PICO(S)

PICO(S) — это семейство микроконтроллеров, разработанное британской компанией Raspberry Pi Foundation. Первая модель, Raspberry Pi Pico, была выпущена в январе 2021 года. Микроконтроллеры серии PICO ориентированы на встраиваемые системы, проекты «Интернета вещей» (IoT), образовательные задачи и любительскую электронику. Ключевой особенностью является использование собственного микропроцессора RP2040, созданного инженерами Raspberry Pi, а также низкая стоимость и компактный форм-фактор.

История

Разработка микроконтроллера началась в 2019 году, когда команда Raspberry Pi Foundation решила создать собственный чип для снижения зависимости от сторонних поставщиков (таких как Microchip и STMicroelectronics) и для расширения линейки продуктов в сегменте недорогих встраиваемых решений. Проект получил кодовое название «Pico» — по аналогии с пико-форматом (1/10 от микро). В январе 2021 года состоялся официальный анонс Raspberry Pi Pico на базе чипа RP2040. Устройство сразу привлекло внимание сообщества благодаря цене около 4 долларов США и возможности программирования на MicroPython и C/C++.

В 2022 году была выпущена модификация Raspberry Pi Pico W (Wireless), оснащённая модулем Wi-Fi (чип Infineon CYW43439). В 2023 году вышла версия Raspberry Pi Pico WH с предустановленными штыревыми разъёмами (pin headers) для удобства макетирования. В 2024 году анонсирован Raspberry Pi Pico 2 на новом чипе RP2350, который получил более мощное ядро, поддержку аппаратного шифрования и увеличенный объём памяти.

Архитектура и характеристики

Микроконтроллер RP2040

Основой всех моделей PICO (кроме Pico 2) является чип RP2040, изготовленный по 40-нм техпроцессу TSMC. Его ключевые характеристики:

• Ядро: два ядра Arm Cortex-M0+ с частотой до 133 МГц (в разгоне до 200 МГц).
• Память: 264 КБ статической оперативной памяти (SRAM), 2 МБ флеш-памяти (QSPI) на плате.
• Периферия: 30 программируемых контактов ввода-вывода (GPIO), 4-канальный АЦП (12 бит), 16 каналов ШИМ, 2 интерфейса UART, 2 интерфейса SPI, 2 интерфейса I²C, 8 программируемых вводно-выводных блоков (PIO).
• Уникальная особенность: программируемые блоки ввода-вывода (PIO) — аппаратные конечные автоматы, позволяющие эмулировать любые цифровые протоколы (например, WS2812, DVI, SDIO) без загрузки основного ядра.

Микроконтроллер RP2350 (Pico 2)

В 2024 году представлен чип RP2350, который стал основой для Raspberry Pi Pico 2. Его характеристики:

• Ядро: два ядра Arm Cortex-M33 (с поддержкой TrustZone) или два ядра RISC-V Hazard3 (выбор при загрузке).
• Память: 520 КБ SRAM, 4 МБ флеш-памяти.
• Периферия: 30 GPIO, 4-канальный АЦП (12 бит), 16 каналов ШИМ, 2 UART, 2 SPI, 2 I²C, 12 PIO-блоков.
• Безопасность: аппаратное шифрование (AES-256, SHA-256), генератор случайных чисел (TRNG), защита от чтения прошивки.
• Энергопотребление: снижено до 0,4 мкА в режиме глубокого сна.

Модели и их отличия

Программирование

Официальные SDK

Raspberry Pi Foundation предоставляет два основных набора инструментов для разработки:

• Pico SDK (C/C++): полноценный комплект для профессиональной разработки, включающий библиотеки для работы с периферией, PIO, USB-устройствами и файловой системой. Компиляция осуществляется с помощью GCC для Arm.
• MicroPython: оптимизированная версия Python 3, предустановленная на большинстве плат. Позволяет быстро прототипировать проекты без глубоких знаний C.

Сторонние средства

• Arduino IDE: поддержка добавлена через плагин (Arduino-Pico), что позволяет использовать платформу в среде Arduino.
• CircuitPython: версия MicroPython от Adafruit, адаптированная для PICO.
• Zephyr RTOS: операционная система реального времени для встраиваемых систем, поддерживающая RP2040.
• FreeRTOS: портирована сообществом.

Загрузка прошивки

Плата не имеет встроенного отладчика. Прошивка загружается через USB-порт в режиме массового накопителя (Mass Storage Device, MSD): достаточно перетащить файл .uf2 в виртуальную папку. Для отладки используется интерфейс SWD (Serial Wire Debug) через отдельный программатор (например, Raspberry Pi Debug Probe или J-Link).

Применение

Благодаря низкой цене (от 3 до 8 долларов США в зависимости от модели) и гибкости, PICO(S) широко используется в следующих областях:

• Образование: обучение программированию на MicroPython, основам цифровой электроники, робототехники.
• Любительские проекты: создание метеостанций, умных светильников, игровых консолей (например, эмуляторов ретро-игр на базе PicoVision), систем автоматизации дома.
• Промышленность: встраиваемые контроллеры для управления станками, датчиками, исполнительными механизмами (благодаря PIO и низкому энергопотреблению).
• Научные исследования: сбор данных с датчиков, управление экспериментами, прототипирование устройств.
• Интернет вещей (IoT): модели Pico W и Pico 2 с Wi-Fi позволяют подключать устройства к облачным сервисам (MQTT, HTTP).

Критика и ограничения

Несмотря на популярность, серия PICO имеет ряд недостатков:

• Отсутствие Ethernet и Bluetooth: в моделях до Pico 2 нет встроенного Bluetooth, а Wi-Fi реализован только в версии W. Для подключения к проводным сетям требуется внешний модуль.
• Ограниченный объём памяти: 264 КБ SRAM и 2 МБ флеш-памяти недостаточны для сложных проектов (например, обработки видео или больших баз данных). Pico 2 частично решил эту проблему, увеличив SRAM до 520 КБ.
• Нет аналогового выхода: встроенный АЦП не имеет ЦАП, что требует внешних преобразователей для генерации аналоговых сигналов.
• Сложность с PIO: программируемые блоки ввода-вывода мощны, но требуют глубокого понимания аппаратного уровня, что затрудняет их использование для новичков.
• Отсутствие аппаратного отладчика: для профессиональной отладки необходимо приобретать отдельное устройство (Raspberry Pi Debug Probe).

Интересные факты

• Чип RP2040 был разработан с нуля командой из 12 инженеров Raspberry Pi Foundation за 18 месяцев.
• PIO-блоки позволяют эмулировать протокол VGA (640×480) без дополнительных компонентов — это используется в проектах ретро-игр.
• Raspberry Pi Pico W стал первым продуктом компании, выпущенным в серийное производство на заводе Sony в Уэльсе (Великобритания).
• В 2022 году Pico W был признан журналом «Make:» лучшим микроконтроллером года.
• На базе PICO созданы проекты, отмеченные наградами на международных хакатонах, включая систему мониторинга качества воздуха для умных городов.

Источники

• Raspberry Pi Foundation. «Raspberry Pi Pico Datasheet» (2021).
• Raspberry Pi Foundation. «RP2040 Datasheet» (2021).
• Raspberry Pi Foundation. «Raspberry Pi Pico W Datasheet» (2022).
• Raspberry Pi Foundation. «Raspberry Pi Pico 2 Datasheet» (2024).
• «Getting started with Raspberry Pi Pico» — официальное руководство (2021).
• Журнал «Make:» — обзор Raspberry Pi Pico W (2022).
• Статья «RP2040: The First Microcontroller from Raspberry Pi» на сайте Hackaday (2021).