Raspberry Pi：コンパクトな高性能が選ばれる理由

Raspberry Piとは

まだRaspberry Piをご存知ない？ここに1,250万個の理由があります。英国Raspberry Pi財団の公式ブログ発表によれば、このプロジェクトは大学教育とテクノロジー愛好家（ギーク）向けに特別に設計されました。全ての期待を超え、1,250万台を販売。これは現代のコンシューマーテクノロジー現象と並行し、かつて大手メーカーだけが想像していた革新を家庭環境にもたらしました。

しかし、Raspberry Piとは何か？どんなモデルがある？何ができる？最も一般的な用途は？これら全ての疑問にお答えします。

1.1 Raspberry Piの簡単な歴史

2006年に構想され、2012年2月にリリース。ケンブリッジ大学の小グループで開発され、最重要ミッションは子供たちへのコンピュータ科学教育の促進です。最初の設計はAtmel ATmega644マイコンベース。2009年5月、英国ケンブリッジシャー・カルデコットでRaspberry Pi財団が慈善団体として設立（イングランド・ウェールズ慈善委員会規制）。主目的はコンピュータの利用、教育、理解を子供たちに発展させること。携帯可能で安価なコンピュータを作り、子供たちが恐れず使え、「開けて仕組みを見る」倫理を教えることが核心アイデアでした。

プロジェクトの思想家、デビッド・ブラベン（元ゲーム開発者）は、子供たちが楽しく自力でコンピュータの基本動作を理解し、デバイスを開発・拡張できることを最重要目標としています。共同創設者のエベン・アプトン（元Broadcom社員、Raspberry Piのソフト/ハードアーキテクト担当）は、学術教授グループとコンピュータ愛好家を招集し、1981年のAcorn BBC Microcomputerのように子供たちにコンピュータ科学を学ばせる目的でコンピュータを作りました。財団はARMアーキテクチャ向けディストリビューション（Raspbian=Debian派生、RISC OS、Arch Linux）をサポート。主にPython学習を推進し、Tiny BASIC、C、Perlもサポート。

Raspberry Piの仕様/設計

主な設計構成：

• チップセット Broadcom BCM2835：CPU ARM1176JZF-S 700MHz、GPU VideoCore IV
• 512MB RAMモジュール
• RJ45コネクタ：SMSC製lan9512-JZX内蔵、10/100Mbps接続
• USB 2.0バス ×2
• 3.5mmジャックによるアナログステレオ音声出力
• HDMIデジタル映像+音声出力
• RCAアナログ映像出力
• 汎用入出力（GPIO）ピン
• MicroUSB電源コネクタ
• SDカードリーダー

現在、Model AとModel Bの2モデルがあります

Model AはModel Bと異なり、USBポート1つのみ、Ethernetコントローラなし、RAM 256MB（Bは512MB）、価格は安価。RJ45ポートはないが、ユーザーがUSB-Ethernetアダプタを用意すればネットワーク接続可能。

Raspberry Pi内部のプロセッサはマルチタスク対応Broadcom BCM2835 SoC（System on Chip）。PC/ノートPCのプロセッサと異なるのは、SoC設計だけでなく、ARMと呼ばれる追加命令セットアーキテクチャを使用する点です。CPUはARM1176JZFS（浮動小数点ユニット付き）、700MHz動作、「TURBO」モードで1GHzオーバークロック対応（ボード寿命と保証を損なわず性能向上）。CPUはARMアーキテクチャv6ベース（Ubuntu等多くのLinuxディストリビューションは未サポート）。GPUはDual Core VideoCore IV Multimedia Co-Processor。Blu-ray品質コンテンツ移動可能（H.264最大40MBits/s）。OpenGL ES2.0とOpenVGライブラリ対応の3Dカーネル搭載。1080p30デコード対応。RAMは512MB SDRAM（Model B）。単一モジュールが通常400MHz、「TURBO」で600MHz動作。

