GRUNDLAGEN

Geschichte des Banana Pi

Single-Board-Computer sind kein neues Phänomen, bereits Ende der 1990er gab es die Minimalcomputer für kommerzielle Kunden. Sie hatten primär zwei Einsatzbereiche: Der erste war die Entwicklung von Steuerungskomponenten für die Industrie. Die hierfür verwendeten Platinen wurden auf breite klimatische Einsatzbereiche optimiert, in kleinen Serien hergestellt, und die Hersteller garantierten eine lange Verfügbarkeit – das sorgte leider für hohe Preise. Bereits für einfache SBCs wurden mehrere Hundert Euro aufgerufen.

Der zweite Einsatzbereich war der als Musterplatine für die aufkommende Heimvernetzung, wie DSL-Router oder NAS (Network Attached Storage). Basierend auf den Referenzdesigns konnten Hardwarehersteller dann Software für DSL-Router und später die abgespeckten Platinen (weniger Schnittstellen, weniger Speicher) entwickeln. In Form von NAS und Router wurden die ersten Single-Board-Computer dann von der Community entdeckt, die mit eigener Firmware die Funktionalität erweiterte und so vollwertige Server für den Hausgebrauch schuf oder Linux-basierte Settop-Boxen zu Entertainment-Centern ausbaute.

Die frühen Jahre 

Die bekanntesten Geräte dieser Ära dürften der Linksys-Router WRT54G(L) und der erste populäre NAS-Server Linksys NSLU2 gewesen sein. Softwareseitig verschrieb sich das OpenWRT-Projekt (und das verwandte DD-WRT-Projekt) der Entwicklung einer schlanken Firmware. Debian arbeitete früh an Paketen für die typischerweise verwendeten MIPS- und ARM-Architekturen, sodass erfahrene Linux-Anwender mit den bekannten Paketwerkzeugen arbeiten konnten. Heutzutage gesellen sich mit Yocto Linux und uClibc Buildroot weitere Embedded Linuxe hinzu, und in Form von NetBSD und mit Einschränkungen FreeBSD stehen »echte Unixe« bereit.

Dennoch galten Single-Board-Computer bis vor ein paar Jahren als reines Nerd-Spielzeug. Das hatte vor allem zwei Gründe: Eine fehlende Anschlussmöglichkeit für Tastatur und Monitor machte das Debugging schwierig und erforderte zusätzliche Kenntnisse sowie zusätzliche Hardware in Form eines 3,3-V- oder 5-V-USB-Seriell-Adapters, um auf den Bootloader und vor Initialisierung der Netzwerkschnittstellen auf eine Konsole zugreifen zu können.

Die zweite Hürde waren fest verlötete »Massenspeicher« – meist Flash-Bereiche mit 2 bis 32 MByte: Schlägt die Installation eines Betriebssystem-Images fehl, muss umständlich aus dem Bootloader heraus per TFTP (Trivial File Transfer Protocol) eine erneute Installation gestartet werden – auch hierfür ist zusätzliche Software (im Sinne eines TFTP-Servers) notwendig, zudem brauchen Sie das nötige Expertenwissen im Umgang mit Bootloader und TFTP-Server.

Die ARM-Plattform

Ein Meilenstein für die Entwicklung heute omnipräsenter Minicomputer (Smartphones, Tablets, NAS-Geräte, Videoplayer etc.) war die Entwicklung der ARM-Prozessorfamilie. Entstanden ist diese im Umfeld der Universität Cambridge, als die Entwickler des »Volkscomputers« BBC Micros mit dem verbauten Prozessor unzufrieden waren. Mangels guter Rechenleistung zu günstigen Preisen entwickelten sie einfach einen eigenen Prozessor. Der trug zunächst den Namen Acorn RISC Machines – dabei ist RISC wiederum ein Akronym für Reduced Instruction Set Computing, was dafür steht, dass wenige, dafür hochoptimierte Befehle verwendet werden. Später wurde die Prozessorsparte ausgelagert, die Abkürzung steht seither für Advanced RISC Machines.

Für den Erfolg der ARM-Architektur dürften zwei Entscheidungen ausschlaggebend gewesen sein: Zum einen können ARM-Prozessoren mit wenigen Transistoren und damit billig gefertigt werden. Zum anderen baut ARM Holdings selbst keine Prozessoren, sondern entwirft nur die Kerne. Chiphersteller können diese Kerne lizenzieren und mit Peripherie wie einem Grafik-Chipsatz oder Hardware für Schnittstellen (SATA, Ethernet) kombinieren. Derart kombinierte, hochintegrierte Systeme nennt man System on a Chip, kurz SoC. Dieses Geschäftsmodell erlaubt die Herstellung günstiger Prozessoren, die exakt die benötigte Hardware mitbringen: ARM-SoCs in NAS-Geräten benötigen keine Grafikhardware, so kann man darauf komplett verzichten. ARM-SoCs in Android-Spielekonsolen dagegen integrieren separat lizenzierte Grafikkerne. 

