因为树莓派新推的第二代MCU，工程师吵起来了

原创电子工程世界 2024-08-13 07:01

解密5G NR定位在分布式能源系统的同步控制应用 开放·连接 2025玄铁RISC-V生态大会

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2021年，树莓派推出其首款售价仅为4美元的MCU——Raspberry Pi Pico，它基于RP2040构建。而后又推出添加英飞凌CYW43439无线芯片的6美元Raspberry Pi Pico W。

时隔三年，再看这个产品，谁也没想到这一产品能够大获欢迎，不仅本身可玩性强，还被实际用在工业中。但仔细想想，这个产品又有许多设计上的不足，包括片上存储、低功耗空闲和封装选项等，同时内核速度也不够快。

前两天，树莓派推出5美元的Raspberry Pi Pico 2。这一次，他们不仅升级了内核和功能，还加入了RISC-V，这引发了工程师大规模的讨论。其中，不乏一些吐槽。

付斌｜作者

电子工程世界（ID：EEWorldbbs）｜出品

依然经济实惠的设计

Pico 2延续了Pico一代“经济实惠”这一准则进行了大量升级。

相同点方面，两款产品均基于40nm工艺节点制造，通过专用 QSPI 总线支持高达 16MB 的片外闪存，支持DMA控制器，全连接AHB横杆，片上可编程LDO（用于产生内核电压），2个片上PLL（用于生成USB和内核时钟），30个GPIO引脚（其中 4 个可用作模拟输入），外设支持2个UART、2个SPI 控制器、2个I2C控制器、USB1.1控制器和PHY。

不同点方面，SRAM近乎翻倍，从264KB片上SRAM升级到520KB；板载4MB的外部Flash，相对Pico的2MHz扩充了一倍；PWM 通道从16个提升到24个；从8 PIO状态机提升为3个可编程IO（PIO）模块，总共12个状态机。

RP2040

RP2350

核心架构

双 Arm Cortex-M0+

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

时钟速度

133MHz

150MHz

片上SRAM

264KB

520KB

板载闪存

2 MB QSPI

4 MB QSPI

GPIO

26(可支持4 x ADC)

USB

USB 1.1（Micro USB）

升级USB 1.1，支持主机和设备（Micro USB）

安全功能

基本安全功能

Arm TrustZone、签名启动、SHA-256、TRNG、故障检测器

外设接口

2×UART、2×SPI、2×I2C 、 ADC、PWM、USB 1.1

增强的外设、额外的PIO 状态机、更多的 GPIO 引脚、更高的电源效率

不止如此，这次树莓派还提供了更多的封装选项。我们都知道，Pico（RP2040）仅提供单个7×7mm QFN56封装选项，这次Pico 2（RP2350）提供四种不同选择：具有 30 个 GPIO 的7×7mm QFN60 封装（RP2350A）或具有48个GPIO的10×10mm QFN80封装（RP2350B）;以及每个型号都具有2MB的堆叠封装QSPI闪存（RP2354A 和 RP2354B）。

树莓派称，我们一如既往地坚持可负担的价格：尽管我们的硅芯片面积已经从RP2040的 2mm2增加到了5.3mm2，但RP2350A的价格仅比RP2040高10美分，3400个单元卷轴的价格为0.80美元，单单元数量为1.10美元。RP2350B将比RP2350A贵10美分，而RP2354变体将比他们的无Flash版本贵20美分。

在软件方面，推出了Pico SDK的更新版本，以及新的MicroPython和CircuitPython图像，与谷歌推出原生支持Pico 2的Pigweed SDK，此外未来还会支持Rust语言。

目前Pico 2已经开始在英国销售，价格为5美元。在日本，Switch Science和KSY计划在不久的将来开始销售。对于产能，树莓派表示，尽管目前渠道中的库存相对较少，但 Pico 2 正处于全速生产中，由合作伙伴Sony负责。此外，许多授权经销商都在运作预订和预留方案。

在年底之前，树莓派还将推出搭载与Pico W相同的Infineon 43439调制解调器的无线版 Pico 2 W，以及预安装0.1英寸排针的Pico 2和Pico 2 W版本。

M33和RISC-V双核齐飞

如果要找出Pico 2与Pico第一代最大的不同，就是内核。

第一代Pico基于双核配置Arm Cortex-M0+（133MHz）的RP2040，而这一次，树莓派RP2350提供了两种内核：一是150MHz的Arm Cortex-M33，一个是树莓派研发的150MHz Hazard 3 RISC-V内核。