従来のハードディスクはなく、SDメモリのリーダー/スロットを備え、安定状態のストレージシステム。システムブートはSDカードから行われ、OS全体を収容するため最低2GB容量が必要。公式ストアでOSプリロード済みSDカード販売あり。初回ブート後、USBディスクデバイスでストレージ拡張可能。初回ブート前にはカードにOSインストールが必要。

映像出力：RCA/コンポジット（PAL/NTSC）、HDMI（rev 1.3/1.4）、LCDパネル用DSIインターフェース。最終出力はDSI（Display Serial Interface）、タブレット/スマホのフラットスクリーンモニタで使用。音声出力：3.5mmジャックに加えHDMI経由も可能。HDMI使用時、適切に設定すれば映像と音声を1本のケーブルで伝送可能。HDMI入力がないディスプレイではジャック音声出力を使用。ネットワーク：SMSC製lan9512-JZX内蔵のRJ-45コネクタで10/100Mbps接続。PCと直接RJ45ケーブルで接続可能（クロスケーブル不要）。ネットワークコネクタにauto-MDI機能があり、自動再構成されるため。オン/オフボタンはなく、標準5V micro USBで給電。消費電流700mA（3.5W）。スマホ充電器の多くが対応だが、500mAのみのものは非対応（Piは700mA以上必要）。

ARM vs x86

1980年代後半にAcorn Computersが開発したARMアーキテクチャは、デスクトップPCではあまり知られていません。しかしモバイルデバイスでは圧倒的シェア。あなたのポケットのスマホもほぼ確実にARMベースのサービスコアを内蔵しています。BCM2835がARMベースであることは、Raspberry Piがオンボードmicro-USBの5V 1A電源のみで動作し、ヒートシンクが不要な理由を説明します。チップの低消費電力が、最複雑処理タスクでも残留熱を極めて少なくするからです。ただし、従来のPCソフトウェアとの互換性はありません。ほとんどのデスクトップ/ノートPCソフトはx86命令セット（AMD、Intel、VIA等）向けに構築されています。BCM2835はARM11世代（ARMv6ベース）。ARMv6は軽量で堅牢ですが、より高度なARMv7（ARM Cortexファミリ使用）というライバルがあります。ARMv7向けソフト（x86向け同様）は残念ながらBCM2835と互換性がありませんが、開発者が通常変換可能です。

サポートOS

サイズとコスト以外の重要な違いはOS（コンピュータを制御するソフトウェア）です。現在のPC/ノートPCの多くはMicrosoft WindowsまたはApple OS Xで動作。両者はクローズドソースで、独自技術による静かな環境で作られます。ソースコード（システムに指示するコンピュータ言語のレシピ）が厳重に秘匿されるため「クローズドソース」と呼ばれます。ユーザーは完全なソフトを入手できますが、如何に作られたかは見られません。

一方、Raspberry PiはGNU/Linux OSで動作するよう設計されています。WindowsやOS Xと異なり、Linuxはオープンソース。OSのソースコードを完全にダウンロードし、望む変更を加えられます。何も隠されず、全変更が公開されます。このオープンソース開発精神により、LinuxはRaspberry Piへ迅速に移植（ポータビリティ）されました。Debian、Fedora Remix、Arch Linux等、複数のLinuxバージョンがBCM2835で動作実績あり。各ディストリビューションは異なるニーズに対応しますが、全てオープンソースで互換性あり（Debianで書かれたソフトはArch Linuxでも完璧に動作、逆も然り）。

1.2 Raspberry Pi 1 Model A / Model B

Model AはRaspberry Pi 1プロトタイプの低価格版。RAM 512MB、USBポート1つ、40 GPIOピン、Ethernetポートなし。Model Bは上位プロトタイプで、Model AとRAM 512MBと40 GPIOピンを共有するが、USBポート4つとEthernetポートを搭載。小型、低コスト、低消費電力でプロジェクト統合に最適。

