Raspberry Pi

概要

Raspberry Pi（ラズベリーパイ、通称「ラズパイ」）は、Raspberry Pi財団（英国）が開発・販売するSBC（シングルボードコンピュータ）シリーズです。クレジットカードサイズの基板上にCPU・GPU・メモリ・各種I/Oを搭載し、Linuxを完全に動作させることができます。

2012年の初代モデルから2024年の最新モデルまで、累計出荷台数は6000万台を超え、世界で最も普及したシングルボードコンピュータとなっています。教育機関でのプログラミング学習・研究開発のプロトタイプ・デジタルサイネージ・産業用機器・スマートホームなど、用途は多岐にわたります。

標準OSはRaspberry Pi OS（旧Raspbian）で、Debianベースの64ビットLinuxです。PythonやC++・Node.jsなどで開発でき、40ピンのGPIOヘッダーを通じて電子回路との接続が可能です。また**Raspberry Pi Compute Module（CM）**というSoM（System on Module）形態の製品もあり、量産製品への組み込みにも対応しています。

歴史・背景

Raspberry Pi財団は、英国の大学のコンピュータサイエンス教育の質低下を課題視したEben Uptonらによって2008年に設立されました。コンピュータに触れる安価なデバイスを子供たちに提供することが目的です。

2012年2月に初代Raspberry Pi Model Bが35ドルで発売。ARM1176JZF-S（700MHz）・256MB RAM・Linuxが動作しました。初日で10万台を超える注文が殺到し、製造が追いつかない状況になりました。

その後の進化：

年	モデル	SoC	RAM
2012	Pi B	BCM2835 (Cortex-A6)	256MB〜512MB
2015	Pi 2 B	BCM2836 (Cortex-A7 ×4)	1GB
2016	Pi 3 B	BCM2837 (Cortex-A53 ×4)	1GB
2018	Pi 3 B+	BCM2837B0 (Cortex-A53 ×4)	1GB
2019	Pi 4 B	BCM2711 (Cortex-A72 ×4)	1〜8GB
2021	Pi Zero 2 W	RP3A0 (Cortex-A53 ×4)	512MB
2023	Pi 5	BCM2712 (Cortex-A76 ×4)	4〜8GB

2020年にはCompute Module 4（CM4）が登場し、DDR4・Wi-Fi内蔵・PCIeインターフェースを持つモジュール形態の製品として産業・量産用途を強化しました。

技術仕様

Raspberry Pi 5の主要スペック

項目	値
SoC	BCM2712（TSMC 16nm）
CPU	ARM Cortex-A76 クアッドコア @ 2.4GHz
GPU	VideoCore VII（OpenGL ES 3.1 / Vulkan 1.2）
RAM	4GB / 8GB LPDDR4X-4267
ストレージ	microSDカードスロット（UHS-I対応）
PCIe	FPC コネクタ経由でPCIe 2.0 Gen2 x1
USB	USB3.0 ×2、USB2.0 ×2
HDMI	microHDMI ×2（最大4K@60fps、HEVC 4K@60fps デコード）
カメラ	MIPI CSI-2 ×2（最大32MPカメラ対応）
ディスプレイ	MIPI DSI ×2
GPIO	40ピン（GPIO×26、I2C×2、SPI×2、UART×5、SDIO）
Ethernet	GbE（最大1Gbps）
Wi-Fi	802.11ac（2.4GHz + 5GHz）
Bluetooth	BT5.0 / BLE
RTC	外付けバッテリーで実現（Pi 5から内蔵RTC端子あり）
電源	5V/5A USB-C（PD 3.0）
消費電力	アイドル3〜5W、高負荷12〜15W
サイズ	85.6mm × 56.5mm

GPIO仕様

項目	値
ピン電圧	3.3V（5V耐性なし！）
最大電流	各GPIOピン最大16mA
合計出力	50mA合計（全GPIO経由）
機能	GPIO / I2C / SPI / UART / SPI / I2S / PWM
プルアップ	内蔵プルアップ/プルダウン抵抗（50kΩ程度）

動作原理

Raspberry Pi 5の起動シーケンス：

手順	内容
1	電源投入
2	BCM2712内蔵ブートROMが起動
3	SDカードからstart.elf（GPU ファームウェア）をロード
4	config.txtを読み込みハードウェア設定
5	u-boot.bin または kernel.imgを起動
6	Linuxカーネルが起動
7	systemdがユーザースペースを初期化
8	ログイン画面 / デスクトップ表示

