Was ist das Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4)?

Wenn Sie neu in der Raspberry Pi-Serie von Mikrocomputern sind, fragen Sie sich vielleicht, ob das Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4) für Ihren Anwendungsfall geeignet ist.

Was ist der Raspberry Pi CM4?

Das Raspberry Pi Compute Module 4 ist dem Raspberry Pi 4 sehr ähnlich.

Im Gegensatz zum Pi 4 ist der CM4 wirklich als Basis für die Entwicklung von Embedded-Anwendungen gedacht. Sie können ihn als das Herzstück des Raspberry Pi 4 ohne unnötige Funktionen betrachten.

Wenn Sie schnell einen Prototyp bauen möchten, können Sie das Raspberry Pi CM4 IO Board verwenden, das alle auf dem Raspberry Pi CM4 verfügbaren Schnittstellen zur Verfügung stellt, einschließlich eines PCI Express Gen 2 Steckplatzes, den Sie auf dem Raspberry Pi 4 nicht erhalten.

Letztendlich besteht der Zweck eines CM4 darin, dass Sie ihn in so einfache Projekte wie Digital Signage, Remote Desktops (Thin Clients), Automatisierung und Roboter einbinden können.

Industrielle Anwender sind einer der größten Zielmärkte für den CM4, aber auch kleine Unternehmen und Privatanwender können von ihm profitieren.

Raspberry Pi 4 vs. Compute Module 4

Der Schlüssel dazu ist die Anpassung.

Manche Leute mögen Macs, weil sie einfach funktionieren. Man kann ihn nicht großartig anpassen, aber man hat die Gewissheit, dass er funktionieren wird. Andere wiederum bauen sich gerne ihren eigenen PC mit Teilen von verschiedenen Herstellern.

Die Analogie erklärt den Unterschied zwischen dem Pi 4 und dem CM4.

Wenn Sie einen Raspberry Pi 4 kaufen, sind Sie auf 4x USB 3.0, Ethernet-Anschlüsse, CSI-Anschlüsse und USB-C für die Stromversorgung festgelegt, neben vielen anderen Aspekten, die durch den Pi 4 vorgegeben sind. Diese Kombination funktioniert jedoch nahtlos.

Mit dem Compute Module 4 können Sie eine Trägerplatine kaufen, die es Ihnen ermöglicht, es mit verschiedenen Methoden mit Strom zu versorgen, z. B. mit einem Barrel-Anschluss oder einem USB-C-Anschluss, je nachdem, was Sie kaufen. In manchen Situationen reicht USB-C am Pi 4 nicht aus - zum Beispiel, wenn Sie eine Einrichtung mit hoher Stromstärke haben.

Ein großer Unterschied zum Raspberry Pi 4 ist die Möglichkeit, eine Trägerplatine zu kaufen, die den PCIe-Steckplatz freilegt, was viel mehr Anpassungsmöglichkeiten eröffnet.

Was den Speicherplatz angeht, so verfügt der CM4 zwar bereits über eMMC auf den meisten Platinen, was viel zuverlässiger ist als die microSD-Karte des Pi 4, aber Sie können dies noch erweitern, indem Sie eine SSD mit Hilfe einer geeigneten Trägerplatine hinzufügen.

Warum liebt die Industrie den Pi CM4 so sehr?

Letztendlich kommt es auf die Anpassungsfähigkeit an.

Kommen wir noch einmal auf das Argument zurück, dass der CM4 und der Pi 4 sehr ähnlich sind.

Warum triumphiert der CM4 also über den regulären Pi 4?

Zum einen ist das Paket an Anschlüssen und Funktionen wirklich für den Heimgebrauch gedacht. Wenn Sie den Pi 4 zum Beispiel für ein Pflanzenbewässerungssystem zu Hause verwenden und die microSD-Karte ausfällt... nun, dann ist nur eine Pflanze verloren.

Andererseits könnten Industriekunden eine kritische Komponente in einem Kraftwerk betreiben. Man kann ein Kraftwerk nicht einfach mit einer microSD-Karte betreiben. Hier kommt der CM4 ins Spiel, denn er bietet industriellen Anwendern die Möglichkeit, ihre eigene Karte mit Speicherredundanzen, höherer Wärmetoleranz und industriellen Standard-Montageoptionen zu bauen und dabei von der geringen Leistung und der geringen Größe des CM4 zu profitieren.

