تعرف على جهاز راسبيري باي Raspberry Pi

ستتعرف من خلال سلسلة المقالات هذه على تفاصيل جهاز راسبيري باي؛ الحاسوب الجديد الذي لا يتعدى حجمه حجم بطاقتك الإئتمانية، وستكتشف الكمّ الكبير من المكونات التي يدعمها، وما الذي ستقدمه لك هذه المكونات.

يُعَد راسبيري باي Raspberry Pi جهازًا مميزًا، فهو حاسوبٌ متكامل وظيفيًا ضمن علبةٍ صغيرة رخيصة الثمن، فلو كانت غايتك هي جهازٌ تستخدمه لتصفح الإنترنت أو للألعاب، أو كنت مهتمًا بتطوير برامجك الخاصة أو تصميم دوائرك الإلكترونية أو تجهيزاتٍ خاصة بك، فجهاز راسبيري باي ومجتمع هواته ومحترفيه الرائعين سيشكلان السند الحقيقي لك في كل خطوةٍ تخطوها.

تُعرف أجهزة راسبيري باي بأنها حواسيبٌ مجمّعةٌ على لوحة إلكترونية مفردة single board؛ فهي عبارة عن حاسوب مثل الحواسيب المكتبية أو المحمولة أو الهواتف الذكية، لكنه جُمِّع على لوحةٍ واحدةٍ طُبعت عليها جميع الدوائر الإكترونية المُكوِّنة له. يتمتع راسبيري باي مثل غيره من الحواسيب وحيدة اللوحة بميزةٍ مهمة، وهي أنه صغير الحجم، حيث لا يتعدى حجمه حجم البطاقة الائتمانية، ولا يعني ذلك إطلاقًا أنّ قدرته أضعف بل يستطيع تنفيذ ما يستطيع تنفيذه أي حاسوبٍ أكبر وأكثر استهلاكًا للطاقة، لكن ليس بالسرعة نفسها بالضرورة.

ظهرت عائلات راسبيري باي نتيجةً للرغبة في تشجيع طرقٍ أكثر تقدّمًا في تعليم الحوسبة حول العالم، وقد انطلقت من فكرةٍ بسيطةٍ تبناها مخترعي راسبيري، الذين أنشؤوا لاحقًا مؤسسة راسبيري باي غير الربحية والتي أثبتت شعبيتها الكبيرة، فقد بيعت بضعة آلافٍ من القطع التي جُمِّعت عام 2012 لاختبار أنواع المياه، وتبعها مباشرةً شحنٌ لملايين الأجهزة إلى كل أصقاع الأرض في السنوات التالية. وجدت هذ التجهيزات طريقها إلى المنازل وصفوف التعليم والمكاتب ومراكز البيانات والمعامل، وحتى إلى الزوارق المقادة ذاتيًا والبالونات التي تُطلق إلى الفضاء.

أُصدرت نماذجٌ متعددة من راسبيري باي تباعًا بعد إصدار النموذج الأصلي B، وحمل كلٌ منها مواصفاتٍ محسنة أو ميزاتٍ مخصصة لاستخداماتٍ محددة، حيث تتميز العائلة راسبيري باي زيرو Raspberry Pi Zero مثلًا، بأنها نسخةٌ مصغرةٌ عن أجهزة راسبيري باي ذات الأبعاد الكاملة، لكنها تفتقر إلى ميزاتٍ عدة وخصوصًا منافذ USB المتعددة ومنفذ الاتصال مع الشبكات السلكية حتى يكون مخططها أصغر وأقل استهلاكًا للطاقة الكهربائية.

تشترك جميع نماذج راسبيري باي بميزةٍ هامةٍ، وهي التوافق Compatibility؛ فالبرنامج الذي تكتبه لنموذجٍ ما، سيعمل على كل النماذج الأخرى، كما أنك قادرٌ على نقل أحدث نسخةٍ من نظام تشغيل راسبيري باي وتشغيله على النموذج الأولي الأصلي (نموذج B)، حيث سيعمل ببطء بالتأكيد، لكنه سيعمل. سنتعرف خلال سلسلة المقالات هذه على راسبيري باي 4 نموذج B، وهو النموذج الأحدث والأقوى من أجهزة راسبيري باي، ومع ذلك من السهل تطبيق ما تعلمته على أية نماذجٍ أخرى من عائلة راسبيري باي، حيث لا داعي للقلق مما إذا كان نموذجك مختلفًا.