Bei Redaktionsschluss war die 32-bittige ARM-Architektur ARMv7 die am weitesten verbreitete. ARMv8-Prozessoren, die 64 Bit und Virtualisierungsfunktionen kombinieren, waren bis dato nur in High-End-Smartphones und -Servern zu finden. Erfahrungsgemäß dürfte es bis 2017 oder 2018 dauern, bis die Vorteile von ARMv8 wirklich auf Single-Board-Computern zum Tragen kommen: Bei 1 GByte Arbeitsspeicher in durchschnittlichen SBCs ist viel Luft nach oben, bis die Grenze von 4 GByte der 32-Bit-Architektur erreicht ist, und Virtualisierung wird eher im Smartphone praktische Anwendungen finden (zur Trennung einer beruflichen und einer privaten Betriebssysteminstanz) als auf Hobby-SBCs.

Der Raspberry Pi

Mit beiden Nachteilen der Routerboards und frühen Evaluationsboards räumte der Raspberry Pi auf: Der im Umfeld der Universität Cambridge entwickelte Einplatinencomputer war von vornherein als Billigcomputer für den Bildungsbereich konzipiert. Ganz oben auf der Agenda stand daher der Anschluss von Fernsehern – weil auch Schwellenländer anvisiert wurden, sogar in Form der gelben analogen Composite-Buchse der frühen Modelle. Organisiert ist das Raspberry Pi-Projekt relativ hierarchisch: Die Raspberry Pi Foundation kontrolliert die Weiterentwicklung der Hardware, deren Fertigung sowie die im »Standardbetriebssystem« Raspbian enthaltenen Programme. Hard- und Software sind erwartungsgemäß eng miteinander verzahnt, was die Einrichtung und Inbetriebnahme stark vereinfacht.

Dennoch gibt es Kritik an dem hierarchischen Entwicklungsmodell des Raspberry Pi: Der verwendete ARM-Prozessorkern (ARMv6) galt bereits bei Veröffentlichung des Computerchens als veraltet – sogar das anderthalb Jahre zuvor veröffentlichte Mobiltelefon Samsung Galaxy S verwendete einen moderneren. Das Kathedralenmodell sei zu unflexibel und stehe Innovationen im Hardwarebereich im Weg. Dazu gibt es noch weitere technische Kritikpunkte, die vor allem im verwendeten Broadcom-Chipsatz liegen: Dieser bindet die Ethernet-Schnittstelle am einzigen internen USB-Hub an, der zudem bei konkurrierenden Zugriffen als recht langsam gilt. Wer also gleichzeitig DVB auf Festplatte aufnimmt und übers Netzwerk auf Festplatte gespeicherte Filme ansieht, mag mitunter den Flaschenhals bereits spüren.

Einen Teil der Kritik geht das neueste Modell Raspberry Pi 2 an: Sein Vierkernprozessor basiert endlich auf ARMv7 – damit schließt es etwas zur Konkurrenz auf. Das ermöglicht zudem Synergien bei der Softwareentwicklung. Die verhältnismäßig langsame Anbindung von Ethernet und externen Speichermedien ist dagegen geblieben. 

Banana Pi – Raspberry weitergedacht

Ein komplett anderes Entwicklungsmodell verfolgt der an der technischen Universität Shenzhen (Shenzhen hat sieben Fachhochschulen und 12 Millionen Einwohner) erdachte Banana Pi. Die Anforderungen sahen zunächst ähnlich aus: Wie das Vorbild sollte der Banana Pi Studenten und Schülern höherer Klassen einen günstigen Computer bieten, und so unterschied sich die Schnittstellenausstattung zunächst kaum vom Raspberry Pi.

Allerdings gilt Shenzhen als die Elektronikmetropole überhaupt, in der ein großer Teil der chinesischen Fertigung von Settop-Boxen, Android-Sticks, Tablets, NAS-Devices und vielen weiteren Geräten stattfindet. In solch einer Umgebung sind Hardwarepartner mit viel Erfahrung bei der Integration bestimmter ARM-SoCs schnell gefunden. Gespielt wird meist über Bande mit drei oder vier beteiligten Unternehmen:

• Das erste Unternehmen spezifiziert die Hardware, gibt Platinenabmessungen, Schnittstellen, verwendete Chips und weitere Eckdaten vor und kümmert sich ums Marketing.
  
• Das zweite erstellt aus diesen Spezifikationen eine Platine – ein Printed Circuit Board, kurz PCB – und optimiert dieses auf günstige Fertigung.
  
• Das dritte fertigt die Platinen und bestückt sie, vor dem Beginn der Nullserie prüft es das Design und weist den Boarddesigner auf Optimierungsmöglichkeiten hin.
  
• Als vierte Instanz kommen häufig freie Softwareentwickler ins Spiel, deren Auftrag lautet, eine Linux-Distribution oder Android so weit anzupassen, dass Kunden, die die Hardware in großen Stückzahlen ordern, eine brauchbare Basis für eigene Betriebssysteme haben.
  

Nicht umsonst heißt Shenzhen auch »Werkbank der Welt«: Internationale Elektronikaufträge werden erstaunlich arbeitsteilig wie an einer Werkbank zwischen mehreren Unternehmen hin- und hergeschoben.

So auch beim Banana Pi: Die unter lemaker.org firmierenden Erfinder des Banana Pi vergaben die Boarddesigns an das recht junge Unternehmen lamobo.com, verpflichteten den Hardwarehersteller sinovoip.com mit der Herstellung der Platinen und überließen erste Softwareanpassungen ebenfalls Lamobo (Android) und Sinovoip (Linux).

LeMaker wählte als Chipsatz des ersten...