Zertifizierungen sind in der Regel einer der größten Kostenfaktoren für die Zulassung eines Systems, und das ist ein Grund, warum die Anpassungsfähigkeit des CM4 für industrielle Anwender sehr attraktiv ist.

Ein weiterer Grund ist vielleicht die Gemeinschaft, die der CM4 seinen Konkurrenten voraus hat. Die Raspberry Pi-Gemeinschaft arbeitet zusammen, um verschiedene Software-Aspekte des Kernels am Laufen zu halten, so dass jeder in der industriellen Gemeinschaft davon profitieren kann.

Im Gegensatz zu den Einplatinen-Konkurrenten, bei denen man viel mehr Aufwand betreiben musste, um etwas auf diesem speziellen Einplatinen-Computer zum Laufen zu bringen. Beim Raspberry Pi CM4 gibt es Unterstützung durch die Community und Kontinuität.

Raspberry Pi CM4 Spezifikationen

Highlights von Raspberry Pi:

• Broadcom BCM2711 Quad-Core Cortex-A72 (ARM v8) 64-Bit SoC @ 1,5GHz
• H.265 (HEVC) (bis zu 4Kp60 decodieren), H.264 (bis zu 1080p60 decodieren, 1080p30 codieren) 
• OpenGL ES 3.1, Vulkan 1.0
• Optionen für 1GB, 2GB, 4GB oder 8GB LPDDR4-3200 SDRAM (je nach Variante)
• Optionen für 0GB ("Lite"), 8GB, 16GB oder 32GB eMMC Flash-Speicher (je nach Variante)
• Option für vollständig zertifiziertes Funkmodul:
  2,4 GHz, 5,0 GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac drahtlos;
  Bluetooth 5.0, BLE;
  Integrierter elektronischer Schalter zur Auswahl einer externen oder PCB-Antenne.

32 Varianten des Compute Module 4

Der Raspberry Pi CM4 ist in 32 Varianten erhältlich, die sich in RAM, WLAN-Option und Speicherkapazität unterscheiden.

In der Tat, Sie können die Verfügbare Kombinationen und entsprechende Preise (in Euro) in unserem Shop.

Ist der Raspberry Pi CM4 ein Ersatz für den normalen Pi?

Für den allgemeinen Gebrauch sind Sie mit einem normalen Raspberry Pi 4 besser beraten.

Mit dem Raspberry Pi CM4 und dem CM4IO-Board, das Anschlüsse wie HDMI, Ethernet, USB, GPIO-Pins und viele andere Anschlüsse des Raspberry Pi bietet, können Sie genau das Gleiche tun.

Allerdings sind viele Dinge auf dem Raspberry Pi 4 einfacher als auf dem CM4 plus IO Board:

Es gibt aber auch andere Trägerkarten, die sich besser eignen, um den CM4 zu einem Desktop-Computer zu machen.

Genau das ist die Stärke des CM4. Sie können ihn an verschiedene Boards anschließen, je nachdem, welche Anschlüsse und Funktionen Sie benötigen.

Zum Beispiel, die Raspberry Pi CM4 zu PI4B Adapter gefunden auf AliExpress kann Ihren CM4 in einen Raspberry Pi 4 mit dualem micro-HDMI, 4x USB 3.0, GPIO, CSI und Ethernet verwandeln.

Die Chipsee AIO-CM4-156 geht noch einen Schritt weiter. Die wichtigste Ergänzung ist der NVMe-SSD-Steckplatz, der als Speicherlösung noch besser ist als die eMMC des Compute Module 4. Dann gibt es noch die Standardanschlüsse, die man von einem Desktop erwartet: USB-Anschlüsse, USB-C-OTG-Anschluss, HDMI-Ausgang, Ethernet-Anschluss, microSD-Steckplatz, Audioausgang und GPIO.

Stromversorgung des Raspberry Pi CM4 (mit IO Board)

Die Stromversorgung des CM4 unterscheidet sich ein wenig von allen anderen Raspberry Pis.

Beim Raspberry Pi Zero, Pico und Pi 4 werden sie über den microUSB- oder USB-C-Eingang mit Strom versorgt.

Auf dem CM4 IO Board haben Sie eine Reihe von Möglichkeiten, wie Sie das Board mit Strom versorgen möchten.

Anschlüsse für die Stromversorgung des Compute Module 4

Lassen Sie uns zunächst über Anschlüsse sprechen.