تُظهر أجهزة راسبيري باي جميع مكوّناتها ومنافذ اتصالها وجميع ميزاتها، على خلاف الحواسيب التقليدية التي تخفي تفاصيلها في حاويتها cases، ويمكنك طبعًا شراء حاويةٍ مستقلةٍ لراسبيري باي لحماية الجهاز إن أردت. سيتيح لك ذلك فرصةً رائعةً لتعلم كيفية عمل الأجزاء المختلفة للحاسب، وسيسهل عليك معرفة ماذا يحدث وأين، وذلك عندما نصل إلى المرحلة التي نتعلم فيها طريقة توصيل أجهزة إضافيةٍ إلى لوحتك، أو ما يُعرف بالطرفيات peripherals.

شكل 1-1 راسبيري باي 4 نموذج B

يُظهر الشكل السابق جهاز راسبيري باي 4 نموذج B كما يبدو من الأعلى. حاول أن تُبقي لوحة الجهاز في الوضعية التي نعرضها في الصورة عندما تستخدم هذا الكتاب لتعلم راسبير باي، فقد تختلط عليك الأمور في بعض مراحل العمل، مثل ترتيب الأرجل في واجهة الدخل والخرج العمومية GPIO، والذي سنتحدث عنه بالتفصيل في الفصل السادس. وعلى الرغم من وجود الكثير من الأشياء المُدمجة في لوحة راسبيري باي الصغيرة، لكن فهم هذا الجهاز يُعَد أمرًا يسيرًا. وسنبدأ بمكوّناته، وهي الدوائر التي تجعل كل شيءٍ يعمل.

مكونات راسبيري باي

يتألف الجهاز مثل بقية الحواسيب التقليدية من مكوّناتٍ مختلفة لكلٍ دورها في المنظومة، حيث ستجد المكوّن الأكثر أهميةً قريبًا من مركز اللوحة على الوجه العلوي مغطّىً بغطاءٍ معدني، وهو رقاقة النظام المدمجة System-On-Chip -أو اختصارًا SoC-، كما هو موضحٌ في الشكل التالي.

شكل 2-1 رقاقة النظام المدمجة

يوحي اسم هذا المكوّن بما ستجده إذا نزعت الغطاء المعدني، وهو رقاقةٌ سيليكونيةٌ معروفةٌ باسم الدارة المتكاملة integrated circuit، وتضم كامل منظومة راسبيري باي بما فيها وحدة المعالج المركزية Central Processing Unit -أو اختصارًا CPU-، التي تمثل من الناحية الوظيفية دماغ الحاسب، ووحدة معالجة الرسوميات Graphics Processing Unit -أو اختصارًا GPU-، التي تتعامل مع نواحي الإظهار البصري.

وطالما أن الدماغ سيغدو بلا فائدةٍ دون ذاكرة، فستجد إلى جانب رقاقة النظام رقاقةً أخرى تبدو مثل مربع بلاستيكي أسود كما هو موضحٌ في الشكل الآتي، وهي ذاكرة الوصول العشوائي Random Access Memory -أواختصارًا RAM-. ستكون ذواكر الوصول العشوائي مسرحًا لتنفيذ كل أعمالك التي لن تنتقل إلى الذاكرة الدائمة المتمثّلة ببطاقة ذاكرة من النوع microSD إلا عندما تخزِّن عملك.

يُعرف نوعا الذاكرة السابقين بالذواكر المتطايرة والذواكر الدائمة غير المتطايرة؛ حيث تفقد ذواكر الوصول العشوائي المتطايرة RAM محتواها عند انقطاع التغذية الكهربائية، بينما تحتفظ الذاكرة غير المتطايرة الموجودة على بطاقة microSD بمحتواها.

