microchip for sale priced at 10.00
RP2040 Microchip - Available for Purchase at $10.00

Specifiche dell'RP2040

Il chip RP2040 è disponibile in un package QFN – 56 da 7x7mm, con le seguenti specifiche:

  • Dual – core Arm Cortex – M0+ che funziona a 133MHz
  • 264KB di SRAM on – chip e 2MB di memoria flash integrata
  • Supporta fino a 16MB di memoria flash off – chip tramite un bus QSPI dedicato
  • Dotato di un controller DMA
  • Dispone di 30 pin GPIO, 4 dei quali possono essere utilizzati come ingressi analogici
  • Ha 2 UART, 2 controller SPI e 2 controller I2C
  • Offre 16 canali PWM
  • Fornisce supporto host e dispositivo USB 1.1
  • Incorpora 8 Raspberry Pi Programmable I/O (PIO) state machines per il supporto di periferiche personalizzate
  • Supporta la modalità di avvio USB mass storage abilitata UF2 per la programmazione drag – and – drop
A dimension diagram of the RP2040 chip, showing various measurements in millimeters.
RP2040 Chip Dimension Diagram (in mm)

Spiegazione della denominazione RP2040

Il nome dell’RP2040 riflette le sue specifiche principali:

  • RP: Sta per Raspberry Pi, lo sviluppatore.
  • 2: Indica dual – core processori Arm Cortex – M0+.
  • 0: Rappresenta il tipo di core (M0+ in questo caso).
  • 4: Calcolato come floor(log2(SRAM/16k)), dove 264KB SRAM ~4.
  • 0: Derivato da floor(log2(non - volatile/16k)), con 2MB flash ~7, ma semplificato a 0 nella denominazione.
An illustration explaining the naming convention of the RP2040 microchip with arrows and descriptions for each part of the name
RP2040 Microchip Naming Convention Explanation

Schema a blocchi dell'RP2040

L’RP2040 è dotato di 30 pin GPIO, altamente versatili per vari usi. Possono leggere ingressi digitali da dispositivi come pulsanti e sensori, e fornire uscite digitali per controllare LED e relè.

Notably, its Programmable Input/Output (PIO) subsystem has two state machines. This allows creating custom communication protocols, such as easily controlling WS2812 LED strips or building a custom VGA interface, reducing CPU workload.
A top view pinout diagram of the RP2040 microchip labeling various pins such as GPIO power and communication pins
RP2040 Microchip Pinout Diagram (Top View)

Schema a blocchi dell'RP2040

芯片 RP2040 具有:

  • 2 UART:用于设备/模块/计算机的串行通信。
  • 2 SPI:高速主-从数据传输(例如,闪存/SD 卡)。
  • 2 I2C:通过 SDA/SCL 线用于传感器/EEPROM 的多设备总线。
  • 16 PWM:通过占空调制控制电机速度/LED 亮度。
Block diagram of the RP2040 microchips internal architecture showing components like processors peripherals and memory
RP2040 Microchip Internal Architecture Block Diagram

RP2040 的开发支持

官方开发板 - 树莓派 Pico

树莓派 Pico 作为 RP2040 的官方开发板,是开发人员的绝佳入门选择。它仅有 65 毫米 x 17 毫米,这种紧凑的电路板非常实惠,仅售 4 美元,可供广泛的用户使用,从预算有限的爱好者到探索微控制器世界的学生。

Images of four Raspberry Pi Pico series development boards (Pi Pico, Pi Pico H, Pi Pico W, Pi Pico WH) based on the RP2040 microcontroller, showcasing their board layouts and component differences.
A lineup of Raspberry Pi Pico series boards powered by the RP2040 MCU

树莓派 Pico 的一个巨大优势是其易用性。它具有简单的形式因素,两侧都有 GPIO 引脚行,清楚地标明以便于识别。这种布局使得连接外部组件(例如传感器、执行器或显示器)变得简单明了。例如,将温度传感器(如 DHT11)连接到 Pico 就像将传感器的数据引脚连接到 Pico 上的一个 GPIO 引脚一样,以及电源和接地连接。

Pico 还有一个内置的 USB 连接器,用于为电路板供电和编程。连接到计算机时,它会显示为大容量存储设备,从而可以轻松地“拖放”编程。例如,如果您编写了 MicroPython 脚本或编译的 C/C++ 二进制文件,您可以简单地将文件复制到 Pico 的虚拟驱动器上,它将开始执行程序。

除了基本的硬件功能外,树莓派 Pico 还提供了大量的官方文档和示例代码。官方树莓派网站提供了从入门到高级使用其功能的详细指南。这些资源对于初学者来说非常有帮助,他们刚开始学习微控制器编程,并且对于希望快速熟悉 RP2040 功能的经验丰富的开发人员来说也很有帮助。