从方便开展嵌入式教育的角度出发，树莓派基金会特别在RP2350中添加了两个 Cortex-M33和两个RISC-V核。在芯片的启动阶段，用户可以从4个核心中任选两个，由此产生了以下的组合：

双核Cortex-M33；
双核 RISC-V；
一个Cortex-M33和一个RISC-V。

从内核角度来看，这次Pico 2的确是“史诗级”升级。

首先，Arm Cortex-M33是Cortex-M3和Cortex-M4的继任者，性能更强，具有DSP浮点运算功能，它基于ARMv8-M架构，而M++则基于Armv6-M，整整差了两代。

对比起来，M33采用了TrustZone技术，支持PSA Certified认证，也就是说Pico 2更安全了；同时DSP拓展可以为系统增加85个新指令，支持扩展浮点单元 (FPU) ，也就是说Pico 2的AI性能提升了，很多MCU跑小型的边缘AI都靠DSP和FPU。

从Datasheet中，我们也看到，Pico 2的M33内核配备了DSP、FPU、MPU（用于任务隔离的存储保护单元，8个SAU区域、8个安全MPU区域和8个非MPU区域），同时支持TrustZone安全性和安全启动（签名启动支持、8KB的片上反熔丝一次性可编程OTP内存、SHA-256加速、硬件真随机数生成器TRNG）。

其次，RISC-V内核Hazard3可大有来头，它由树莓派的天才ASIC工程师Luke Wren业余时间所设计。Hazard3完全是他自己设计，并授权给树莓派。

据了解，Luke在16岁时利用空闲时间开始设计基于7400系列逻辑的处理器，并受到RISC-V ISA的启发。Hazard3是Luke之前设计之一Hazard5的分支，专注于在小硅封装内实现MCU时钟频率的最佳性能。从Hazard5到Hazard3的第一个实例的开发过程，Luke只用了不到一周的时间。

Luke把该内核的设计在GitHub（https://github.com/Wren6991/Hazard3）上以Apache 2.0的形式提供任何人学习。未来的处理器设计人员可以查看Hazard3的未经编辑的提交历史记录，并从 Luke的开发过程中学习，包括他的错误以及他如何纠正这些错误。学习处理器设计的学生可以在RP2350上开发和测试软件工作负载，修改处理器以包含他们自己的自定义指令，然后在FPGA上测试新版本。

通过GitHub公开的数据显示，Hazard3在RP2350配置中，跑分达到了3.81 CoreMark/MHz，接近Cortex-M33在Arm Compiler 6.17下4.06的结果。

此外，Hazard3兼容RISC-V RVI20U32 Profile，包括M、A 和C可选扩展以及B、Zbc、Zbkb、Zicsr、Zcb和Zcmp非Profile扩展。这些RISC-V内核可以在启动时选择，并可以访问所有MCU外设。

大部分工程师对于这种设计还是比较认可的，觉得树莓派这次有点东西，毕竟Pico 2很便宜，这次性能升级够看，而且RISC-V内核的发布比较让人意外。

也有工程师感到疑惑，设计得有点怪异，毕竟一个装有四个内核的芯片，但你一次只能使用其中的两个。其中两个内核有一个 FPU、一个 DSP、一个 MPU，并支持 TrustZone 安全性和安全启动，另外 2 个内核仅用于整数，但可以在没有任何安全性的情况下访问所有芯片资源（AFAICS，不经过MPU，很像玄铁C910向量单元），很奇怪的设计。的确，当人们从Pico（RP2040）的两个M0+之一中比重一个HDMI信号时，他们本可以用RV32I做同样的事情。对他来说，仍然是一个奇怪而令人费解的设计。

工程师反驳了上面的观点，他们认为树莓派是为了尽量控制成本，毕竟升级之后涨价了1美元。价格上涨对某些人来说可能是一种耻辱，尽管提供了额外的处理魅力。

非常注重安全的一代

我们都知道，这一次Pico 2里面包含很多安全方面的升级。为了让它更安全，树莓派“定了个小目标”。不仅是与DEF CON黑客大会合作，甚至是直接贴出10000美元的悬赏，奖励第一个发现漏洞的人。（悬赏计划：https://github.com/raspberrypi/rp2350_hacking_challenge）

根据树莓派的介绍，RP2350安全模型的基石是签名引导。如果启用了安全性，则只有使用私钥的二进制文件进行签名，且相应公钥的哈希值存储在 OTP 中的情况下，才能引导该二进制文件。防止攻击者运行任意代码大大增加了提取 OTP 内容(包括用于代码保护的加密密钥)的难度。