شكل 3-1 ذاكرة الوصول العشوائي لجهاز راسبيري باي

ستجد على الزاوية اليمينية العليا من اللوحة غطاءً معدنيًا آخر يغطي منظومة الراديو التي تمنح جهاز راسبيري باي القدرة على الاتصال اللاسلكي كما هو موضحٌ في الشكل التالي، وتضم المنظومة وظيفيًا مكوّنين، أحدهما مكوّن الاتصال اللاسلكي بتقنية WiFi للاتصال مع شبكات الحاسب، والآخر مكوّن الاتصال اللاسلكي بتقنية بلوتوث Bluetooth للاتصال مع الطرفيات مثل الفأرة، أو نقل البيانات من وإلى الأجهزة الذكية المجاورة مثل الهواتف والحساسات.

شكل 4-1 وحدة الاتصال الراديوي

تُشاهد على الحافة السفلية للوحة رقاقةً سوداء أخرى مغلفةً بالبلاستيك خلف مجموعة منافذ الناقل التسلسلي العالمي Universal serial Bus -أو اختصارًا USB-؛ وهي رقاقةٌ التحكم بمنافذ USB والمسؤولة عن تشغيلها، كما ستجد إلى جانبها رقاقةً التحكم بالشبكة السلكية؛ وهي رقاقةٌ سوداء أصغر حجمًا تدير منفذ الاتصال السلكي المحلي Ethernet.

ستجد في الناحية اليسارية العليا وإلى الأعلى قليلًا من مأخذ التغذية الكهربائية للّوحة عبر منفذ USB-C، رقاقةً سوداء أصغر حجمًا من بقية الرقاقات تُعرف باسم الدارة المتكاملة لإدارة الطاقة Power Management integrated circuit -أو اختصارًا PMIC-، كما هو موضحٌ في الشكل التالي؛ حيث تدير هذه الدارة الطاقة الكهربائية التي تصل عبر منفذ USB-C لتغطي حاجة جهاز راسبيري باي.

شكل 5-1 الدارة المتكاملة لإدارة الطاقة PMIC

لا تقلق إن بدا لك الأمر صعبًا، فلست مضطرًا إلى معرفة موضع كل مكوّن أو دوره لتستخدم راسبيري باي.

منافذ الاتصال في راسبيري باي

يضم جهاز راسبيري باي مجموعةً من المنافذ التي سنستعرضها خلال السطور القليلة التالية.

منافذ الناقل التسلسلي العالمي USB

ستجد هذه المنافذ في وسط الحافة السفلية للوحة وإلى يمينها، وتمنحك القدرة على الاتصال مع الطرفيات المتوافقة مع الناقل USB، مثل الفأرة ولوحة المفاتيح وآلات التصوير الرقمية والذواكر المتنقلة flash drives. يوجد نوعين لمنافذ USB من الناحية التقنية هما على النحو الأتي:

USB 2.0: صُمم وفقًا للنسخة الثانية من معيار الناقل التسلسلي العالمي، وبالإمكان تمييزه من خلال القطعة البلاستيكية السوداء داخله.
USB 3.0: وهو المنفذ الأسرع بينهما، وصُمم وفقًا للنسخة الثالثة الأحدث من المعيار السابق، وتستطيع تمييزه من خلال القطعة البلاستيكية الزرقاء داخله.

الشكل 6-1 منافذ USB لجهاز راسبيري باي

منفذ الاتصال السلكي المحلي Ethernet

يتواجد على يمين منافذ USB -كما هو موضحٌ في الشكل التالي-، ويُعرف أيضًا بمنفذ الشبكة network port، ويُستخدم للاتصال مع شبكات الحاسوب سلكيًا عبر كابلٍ ينتهي بمقبسٍ من النوع RJ45 شبيهٍ بمقبس سلك الهاتف لكنه أوسع. ستجد مؤشرين ضوئيين LEDs أسفل المنفذ يمثلان مؤشري الحالة؛ يعطيانك فكرةً عن نجاح الاتصال من عدمه.