Raspberry Pi 2 Model B

第2世代。Pi 1 Model Bと多くの共通点があるが、最近の版はArm Cortex-A7クアッドコアCPU 900MHz、512MB RAMから、CPU Cortex-A53 900MHz、1GB RAMに変更。

Raspberry Pi 3 Model B

Raspberry Pi組織による最新モデル（記事執筆時3月発売）。Arm Cortex-A53 CPU、1.4GHz 64bit 4コア、1GB RAM、802.11 b/g/n/a高速デュアルバンドワイヤレスLAN、Bluetooth 4.2、Ethernet 300MBit/s（大幅高速化）。

Raspberry Pi Zero

購入可能な最小モデル。他モデルの半分サイズ。シングルコア1GHz CPU、512MB RAM、mini-HDMIポート、On-The-Go USBポート、カメラコネクタ搭載。内蔵ワイヤレスLAN 802.11n、Bluetooth 4.1。超小型コンピュータ、低コスト、最小消費電力、非常に安価。65mm×30mmの微小寸法でRaspberry Piのパワーを備えます。

製品	SoC	速度	RAM	USBポート	Ethernet	ワイヤレス/Bluetooth
RASPBERRY PI 1 MODEL A	BCM2835	700 MHz	512 MB	1	NO	NO
RASPBERRY PI 1 MODEL B	BCM2835	700 MHz	512 MB	4	YES	NO
RASPBERRY PI 2 MODEL B	BCM2836/7	900 MHz	1 GB	4	YES	NO
RASPBERRY PI 3 MODEL B	BCM2837	1400 MHz	1 GB	4	YES	YES
RASPBERRY PI ZERO	BCM2835	1000 MHz	512 MB	1	NO	YES

Raspberry Piプロジェクト

Raspberry Piの大きな成功要因の1つは、背後にある巨大な開発コミュニティ。分野のパイオニアとしての低コスト、小型、公式サポートが、コンピュータ科学とプログラミングベースの科学プロジェクトを学習・実験・開発したい多くの人々のお気に入りにしています。アマチュアプログラマー、学生、プロフェッショナルのアイデア実装を容易にするハードウェアです。定期的に新しい用途、無償プロジェクト、非常に活発で熱心なコミュニティによる無償サポートが登場。メディアセンター（フルHD動画再生）、コンソール/クラシックアーケードエミュレータ、NAS構築、Quake 3やMinecraft移植版プレイ、ロボティクス、ホームオートメーション、そしてもちろんプログラミング学習に使用。インターネット上に豊富なドキュメントとユーザーが存在し、あらゆる疑問を解決できます。

多くのユーザーが想像力を解き放ち、多数の興味深いプロジェクトを生み出しています。後ほどいくつか紹介し、最も一般的な用途も詳述します。

2.1 Raspberry Piとデジタル電子工作

Raspberry Piの大きなメリットの1つはGPIOポート。ユーザーがプログラム制御可能な入出力ポートで、LEDディスプレイ、LCD、リレー、ダイオード等、デジタル電子工作のテスト/実践用デバイスを全て接続可能。

GPIOポートプログラミングで最も一般的かつ純粋な方法はQT Creator使用。QTはグラフィカルユーザーインターフェース付きアプリケーション開発に広く使われるマルチプラットフォームライブラリ（コマンドラインツール、サーバーコンソール等）。しかし、グラフィカルインターフェース不要ならPythonで直接GPIO制御も可能。GPIO制御用PythonライブラリはRaspbian OSにプリインストール済み。

WebサーバーとNAS

Raspberry Piの低消費電力と低価格は、家庭用NAS構築に理想的。専用製品の性能には及ばないが、ローカルネットワークからのファイル集中管理に完全機能するソリューションを提供。自OSにSambaサーバーをインストール/設定し、フォルダ作成とユーザー権限設定で、ファイル共有/管理用Raspberry Piが完成。外部USBディスクストレージをRaspberry Piに接続して使用。また、任意のコンピュータと同様、Webサーバーとして設定可能。小型・低消費電力の利点で終日稼働に最適。WordPressインストールも可能。