虽然RP2350使用多种技术，包括硬件快速故障检测器和我们正在申请专利的冗余协处理器，以保护控制流和数据完整性免受故障注入攻击，但他们想在启动过程中发现并修复缺陷。希望在RP2350部署到关键应用程序中之前尽早发现这些缺陷。

EEWorld论坛，工程师认为这一代产品之所以如此看中安全方面问题，估计是因为用到的M33核，这颗核心在之前出现过一些黑客事件。当然，相比来说，这颗芯片还是通用产品，只是增强了安全方面功能。

被争论的USB

在外网，工程师们争论的核心在于USB。他们认为，Pico 2使用之前相同的表面贴装micro-USB，这种USB总是从板上掉下来，或者数据引脚首先在背面分离。反观其它大多数MCU板（例如 esp32）都换成了USB-C，它在机械上更加坚固且可逆，有些则支持PD，以支持>5V的电源输出。

工程师们普遍认为，这是升级USB-C的好机会，毕竟这次推出了一个性能大升级的产品，没有换成USB-C很令人失望。

也有工程师猜测树莓派为什么一直使用使用micro-USB。一种可能性是为了保持兼容性，保持和上一代Pico一致，就像与Pi Zero 2 W保持其前身的硬件兼容性是一样的，有些OEM/工业客户可能依赖micro-USB连接器，设计师会想要“插头兼容性”。另一种可能性可能是会增加复杂度和产品的价格，毕竟想保持5美元还是挺难的。

除了没有换到USB-C，也有工程师对于USB 1.1有意见，他们需要主机设备延迟，而目前最多只能削减到1毫秒。他们发出疑问，USB 2.0是否存在技术或成本问题？拥有USB 2.0支持会让它变得史诗般美好。

有工程师解释，USB 2.0的芯片面积很大，需要为芯片边缘的物理体增加更多空间，因此硅领域的成本是很大的。此外，它还占用更多的 GPIO。所以说，虽然技术上可行（虽然需要大量的工作），但模具区域的成本令人望而却步。

备受争议的ADC

树莓派Pico（RP2040）是好产品吗？绝对是。但它为什么一直处在一个“不上不下”的地位，或许是因为ADC有一定问题，甚至被工程师称为“缺陷”。

去年，就有工程师发帖称“使用Pico有缺陷的ADC会收到多少错误”，他表示，RP2040中的ADC无法满足最初预期的性能，实际在使用时误差幅度很大，而且引脚在某些电压上误差幅度更高。

工程师曾经发帖分享，通过MicroPython编写的程序，测量ADC的差分非线性，即当信号扫过该范围时，是否存在缺失或接近缺失代码。最后发现，存在4个奇怪的峰值。同时，由于电容器充电和放电时波形的指数性质，直方图的两端高于中间，仔细检查输出文件会发现许多其他异常。

对于这个问题，有的工程师用软件简单修复了一些，似乎也能恢复正常，但很明显这种情况应用到工业中是存在问题的。

一个工程师就表示，曾考虑将RP2040芯片用在一个项目中，但“缺乏”ADC是一个杀手，因此我们最终换成了STM32。

在Pico 2（RP2350）发布以后，很多工程师第一时间就去Datasheet中寻找ADC修复相关的信息。他们在最新的RP2350的Datasheet中发现，RP2040-E11 所述，消除了代码 0x200、0x600、0xa00 和0xe00的差分非线性尖峰，将ADC的精度提高了约0.5 ENOB。将外部ADC输入通道的数量从4个增加到8个通道，仅在QFN-80封装中（海报说明：例如仅限 RP2350B）。

对用户来说，是个好消息，不过具体实际情况，还需要进一步测量。不过，至少树莓派意识到了这个问题，也在抓紧修复。

参考文献

[1] 树莓派官网：https://www.raspberrypi.com/news/raspberry-pi-pico-2-our-new-5-microcontroller-board-on-sale-now/

[2] 树莓派技术手册：https://datasheets.raspberrypi.com/rp2350/rp2350-datasheet.pdf?_gl=1*qge7dd*_ga*MTQ1NTEyNzczLjE3MjM0MzAwNDQ.*_ga_22FD70LWDS*MTcyMzQ0MjQ1NC4yLjEuMTcyMzQ0MjQ4NC4wLjAuMA..

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

[4] 树莓派论坛：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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