Pico

Pico — это семейство микроконтроллеров на базе собственных микропроцессорных ядер RP2040 и RP2350, разработанных британской компанией Raspberry Pi Foundation. Первая плата, Raspberry Pi Pico, была представлена в январе 2021 года и позиционировалась как недорогое и компактное решение для встраиваемых систем, образовательных проектов и прототипирования, в отличие от более мощных одноплатных компьютеров Raspberry Pi.

История

Разработка микроконтроллера Pico началась в 2017 году, когда команда Raspberry Pi решила создать собственный чип для снижения зависимости от сторонних поставщиков и оптимизации стоимости. Первым результатом стал микроконтроллер RP2040, выпущенный в 2021 году. Он стал первым продуктом компании, не являющимся одноплатным компьютером, и ознаменовал выход на рынок микроконтроллеров.

В августе 2024 года была анонсирована вторая версия — Raspberry Pi Pico 2 на базе нового чипа RP2350, который предложил повышенную производительность, дополнительные функции безопасности и поддержку двух архитектур (ARM Cortex-M33 и RISC-V). Платы Pico выпускаются в нескольких модификациях, включая версии с предустановленными разъёмами для WiFi и Bluetooth (Pico W, Pico 2 W).

Архитектура и характеристики

Микроконтроллер RP2040

• Ядро: Два ядра ARM Cortex-M0+ с частотой до 133 МГц.
• Память: 264 КБ SRAM, 2 МБ флеш-памяти на плате (внешняя).
• Интерфейсы: 26 программируемых выводов GPIO, UART, SPI, I2C, 2×PWM, 4×ADC (12 бит), 8 программируемых блоков ввода-вывода (PIO).
• Энергопотребление: Около 0,3 мА в режиме глубокого сна.
• Напряжение питания: 1,8–5,5 В (через встроенный стабилизатор).

Микроконтроллер RP2350

• Ядро: Два ядра ARM Cortex-M33 с частотой до 150 МГц или два ядра RISC-V Hazard3 (выбор архитектуры через загрузчик).
• Память: 520 КБ SRAM, 4 МБ флеш-памяти на плате.
• Интерфейсы: 26 GPIO, UART, SPI, I2C, 2×PWM, 4×ADC (12 бит), 8 PIO, поддержка USB 1.1 Host/Device, аппаратный криптографический ускоритель (AES, SHA-256, TRNG).
• Энергопотребление: Около 0,5 мА в режиме глубокого сна.
• Напряжение питания: 1,8–5,5 В.
• Безопасность: Аппаратная защита от физического взлома (OTP, защита загрузчика).

Программируемые блоки ввода-вывода (PIO)

Уникальной особенностью семейства Pico является наличие PIO (Programmable I/O). Это программируемые конечные автоматы, которые позволяют реализовывать нестандартные протоколы связи (например, WS2812B, DVI, SDIO) без использования дополнительных аппаратных модулей. PIO работает независимо от основного ядра, что снижает нагрузку на процессор.

Программное обеспечение

SDK и языки программирования

Официальная среда разработки — Raspberry Pi Pico SDK (Software Development Kit), написанный на C и C++. SDK включает библиотеки для работы с периферией, PIO, USB и файловой системой. Также поддерживаются:

• MicroPython: Интерпретатор, оптимизированный для микроконтроллеров, с полной поддержкой PIO и периферии.
• CircuitPython: Версия MicroPython от Adafruit, ориентированная на образовательные проекты.
• Arduino IDE: Поддержка через плагин, позволяющий использовать Pico как плату Arduino.
• Rust: Компилятор с поддержкой ARM Cortex-M0+ и RISC-V, с библиотеками для работы с периферией.

Загрузчик и прошивка

Плата Pico поддерживает загрузку прошивки через USB (режим загрузчика, активируемый удержанием кнопки BOOTSEL при подключении). Файл прошивки (UF2) копируется на виртуальный диск, после чего плата автоматически перезагружается. Для RP2350 также доступен режим загрузки через UART и SWD.

Разновидности плат

Применение

Образование

Pico широко используется в школах и университетах для обучения основам программирования, электроники и встраиваемых систем. Благодаря низкой цене (около 4–8 долларов США за базовую плату) и поддержке MicroPython, он доступен для массового использования.

Промышленность и автоматизация

Микроконтроллеры Pico применяются в промышленных контроллерах, системах сбора данных, мониторинга и управления. Благодаря PIO, они могут эмулировать интерфейсы устаревшего оборудования (например, параллельные шины) без дополнительных чипов.

Интернет вещей (IoT)

Модели Pico W и Pico 2 W с поддержкой WiFi и Bluetooth используются для создания датчиков, умных розеток, метеостанций и других устройств, подключённых к сети. Энергоэффективность позволяет работать от батарей в течение нескольких месяцев.

Робототехника

Pico применяется в качестве контроллера для небольших роботов, дронов и манипуляторов. Небольшие размеры (51×21 мм) и низкое энергопотребление делают его подходящим для автономных систем.

Медиа и развлечения

Благодаря PIO, Pico может генерировать видеосигнал DVI (через HDMI-адаптер) и аудиосигнал, что позволяет использовать его в ретро-игровых консолях, световых шоу и цифровых вывесках.

Критика и ограничения

• Производительность: Ядра Cortex-M0+ в RP2040 уступают по производительности более современным микроконтроллерам, таким как ESP32 или STM32F4, особенно в задачах с плавающей запятой (отсутствие FPU).
• Память: 264 КБ SRAM и 2 МБ флеш-памяти на базовой плате ограничивают сложность проектов. Для ресурсоёмких задач (например, обработка изображений) требуется внешняя память.
• Отсутствие аналоговых интерфейсов: Встроенный АЦП имеет низкое разрешение (12 бит) и всего 4 канала, что недостаточно для некоторых измерительных задач.
• Экосистема: На момент выхода Pico имел меньше библиотек и примеров по сравнению с Arduino или ESP32, хотя сообщество быстро заполнило этот пробел.
• Цена: Несмотря на низкую стоимость, Pico не всегда является самым дешёвым вариантом на рынке (например, ESP32-C3 стоит сопоставимо, но имеет встроенный WiFi).

Интересные факты

• Чип RP2040 был разработан с нуля командой из 12 инженеров Raspberry Pi за 2,5 года.
• PIO позволяет эмулировать интерфейсы, такие как VGA, DVI, SDIO и даже Ethernet (с ограничениями по скорости).
• Плата Pico может работать как USB-устройство (клавиатура, мышь, MIDI-контроллер) без дополнительного программирования.
• В 2022 году Raspberry Pi Foundation выпустила книгу «Get Started with MicroPython on Raspberry Pi Pico», которая стала бестселлером среди образовательных изданий.

Источники

• Raspberry Pi Pico Datasheet (RP2040), Raspberry Pi Foundation, 2021.
• Raspberry Pi Pico 2 Datasheet (RP2350), Raspberry Pi Foundation, 2024.
• Raspberry Pi Pico SDK Documentation, Raspberry Pi Foundation, 2023.
• «Get Started with MicroPython on Raspberry Pi Pico», Gareth Halfacree, 2022.
• Статья «Raspberry Pi Pico: A Review», Hackaday, 2021.
• Официальный сайт Raspberry Pi Foundation (raspberrypi.com).