2.2 Raspberry Piをマルチメディアセンターとして使う

Raspberry Piの最も普及した用途はマルチメディアセンター。XBMCの使いやすさとインストール容易さのおかげ。XBMC（「Xbox Media Center」としても知られる）はGNU/GPLライセンスのマルチプラットフォームエンタメマルチメディアセンター。初代Xboxゲームコンソール向けに最初に作られたが、開発チームがLinux、Mac OS X（Leopard、Tiger、Apple TV）、Microsoft Windows、Ouyaコンソールでネイティブ動作を許可。幅広いマルチメディアフォーマット対応、プレイリスト、オーディオビジュアライゼーション、スライドショー、天気予報、プラグインによる機能追加。Pythonベースのプラグインシステムで、TV番組ガイド、YouTube、オンラインサポート、高度な映画、ポッドキャスト等のアドオンで拡張可能。XBMCはGNUライセンス配布のコレクションで、ボランティアが自由時間に開発する趣味プロジェクト。Microsoftや他ベンダーによって制作/承認/推奨されていません。

Linuxで動作許可されているため、Raspberry PiのあらゆるOS/ディストリビューションで使用可能。

注目すべきは、XBMCを直接かつ追加困難なしでロードするよう修正・カスタマイズされた3つのディストリビューションが存在すること。OpenELEC、Raspbmc、Xbianの3つ。全て非常に類似し、同じ目的（RaspberryをXMBC使用のマルチメディアサーバーとして使用）に服します。3つともRaspbianのようなグラフィカル環境は不要で、XBMC環境を使用。これらディストリビューションにはHDMI CECプロトコル（Consumer Electronics Control）がプリインストール済み。AV Link標準を使用し、同一HDMIケーブルでリモコン機能を許可するプロトコル。単一ラインの双方向シリアルバスで、HDMI 1.0仕様で定義。TVが対応していれば（最近のTVはほぼ対応）、マウス/キーボードなしでTVリモコンでRaspberry Piを操作可能。オープンソースゆえ、これらプロジェクトの背後にあるコミュニティが継続的にプラグイン/アドオンを開発し、オンラインTV視聴、YouTube動画、P2Pサーバー、マルチメディアファイルのカバー/情報ダウンロード用スクレイパー等の新機能を追加し続けています。

Raspberry Piピンアウト

ピン配置（ピンアウト）！このGPIOピン配置ガイドは、Raspberry Pi GPIOピンのクイックかつインタラクティブなリファレンス、およびGPIOインターフェースの詳細ガイドを意図しています。

Raspberry Pi vs Arduino

主な違いを比較。各ボードに目的があることを認識し、処理速度、価格、性能、プログラミング容易性等のパラメータで議論。どちらが優れているかではなく、あなたの用途に何が最適かが目的。経験（両プラットフォームで複数プロジェクト実施済み）に基づき、Arduino UNO R3とRaspberry Pi 3で比較します。

4.1 処理能力

• Arduino UNO：ATmega328Pプロセッサ、20 MIPS（百万命令/秒）。8ビットAVR RISCアーキテクチャ、ハーバード型。ほとんどの命令が単一サイクルで実行。16MHzレゾネータ搭載。
• Raspberry Pi 3：BCM2837 Cortex-A7プロセッサ。高性能・低消費電力ARMアーキテクチャ、クアッドコア、1.2GHz動作。

結論：処理能力が重要なタスクではRaspberry Piが優位。

4.2 プロトコルと周辺機器

• Arduino UNO：UART、I2C、SPI、GPIO、PWM、ADC、コンパレータ割り込み。
• Raspberry Pi：UART、I2C、SPI、GPIO、PWM、USB、Ethernet、WiFi、HDMI。