Auf dem Raspberry Pi CM4 IO Board gibt es zwei Anschlüsse, die mit J19 und J20 gekennzeichnet sind. Lassen Sie uns über sie separat sprechen.

Haupt-Netzteil-Eingang: J19-Steckverbinder

Sie können das Raspberry Pi IO-Board über den Barrel-Anschluss an eine Stromversorgung anschließen.

Er nimmt einen 5,5×2,1 mm DC-Barrel-Tip-Stecker auf. Diese Stecker werden sehr häufig bei Routern, Laptops, Ladegeräten und vielen anderen elektronischen Geräten verwendet.

Sie sollten 12V bereitstellen, es sei denn, Sie haben nicht vor, den PCIe-Steckplatz, den externen Netzteilanschluss oder einen 12V-Lüfter zu verwenden. In diesem Fall können Sie ihn mit 7,5V bis 28V versorgen. Hier ist der genaue Wortlaut aus dem Datenblatt des Raspberry Pi CM4,

"Der +12V-Eingang versorgt den +12V-PCIe-Steckplatz, den externen PSU-Anschluss und den Lüfteranschluss direkt. Wenn diese nicht verwendet werden, ist eine breitere Eingangsversorgung möglich (+7,5V bis +28V).

J20 "Berg"-Stecker

J20 verwendet den "Berg"-Stecker, Teilenummer AMP/TE Connectivity 171822-4 oder ähnlich. Sie können diese Stecker auch in alten Computern finden, die über ein Diskettennetzteil verfügen.

J20 dient zwei Zwecken. Beginnen wir damit, wie Sie Ihren CM4 über diesen Anschluss mit Strom versorgen können.

Sie müssen 12V über das gelbe Kabel einspeisen. Die rote Leitung darf nicht mit 5 V versorgt werden.

Die andere Verwendung für J20 ist die Stromversorgung für PCIe-Peripheriegeräte. Wie im CM4-Datenblatt angegeben,

"Mit einer +12V-Versorgung über die DC-Barrel-Buchse ist der externe PSU-Anschluss (J20 mit +5V und +12V) ideal für den Anschluss von PCIe-Karten, die ein externes Netzteil benötigen. Sie sollten sicherstellen, dass die Netzteile nicht überlastet werden.

Wie viel Strom?

Für den Raspberry Pi gibt es keine empfohlene Stromversorgung für das CM4 und das IO-Board.

Es wird empfohlen, 9 W (bei 12 V) für den CM4 einzuplanen und dann noch etwas Spielraum für die an den CM4 angeschlossenen Peripheriegeräte zu lassen.

Einsetzen des CM4 in das IO-Board

Um Ihren Raspberry Pi CM4 in das IO-Board einsetzen zu können, muss er in die richtige Richtung zeigen.

Das Bild oben zeigt, wie der Raspberry Pi CM4 in das IO-Board eingesetzt wird.

Wichtig ist, dass das Raspberry Pi-Logo weiter von der PCIe-Karte entfernt sein sollte. Mit anderen Worten, der UFL-Anschluss (externe Funkantenne) sollte näher am PCIe-Anschluss liegen.

Drücken Sie auf das Compute Module und Sie sollten zwei Klicks hören, die anzeigen, dass beide Schienen eingestellt sind.

Beobachten Sie das Profil des CM4 und der IO-Platte und stellen Sie sicher, dass sie parallel zueinander sind. Wenn dies nicht der Fall ist, bedeutet dies, dass eine Schiene nicht richtig eingepresst wurde.

Schreiben eines Betriebssystems auf das CM4 mit IO-Board

Das IO-Board verfügt über einen SD-Kartenslot... aber Sie werden diesen SD-Kartenslot nur dann nutzen, wenn Sie einen CM4Lite ohne integrierten eMMC-Speicher gekauft haben.

Wenn Sie die Lite-Version haben, ist es so einfach wie das Flashen einer microSD-Karte, genau wie bei einem normalen Raspberry Pi.

Möglicherweise haben Sie jedoch die Nicht-Lite-Version, die einige weitere Schritte erfordert, bevor Sie den eMMC-Speicher einbinden können.

Sie benötigen:

• Jumper zum Kurzschließen von J2
• MicroUSB-Kabel zum Anschluss an Ihren PC
• Stromversorgung

eMMC-Boot deaktivieren

Wenn Sie eine eMMC haben, müssen Sie den eMMC-Boot deaktivieren, damit Sie den CM4 als Wechseldatenträger einbinden können. Dazu fügen Sie einen Jumper auf der ersten Spalte von J2 hinzu. J2 befindet sich zwischen dem CM4 und den Befestigungspunkten des Kamera-/Displaykabels.