# Raspberry Pi 5でGPIOを制御（gpiod推奨、RPi 5はrpioも使用可）
import gpiod
import time

# GPIO17をLEDとして点滅させる例
chip = gpiod.Chip('gpiochip4')  # Pi 5はgpiochip4
led_line = chip.get_line(17)
led_line.request(consumer='blink', type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)

try:
    while True:
        led_line.set_value(1)
        time.sleep(0.5)
        led_line.set_value(0)
        time.sleep(0.5)
finally:
    led_line.release()

# I2Cセンサー読み取り例（smbus2ライブラリ）
import smbus2
import time

bus = smbus2.SMBus(1)  # I2C1 (/dev/i2c-1)
SENSOR_ADDR = 0x48     # LM75温度センサーのアドレス

def read_temperature():
    data = bus.read_i2c_block_data(SENSOR_ADDR, 0x00, 2)
    temp = (data[0] << 8 | data[1]) >> 5
    if temp > 1023:
        temp -= 2048
    return temp * 0.125  # 0.125°C/bit

while True:
    print(f"Temperature: {read_temperature():.1f}°C")
    time.sleep(1)

用途・ユースケース

Raspberry Piが活躍する主な用途：

教育・プログラミング学習: 学校・学童でのScratch・Python・電子工作入門
スマートホーム・ホームオートメーション: Home AssistantサーバーとしてZigbee/Z-Wave/Matterデバイスを制御
デジタルサイネージ: 店舗・病院・空港の情報表示端末（Chromium + kiosk mode）
産業用HMIプロトタイプ: Qt/Pythonで動く機械操作パネルの試作
IoTゲートウェイ: センサーデータ収集・クラウド送信・ローカルML推論
AI推論サーバー: TensorFlow Lite・ONNX Runtimeでのエッジ推論（CM5予定）
メディアサーバー: Kodiによるメディアプレーヤー・Retr oPieゲームエミュレーター
ネットワーク機器: Pi-hole（DNSアドブロッカー）・OpenVPNサーバー・OpenWrt
カメラ・映像処理: 防犯カメラ・タイムラプス・GStreamerによる映像配信

実装・開発のポイント

Raspberry Pi Compute Module（CM4）

量産製品向けには**CM4（Compute Module 4）**を使います：

項目	値
SoC	BCM2711（Pi 4と同じ）
RAM	1〜8GB LPDDR4-3200
Flash	0〜32GB eMMC（またはSDカードレス）
Wi-Fi	802.11ac内蔵版 / 非内蔵版
コネクタ	DDR3 SODIMM互換 2×100ピン
温度範囲	0〜85°C（産業グレードはなし）

CM4用キャリアボードを自作することで、製品固有のコネクタ・電源・センサーを搭載できます。Raspberry Pi財団からキャリアボードの参照回路設計も公開されています。

SDカード vs eMMC

項目	microSD	eMMC（CM4内蔵）
信頼性	低め（振動・書き込み寿命）	高い（産業グレード）
速度	中程度（UHS-I最大104MB/s）	高速（HS400 200MB/s）
コスト	安い	高い
交換	容易	不可（ハンダ実装）

産業用途にはeMMC版CM4が推奨です。microSD採用の場合はSandisk Industrial・Kingston Industrial等の産業グレードカードを使い、書き込みをRAMディスクで最小化する対策が必要です。

Raspberry Pi OSの最適化

# 不要サービスの停止（ヘッドレス運用の場合）
sudo systemctl disable bluetooth
sudo systemctl disable avahi-daemon
sudo systemctl disable triggerhappy

# GPU メモリを最小化（グラフィックス不要時）
# /boot/config.txt に追記
gpu_mem=16

# tmpfsでSDへの書き込み削減
# /etc/fstab
tmpfs /tmp tmpfs defaults,noatime,nosuid,size=100m 0 0
tmpfs /var/log tmpfs defaults,noatime,nosuid,size=30m 0 0

他技術との比較

Raspberry Pi vs Arduino

項目	Raspberry Pi	Arduino
OS	Linux	なし（ベアメタル）
処理能力	高い（GHz）	低い（16MHz）
リアルタイム性	弱い（Linux割り込み）	強い（直接制御）
消費電力	中〜高（3〜15W）	非常に低い（数mW〜数百mW）
起動時間	数十秒	数ms
ADC	なし（外付け必要）	内蔵（6〜12ch）
価格	1,000〜1万円	500〜3,000円

Arduinoはリアルタイム制御に向き、Raspberry Piはデータ処理・ネットワーク通信・リッチなUIに向きます。両者を組み合わせる（Piでデータ管理、ArduinoでセンサーI/O）という設計パターンも一般的です。

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