結論：グラフィカルインターフェース展開、WiFi通信、USBウェブカメラ操作が必要ならRaspberry Pi。I2Cセンサからデータ読取、SPIメモリ書込、UART経由でGPS/GSM通信モジュール制御のみならArduinoが最適。比較点として、Arduinoハードウェアがレベルアプリケーションで優れていると考えるのは、データを常にPCに送って処理/表示できるから。

4.3 コストと起動

結論：Arduino UNOが明確に低コスト。現在でも多くの市場アプリケーションで特定要件（タイマー、センサデータ読取、制御サイクル実行比較等）が必要。低コストアプリケーション向けシステム設計で製品販売を狙うなら有利。

4.4 開発環境

• Arduino UNO：グラフィカル開発環境（GDE）は非常に限定的。プログラミングインターフェース、検証ボタン、ロードボタンのみ。シリアルターミナルと、新GDEではシリアルプロット（シリアルポートデータグラフ化）がある程度。設定変更やシステムデバッグ不可。大規模プログラム開発者には面倒。別GDE使用も可能だが、Arduinoの一般的アイデアから外れる。
• Raspberry Pi：多くのプログラム/言語と互換。C++とPythonでプログラミング可能なだけで大きなアドバンテージ。クロスコンパイル、EclipseやQT等のIDEインストール可能で、セミプロ環境の全ツール利用可能。OSプログラミングライブラリ（OpenCV等の人工視覚用）にもアクセス可能。

結論：Raspberry Piの方が多様で完全な環境。

4.5 結論

Arduinoはマイコンマザーボード。マイコンは単一プログラムを繰り返し実行するシンプルなコンピュータ。使いやすい。Raspberry Piは汎用コンピュータ、通常Linux OS搭載、複数プログラム同時実行。Arduinoより複雑。複数機能同時実行、インターネット簡単アクセス、メディアアクセシビリティ必要ならRaspberry Pi 3が最適。センサからの簡易読取、センサデータベースの少数出力、他機械部品との高速通信、ほぼインストール不要のクイックスタート希望ならArduino Unoが最適。

Raspberry Piの用途

5.1 Raspberry Piカメラ

Raspberry Piカメラは、固定焦点レンズを備えた高品質800万画素Sony IMX219イメージセンサ搭載のカスタム設計アドオンボード。3280×2464ピクセル静止画、1080p30、720p60、640×480p90動画対応。基本USBウェブカムより高スペック・高品質。機能満載のファームウェアがRaspberry Pi SOCのVideoCore GPUパワーを完全活用し、1080p動画30fps、720p 60fps、VGA解像度（640×480）90fps録画可能——スローモーション再生に最適。

5.2 Raspberry Piとしてのデスクトップコンピュータ

デスクトップコンピュータは家庭では衰退傾向。高性能ノートPCと便利なタブレットの登場で、場所を取る専用デスクマシンを必要とする人は減少。しかし、仕事関連タスクには依然として有用。スペースが貴重な人にとって、クレジットカードサイズのRaspberry Piは魅力的。では、Raspberry PiをデスクトップPCとして使えるか？

本記事前半で説明したメディアセンターやレトロゲームステーションを既に試したかもしれません。あるいはデスクトップPCがもはや目的に合わないかもしれません。いずれにせよ、Raspberry Pi 3（新しいほど良い！）は基本的な生産性目的での理想的なデスクトップ代替になります。

デスクトップPCとして活用するには多くの調整が必要。最初の課題は、日常使用していたGoogleアプリの大半を手放すこと。

Google Docsを開くと動作が遅くなる。

ブラウザが「このバージョンのSafariはサポートされなくなりました」と警告。Google Docsは動くが、時間経過で文書作成/編集可能に。しかし問題発生。Google Docsが最善でも、ボタンクリックと文字出現の間に僅かだが無視できない遅延が発生。全て動くが、無限の微小遅延が気になりGoogle Docs使用中止を決意。