Sie können einen Überbrückungsdraht von Buchse zu Buchse verwenden, der in vielen Starterkits erhältlich ist, oder Sie können eine "Kurzschlussbrücke" speziell für diesen Zweck kaufen.

rpiboot abrufen

Wenn Sie eine SD-Karte flashen, ist das ganz einfach. Du steckst sie in deinen Computer und schon ist sie fertig.

Da es sich jedoch um die eMMC-Versionen der CM4s handelt, benötigen Sie rpiboot, mit dem Ihr CM4 als Wechsellaufwerk gelesen werden kann.

Die Github Repo für rpiboot ist hier.

CM4 unter Windows einbinden

Wenn Sie Windows haben, gehen Sie vor und Laden Sie die rpiboot-Version hier herunter.

Entpacken Sie dann die ZIP-Datei, wechseln Sie in das win32-Verzeichnis und führen Sie rpiboot_setup.exe aus.

Windows Defender könnte Sie darauf hinweisen, dass sideloadete Software gefährlich sein könnte. Übergehen Sie die Warnung einfach.

Wenn der CM4 nicht mit Strom versorgt wird und der microUSB-Anschluss (J11) nicht eingesteckt ist, tun Sie dies jetzt und verbinden Sie den USB-Anschluss mit Ihrem PC.

Führen Sie rpiboot aus. Nach der Installation sollten Sie das Programm in Ihrem Startmenü finden können.

Lassen Sie es seine Schritte durchlaufen, und Sie werden Folgendes sehen:

Waiting for BCM2835/6/7/2711...
Loading embedded: bootcode4.bin
Sending bootcode.bin
Successful read 4 bytes
Waiting for BCM2835/6/7/2711...
Loading embedded: bootcode4.bin
Second stage boot server
Loading embedded: start4.elf
File read: start4.elf
Second stage boot server done

Es wird sich automatisch beenden und Sie sollten die Lautstärke des CM4 angezeigt bekommen.

Hier sehen Sie, wie es im Raspberry Pi Imager aussieht.

Flash away, Leute!

CM4 unter Linux einbinden

Die Anweisungen im rpiboot Github Repo erklären es deutlich. Ausführen:

sudo apt install git libusb-1.0-0-dev pkg-config
git clone --depth=1 https://github.com/raspberrypi/usbboot
cd usbboot
make
sudo ./rpiboot

Der Raspberry Pi weist darauf hin, dass Sie sicherstellen müssen, dass das Systemdatum korrekt eingestellt ist, da Git sonst einen Fehler ausgeben könnte.

CM4 unter macOS

Auf einem macOS sind die Schritte die gleichen. Nach dem Github Repo, sind hier die Schritte,

git clone --depth=1 https://github.com/raspberrypi/usbboot
cd usbboot
brew install libusb
brew install pkg-config
make
sudo ./rpiboot

Raspberry Pi CM4-Projekte

Der Raspberry Pi CM4 ist das Gehirn für ein Projekt und wird in der Freizeit und bei der Arbeit eingesetzt. Hier sind einige Projekte.

Spielen: CM4 Handheld

Das erinnert mich an den Pi 400, aber im Format einer tragbaren Spielkonsole.

Der Raspberry Pi CM4 Handheld stammt von Daniel Juckett, der ihm den Spitznamen "Aegis" gegeben hat.

Daniel zeigte, dass man auf diesem Handheld Spiele wie Deus Ex: Mankind Divided und Doom 2016 mit Moonlight über Retropie spielen kann. Man kann auch im Internet surfen und YouTube-Videos ansehen.

Aegis ist ein Open-Source-Projekt und können Sie das Github hier einsehen.

Mit dem CM4 konnte Daniel die Anordnung der Anschlüsse anpassen (im Gegensatz zu einem Pi 4 mit fester Anschlussanordnung). Für den Bildschirm verwendete er das offizielle 7″-Display des Raspberry Pi. Für die Controller verwendete er die Tasten und Joysticks der Wii U. Und schließlich verwendete er auch Lautsprecher und Rumpelmotoren.

Persönliche Datenverarbeitung: PiTray mini

Wenn Ihnen der Raspberry Pi 4 gefällt, Sie aber ein benutzerfreundlicheres System bevorzugen, dann könnten Sie die Verwendung des PiTray mini, entwickelt von Shengyuan Fang und Weihong Guan und verkauft von Sourcekit.