编程语言和框架

RP2040 支持多种编程语言和框架,为开发人员提供了在选择最适合其项目的选项方面的灵活性。

MicroPython:MicroPython 是一个绝佳的选择,尤其适合初学者或希望快速原型化其想法的人。它是一个精简高效的 Python 3 编程语言实现,专为微控制器设计。使用 MicroPython,您可以使用高级、易于理解的语法编写代码。例如,控制连接到 RP2040 上的 GPIO 引脚的 LED 可以仅用几行代码实现:
				
					from machine import Pin
import time

led = Pin(25, Pin.OUT)
while True:
    led.value(1)
    time.sleep(1)
    led.value(0)
    time.sleep(1)

				
			
Questa semplicità consente agli sviluppatori di concentrarsi sulla funzionalità del loro progetto piuttosto che rimanere impantanati in dettagli di programmazione di basso livello. MicroPython ha anche un ricco set di librerie che possono essere utilizzate per interfacciare con vari componenti hardware, come sensori, moduli di comunicazione e display.

C/C++: Per coloro che richiedono maggiore controllo sull’hardware e prestazioni migliori, C/C++ è un’ottima opzione. L’RP2040 ha un SDK (Software Development Kit) ufficiale C/C++ che fornisce un set completo di librerie e strumenti per lo sviluppo di applicazioni. L’SDK include driver per tutte le periferiche hardware dell’RP2040, come le interfacce GPIO, PIO, UART, SPI e I2C. Con C/C++, gli sviluppatori possono scrivere codice altamente ottimizzato che può sfruttare appieno l’architettura dual-core dell’RP2040. Ad esempio, durante l’implementazione di un sistema di acquisizione dati ad alta velocità, C/C++ può essere utilizzato per scrivere codice che legge in modo efficiente i dati da più sensori collegati ai pin GPIO dell’RP2040 e li elabora in tempo reale.

Strumenti e IDE

Sono disponibili diversi strumenti e ambienti di sviluppo integrati (IDE) per lo sviluppo di applicazioni per l’RP2040.

Thonny

Thonny è una scelta popolare, soprattutto per lo sviluppo di MicroPython. Ha un’interfaccia utente intuitiva che è facile da navigare, anche per i principianti. Thonny fornisce una shell Python integrata, che consente agli sviluppatori di testare interattivamente il proprio codice. Puoi digitare comandi Python e vedere immediatamente i risultati, il che lo rende un ottimo strumento per il debug e l’esplorazione delle funzionalità dell’RP2040. Per utilizzare Thonny con l’RP2040, è necessario prima collegare il Pico al computer tramite USB. Quindi, in Thonny, puoi selezionare l’interprete Python appropriato (MicroPython per RP2040). Una volta configurato, puoi scrivere, eseguire e debuggere il tuo codice MicroPython direttamente in Thonny.

VS Code

Visual Studio Code è un potente editor di codice multipiattaforma che ha guadagnato una notevole popolarità tra gli sviluppatori. Ha un’ampia gamma di estensioni disponibili, il che lo rende adatto allo sviluppo per RP2040. Per lo sviluppo C/C++, l’estensione “C/C++” di Microsoft fornisce funzionalità come l’evidenziazione del codice, intellisense (completamento automatico del codice) e supporto per il debug. Per MicroPython, l’estensione “MicroPython” offre funzionalità simili. Per configurare VS Code per lo sviluppo RP2040, è necessario installare le estensioni pertinenti e configurare le impostazioni di build e debug in base ai requisiti del progetto. Ad esempio, se si sta lavorando a un progetto C/C++, è necessario impostare il percorso del Pico SDK e configurare il debugger per funzionare con l’RP2040.

RP2040 Vs. RP2350 Chips

L’RP2040 e l’RP2350 sono microcontrollori sviluppati da Raspberry Pi. L’RP2040 è stata un’offerta iniziale, mentre l’RP2350 è un successore più avanzato con funzionalità migliorate. Ecco un confronto tra i due:

A side by side comparison image of RP2040 and RP2350 microchips labeled with their respective names
RP2040 and RP2350 Microchips Comparison
FeatureRP2040RP2350
Core ArchitectureDual Arm Cortex-M0+Dual Arm Cortex-M33 or Dual RISC-V Hazard3
Clock Speed133MHz150MHz
On-chip SRAM264KB520KB
Security FeaturesBasic security featuresArm TrustZone, Signed Boot, SHA-256, TRNG, Fault Detectors
Peripheral Interfaces2×UART, 2×SPI, 2×I2C, ADC, PWM, USB 1.1Enhanced peripherals, additional PIO state machines, more GPIO pins, higher power efficiency
PackagingSingle 7×7mm QFN56 option7×7mm QFN60 (RP2350A) with 30 GPIOs or 10×10mm QFN80 (RP2350B) with 48 GPIOs; both with 2MB stacked QSPI flash (RP2354A and RP2354B)

Conclusione

In conclusione, l’RP2040 è un microcontrollore notevole che ha avuto un impatto significativo nel mondo dei sistemi embedded e dello sviluppo di elettronica. Benvenuti a condividere le vostre opinioni o esperienze!

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