شكل 7-1 منفذ الاتصال السلكي لجهاز راسبيري باي

مخرج صوتي-بصري AV

يتواجد على الحافة اليسارية للوحة راسبيري باي فوق منفذ الاتصال السلكي، ويُعرف أيضًا باسم مخرج سماعات الرأس، وهو بقطر 3.5 ميليمتر، كما هو موضحٌ بالشكل التالي. يُستخدم هذا المخرج لوصل الجهاز مع سماعات الرأس، كما يمكن وصله مع مكبر صوت Speaker للحصول على جودةٍ صوتيةٍ أعلى. لهذا المخرج ميزةٌ خفية، إذ بإمكانه نقل إشارة الفيديو، وبالتالي وصله إلى الشاشات أو أجهزة الإسقاط وغيرها من أجهزة العرض التي تدعم إشارة الفيديو المركبة التي تنتقل عبر كابلٍ ينتهي بطرفية الغلاف مدبب الرأس ثنائي الحلقة tip-ring-ring-sleeve -أواختصارًا TRRS-، وذلك تمامًا مثل المقبس التقليدي لسماعات الرأس التي تتصل بالهواتف المحمولة.

شكل 8-1 مخرج صوتي-بصري بقطر 3.5 ميليمتر

مدخل كاميرا التصوير

يتوضع فوق مخرج AV مباشرةً، ويأتي على شكل وصلةٍ غريبة المظهر مزودةٍ بغطاء بلاستيكي قابلٍ للسحب، ويُعرف أيضًا باسم واجهة الكاميرا التسلسلية Camera Serial Interface -أواختصارًا CSI-. يوضح الشكل التالي هذا المنفذ الذي يسمح بالاتصال مع الكاميرا المُصممة خصيصًا لجهاز راسبيري باي، والتي سنتعلم التعامل معها في الفصل الثامن.

شكل 9-1 وصلة كاميرا راسبيري باي

منفذ واجهة الوسائط المتعددة عالية الدقة micro-HDMI

يتوضع على الحافة اليسارية للوحة الجهاز وفوق وصلة الكاميرا مباشرةً، وهو منفذٌ من النموذج micro الذي يأتي أصغر حجمًا من منافذ HDMI المعيارية التي تراها في وحدات الألعاب أو أجهزة التلفاز، كما هو موضحٌ في الشكل التالي. تنقل هذه المنافذ إشارات الصوت والفيديو بجودةٍ عالية، ويمكنك استخدامها لوصل راسبيري باي بجهازٍ أو جهازي عرض، مثل شاشات الحاسوب أو أجهزة التلفاز أو أجهزة الإسقاط.

شكل 10-1 منفذ HDMI

منفذ USB-C للتغذية بالطاقة الكهربائية

يأتي مباشرةً فوق منفذ HDMI، ويُستخدم لإيصال التغذية الكهربائية إلى لوحة راسبيري باي كما هو موضحٌ في الشكل التالي. من المؤكد أنك رأيت منفذ USB-C في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وغيرها من الأجهزة المحمولة. ولا يُنصح بالطبع استخدام شواحن الهواتف المحمولة في تغذية راسبيري باي على الرغم من إمكانية ذلك، كما يفضّل استخدام مصدر التغذية المعتمد من قبل راسبيري باي.

شكل 11-1 منفذ USB-C كمدخل تغذية بالطاقة الكهربائية

واجهة شاشة الإظهار

وهي وصلةٌ شبيهةٌ بوصلة الكاميرا، حيث يوضح الشكل التالي موصل الشاشة display connector، أو واجهة شاشة الإظهار Display Serial Interface -أو اختصارًا DSI-، والتي تقع على الحافة العليا للوحة الجهاز، حيث تُستخدم لتوصيل شاشة اللمس الخاصة براسبيري باي الموضحة بالشكل الثاني.

شكل 12-1 وصلة DSI الخاصة براسبيري باي

شكل 13-1 شاشة لمس راسبيري باي

منصة GPIO

تكون منصة أرجل الدخل والخرج للأغراض العامة general-purpose input/output أو اختصارًا GPIO، متواجدةً على الحافة اليمينية للوحة راسبيري باي، وتتكون من 40 رِجلًا معدنيةً pins منتظمةً في صفين يضم كلٌ منهما 20 رجلًا كما هو موضحٌ في الشكل التالي. تستخدم راسبيري باي هذه الأرجل للتخاطب مع عناصر الوسط الخارجي، مثل المؤشرات الضوئية LEDs والأزرار وغيرها، بما في ذلك الحساسات الإلكترونية، مثل حسّاسات درجة الحرارة ومقابض الألعاب joysticks، وشاشات مراقبة معدلات النبض. سنتعرف على عمل هذه الأرجل في الفصل السادس المتمحور حول الحوسبة الفيزيائية وبرمجة المكوّنات باستخدام بايثون Python وسكراتش Scratch.