もちろんLibreOfficeがあり、問題なく動作し、Google Docsと同等以上。ワードプロセッサだけならGoogle Docsを使う理由なし。LibreOfficeはワープロ、表計算、プレゼン等を備え、Pi 3で完璧に動作。Writerに切り替えれば完璧に動作、起動時のわずかな遅延のみ。

Google Docsを外せばGmailも軽くなり、完全に快適に使用可能。

Chromium（Chromeベースのオープンソースブラウザ）は、Piのターミナルから比較的容易にダウンロード/インストール可能。Gmail、Docs、Drive全てChromiumで良好動作。LibreOfficeはChromium上でもDocsより高速だが、全文書をあらゆるデバイスで利用できる利便性は捨てがたい。Chromiumでナビゲーションも容易。JavaScript大量サイトもそこそこ高速、クラッシュせず、ナビゲート容易。もちろん1000ドルノートPCより遅いが、日常使用に完全に許容範囲。

Chromiumはスクリプトブロッカー付きIceweaselより少し遅いかもしれないが、サイトを壊さない利点あり。

ChromiumとIceweaselはどちらか一方使用可能。しかしIceweaselとEpiphany同時実行は問題なし。両方同時使用（Google DocsとGmail間で5タブ）すると、1GByteメモリが満杯になり10〜20秒フリーズ。つまりChromiumはメモリ消費大。結論：公式Raspbian OSへの些細な調整と作業改善の工夫を厭わないなら、35ドルコンピュータで仕事は可能。1000ドルノートPCほど快適ではないが、これまでで最もPCに近いPi。どう見るかはあなた次第。電源5V 2Aで低消費電力（PCは最大250W、モニタ消費も現代LEDなら大したことない）も忘れずに。

5.3 Raspberry PiでAndroid

今やRaspberry PiでAndroid 8.1が使用可能。Raspberry Piは品質/価格で最高のミニコンピュータ。セットトップボックス、スマホ、タブレット向けのフリー・オープンソースOSで、Androidモバイルプラットフォームベース。複数OS選択肢があるが、ユーザーの制限の1つはRaspberry Piにインストール可能な公式Android OSがないこと。しかしLineageOSのおかげでこの問題は解決。LineageOSとは？

Raspberry Piのソフトウェア面での深刻な制限を解決するため、Raspberry Pi 3向け非公式LineageOS初イメージが登場。このイメージでAndroid 8.1 Oreoをこのミニコンピュータにインストールし、GoogleのモバイルOSと全アプリをこのデバイスで使用可能に。

Raspberry Pi 3でこのイメージを動作させるには、ダウンロードファイル約300MB、解凍後4.3GBイメージになるため、最低8GBのmicro-SDが必要。インストールは他のRaspberry Piイメージと同じ。ダウンロード・解凍後、「Win32 Disk Imager」等のツールでmicro-SDに書き込み、カード準備してミニコンピュータ起動。LineageOSコピー後、Raspberry Piに挿入すれば作業可能。開発者は上級者向けイメージと警告。エラー含有可能性あり（LineageOS 15.1ベース、Google SwiftShaderソフトウェアレンダリング使用）。本番チームやマルチメディアデバイスへの推奨はしないが、徐々に安定化し、Raspberry PiでAndroidを使える自然で無料の代替手段として確立を目指す。

結論

Raspberry Piは処理能力、低コスト、低消費電力により、コンピュータプログラミング学習開始に最適な選択肢です。この優れたコンピュータボードで、無限の学術プロジェクト、電子工作プロジェクト、レトロゲームが実現可能。パーソナルコンピュータの内部動作を理解することは、初心者から最経験プログラマーまで有益です。コンピュータボードと提供サービスの詳細については、ウェブサイトをご覧いただき、全サービスをご発見ください。