Die Größe des Boards ist ähnlich wie beim Raspberry Pi 4, aber es ist kein 1:1-Ersatz für den Pi 4.

Wie Sie sehen können, gibt es die guten alten GPIO, Ethernet und microSD-Steckplatz, aber Sie erhalten nur einen einzigen USB-Anschluss und einen Standard-HDMI-Anschluss (im Gegensatz zu 4 USB-Ports und 2 microHDMI auf dem Pi 4). Sie erhalten auch keine DSI, CSI, Audio-Buchse oder USB 3.0-Hubs.

Einige Anwendungsfälle hierfür sind der Aufbau von Clustern und die Ausnutzung der Vorteile der eMMC des CM4 gegenüber der SD-Karte des Pi 4 für mehr Stabilität und Geschwindigkeit.

Das PiTray ist eine budgetorientierte Lösung im Vergleich zum offiziellen IO-Board, da es wesentlich günstiger ist.

Selbstgehosteter Server: Turing Pi 2

Der Turing Pi 2 ist eine einfache Lösung für Leute, die ihre eigenen Server hosten und Dienste wie einen Heimassistenten, Medienstreaming, Spieleserver, VPNs, IoT-Server und vieles mehr betreiben wollen.

Mit dem Raspberry Pi CM4 können Sie die Leistung Ihres Servers je nach Auslastung erhöhen oder verringern. Dies hat den Vorteil, dass Ihr Server so ausgestattet ist, wie er für die Erfüllung seiner Aufgaben benötigt wird, und gleichzeitig sichergestellt ist, dass er nicht überlastet wird.

Was kann ich mit dem PCIe-Steckplatz machen?

Theoretisch können Sie jede Karte installieren, die PCIe verwendet.

Dazu gehören Grafikkarten, Speicherkarten über M.2, NVMe oder SATA, WiFi-Karten, USB-Karten und viele mehr.

Der begrenzende Faktor ist die Kompatibilität mit dem CM4, dem Betriebssystem und der Verfügbarkeit von Treibern.

Zum Beispiel sind Grafikkarten im Allgemeinen schwieriger auf dem IO-Board zu betreiben als etwas Einfacheres wie eine USB-Karte. Für erstere wird fast immer ein Treiber benötigt, und die Funktionalität ist nicht gewährleistet, während für letztere keine Treiber erforderlich sind und Sie die volle Funktionalität erhalten.

Eine vollständige Liste wurde von Jeff Geerling zusammengestellt und ist hier verfügbar. Diese Website listet die folgenden Kategorien von PCIe-Karten auf:

• GPUs (Grafikkarten)
• USB-Karten
• M.2 und NVMe-Adapter
• Netzwerkkarten (NICs) und WiFi-Adapter
• Multimedia (A/V) und Soundkarten
• SATA-Karten und Speicher
• PCIe-Switches und -Adapter
• Andere Karten (FireWire, Zeitkarte, etc.)

Alternative Trägerplatten zum offiziellen IO-Board

Es gibt viele Trägerkarten, die dem IO-Board verschiedene Anschlüsse und Funktionen zur Verfügung stellen.

Sie finden eine Zusammenstellung von Trägerplatinen, die für Ihren Anwendungsfall besser geeignet sein könnten, finden Sie hier.

CM4 und IO-Board-Galerie

Offizielles IO-Board

Wo kann ich einen CM4 kaufen?

Sie können CM4-Karten auf unserer Schwesterseite kaufen, buyzero.de.

Rechenmodul 4 (CM4)

CM4IO Board für Compute Module 4 (CM4 Evaluation Board)

Antennensatz für Compute Module 4 (CM4-Antennensatz)

Industrielle Anwender: CM4-Großaufträge und Lösungen

Wenn Sie ein industrieller Anwender des CM4 sind und Software- und Hardware-Lösungen benötigen, sollten Sie Kontaktieren Sie uns für Großbestellungen und Beratung.

Wir können kundenspezifische Software- und Hardware-Lösungen rund um den CM4 entwickeln.

In dieser Zeit der Knappheit stellen wir immer einen Teil unseres CM4-Bestandes für Design- und Forschungszwecke zur Verfügung.

Möchten Sie mehr über andere Raspberry Pi-Produkte erfahren? Lesen Sie unseren Artikel über den Raspberry Pi Pico W, hier.