شكل 14-1 منصة GPIO

منصة أرجل التغذية عبر شبكة الاتصال المحلية PoE

منصة PoE هي اختصارٌ للمصطلح Power Over Ethernet، وهي تقنيةٌ لنقل الطاقة الكهربائية عبر سلكين ضمن كابل الاتصال، وتُستخدم هذه المنصة التي تقع أسفل ويسار منصة GPIO، والمؤلفة من أربعة أرجل أصغر حجمًا، مثل إضافةٍ لتغذية جهاز راسبيري باي عبر شبكة الاتصال السلكية المحلية بدلًا من منفذ USB-C.

موصل بطاقة الذاكرة من نوع microSD

وهو المنفذ الأخير الذي نستعرضه، ويقع على الوجه السفلي للّوحة مقابل مأخذ شاشة الإظهار DSI، كما هو موضحٌ في الشكل التالي. تمثل بطاقة الذاكرة microSD أداة التخزين الدائمة لنظام راسبيري باي، حيث توضع هذه البطاقة داخل الحاضنة المخصصة لها لتخزِّن كل الملفات التي تحتاجها، وكل البرامج التي تثبتها بالإضافة إلى نظام التشغيل الذي يقود الجهاز.

شكل 15-1 حاضنة بطاقة الذاكرة من نوع microSD

طرفيات راسبيري باي

لن يقدم لك جهاز راسبيري باي الكثير بمفرده، فحاله حال حاضنة الحاسوب المكتبي بمفردها، ومن أجل استغلال إمكانيات الجهاز لا بدّ من تأمين الطرفيات المناسبة، حيث ستحتاج بالحد الأدنى إلى بطاقة ذاكرة من نوع microSD لتخزين البيانات، وشاشة أو تلفاز لترى ما تفعل، إلى جانب لوحة مفاتيح وفأرة لإيصال تعليماتك، كما ستحتاج إلى مصدر تغذية بالطاقة الكهربائية يعطي الجهاز جهدًا ثابتًا مقداره 5 فولت وتيار شدته 3 أمبير أو أفضل. وهكذا ستحصل على حاسوبٍ قادرٍ على العمل تمامًا، وسنتعلم كيفية ربط هذه الطرفيات مع جهاز راسبيري باي في الفصل الثاني.

لا تمثل الطرفيات التي أشرنا إليها كل ما يمكنك استخدامه مع راسبيري باي، حيث تضم قائمة الطرفيات الرسمية التي تنتجها راسبيري باي مايلي:

حاضنة للوحة الجهاز Raspberry case، والتي تؤمن حمايةً للّوحة دون أن تعيق وصولك إلى المنافذ المختلفة للجهاز.
تجهيزة الكاميرا Camera Module: ستجد تفاصيلها في الفصل الثامن.
شاشة لمس راسبيري باي متصلة مع منفذ شاشة الإظهار وتؤمن عرضًا بصريًا وواجهة لمس على هيئة جدول.
الطرفية Sense HAT متعددة الوظائف والموضحة في الشكل التالي، وهي طرفيةٌ ذكيةٌ ترتبط بالجهاز Hardware Attached Top، وتنفذ العديد من الوظائف التي سنتعرف عليها في الفصل السابع المتمحور حول الحوسبة الفيزيائية باستخدام Sense HAT.
تجهيزات متنوعة من أطراف أخرى، حيث ستجد في الأسواق الكثير من الأدوات والتجهيزات تبدأ بتلك التي تحول راسبيري باي إلى حاسوبٍ محمول أو إضافاتٍ تمنح جهازك القدرة على فهم الكلام، وحتى الرد عليك.