Kleinstrechner-Vergleichstest: Raspberry Pi Zero gegen Orange Pi Zero
Zwei Kleincomputer im Vergleich. Der Raspi aus England gegen den Herausforderer aus China. Was sie leisten und wofür man sie einsetzen kann.
Anlässlich des 10. Geburtstags des Raspberry Pi haben wir zeitlos spannende Artikel rund um den Bastelcomputer aus unserem Fundus geholt.
Sowohl die Raspberry Pi Foundation als auch Shenzhen Xunlong bieten für Aufgaben der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (MSR) spezialisierte Varianten ihrer bekannten Prozessrechner an: Die Rede ist vom Raspberry Pi Zero und vom Orange Pi Zero.
Wir stellen die beiden für Maker- und IoT-Begeisterte interessanten Winzlinge in diesem Artikel vor und vergleichen sie. Außerdem zeigen wir, für welche Einsatzszenarien sie sich besonders eignen.
Dazu nehmen wir die Leistungsdaten von Raspberry Pi Zero und Orange Pi Zero genau unter die Lupe: Mithilfe diverser Benchmarks untersuchen wir, welche Leistung die Prozessoren entfachen, und eine Messung mit dem Oszilloskop analysiert den Output der GPIOs.
Der Raspberry Pi Zero
Die Raspberry Foundation hat in den vergangenen Jahren eine ganze Serie seiner Kleinstcomputer auf den Markt gebracht, von denen wir die zwei kleinsten hier näher vorstellen. Der noch etwas kleinere Raspberry Pi Pico ist ein Mikrocontroller-Evaluationsboard, das kein Linux-Betriebssystem ausführt. Deshalb betrachten wir diesen Kleinstcomputer hier nicht näher.
Damit bleiben Raspberry Pi Zero (ab 12,50 €) und Raspberry Pi Zero W (ab 16,49 €) im Rennen. Beide haben einen mit 1 GHz getakteten Einkernprozessor und 512 MByte RAM; für die Kommunikation mit der Außenwelt steht neben dem mit den größeren Modellen gemeinsamen 40 Pin-Header ein HDMI-Port sowie ein USB-Port zur Verfügung – beide im Mini-Format. Einen Ethernet-Anschluss gibt es bei beiden Winzlingen nicht, im Bereich der Langzeitunterstützung verspricht die Foundation eine Produktion bis Januar 2026.
Der Mehrpreis des Raspberry Pi W gegenüber seinem Kollegen ohne W rechtfertigt sich dadurch, dass er Unterstützung für die Funkprotokolle 802.11 b/g/n WLAN, Bluetooth 4.1 und Bluetooth Low Energy (BLE) mitbringt. Da im potenziellen Einsatzgebiet der Zero-Varianten der Raumbedarf und die Leistungsaufnahme eine wichtige Rolle spielen dürften, hier die entsprechenden Werte: Der Zero misst 60 mm in der Länge und 30 mm in der Breite. Für die Stromversorgung empfiehlt der Hersteller ein 1,2 A-Netzteil. Der typische Stromverbrauch liegt bei 150 mA.
Orange Pi Zero und Software
Orange Pi Zero
Beim Konkurrenten Shenzhen Xunlong laufen die Kleinversionen unter dem Namen Orange Pi Zero. Im MSR-Bereich stehen zwei Varianten unter dem Namen Orange Pi Zero bereit, die beiden Platinen haben entweder 256 MByte oder 512 MByte Arbeitsspeicher. Der Preis bewegt sich zwischen 20 und 25 Euro – je nach Bezugsquelle. Für die Außenkommunikation stehen ein Full Size-USB-Port, ein WLAN-Transmitter, ein Ethernet-Port und zwei proprietäre 2.54 mm-Steckverbinder zur Verfügung. Der Prozessor ist ein mit 1.2 GHz getakteter Vierkernprozessor.
Keines der beiden Boards unterstützt eine digitale Bildausgabe. Über eine für 3 US-Dollar erhältliche Erweiterungsplatine für den unteren Port lässt sich allerdings eine analoge TV-Signalausgabe nachrüsten.
Auf Basis des von RDAMicro gefertigten 8810PL steht eine Gruppe sehr preiswerter Boards zur Verfügung (ab etwa 10 US-Dollar), die vom im Orange-Pi-Bereich als Quasistandard geltenden ARMBian allerdings nicht unterstützt werden. Sie haben einen 40Pin-Steckverbinder und teilweise einen parallelen LCD-Ausgang oder ein 2G-Funkmodem. Während der Raspberry ein rechteckiges Format aufweist, tendiert das Orange-Pendant eher zu einem Quadrat mit den Maßen 46 x 48 mm. Je nach Auslastung der CPU bewegt sich der Stromverbrauch zwischen 175 und rund 600 mA.
Software für die Boards
Beim Raspberry Pi Zero W ist die Inbetriebnahme einfach. Das Raspbian-Image, das man von den anderen Modellen kennt, lässt sich auch auf der kleinen Version einsetzen.
Kritisch ist nur, dass der Raspberry Pi Zero W unübliche Schnittstellen mitbringt. Für die HDMI-Ausgabe kommt ein Ministecker zum Einsatz, der jedoch nicht mit dem vom Raspberry Pi 4 bekannten Micro-Port kompatibel ist, weshalb ein geeigneter Adapter erforderlich ist. Problem Nummer zwei ist die Stromversorgung: Es ist darauf zu achten, dass nur der mit PWR IN beschriftete Port zum Aufnehmen von Energie vorgesehen ist. Für das Anschließen von Maus und Tastatur benötigt man einen USB OTG-Adapter und einen Hub. Die Versorgung einer Maus und einer Tastatur gelang dem Raspberry Pi Zero W aus dem Netzgerät.
Systeme wie der Raspberry Pi Zero W werden im Allgemeinen ohne Display eingesetzt. Aus diesem Grund soll in den folgenden Schritten nur eine Einrichtung der WLAN-Interfaces vorgenommen und der SSH-Server aktiviert werden. In einem frisch ausgelieferten Raspbian-Image ist der SSH-Server aus Sicherheitsgründen deaktiviert. Für den Zugriff per SSH benötigt man die IP-Adresse des Zielsystems. Diese lässt sich mit einem IP-Scanner oder einem Blick auf die entsprechenden Router-Tools leicht ermitteln.
Die Bereitstellung des Betriebssystems ist in der Welt von Shenzhen Xunlong ein etwas komplizierterer Prozess. Das Unternehmen bietet eine hauseigene Download-Seite mit diversen Betriebssystem-Images, im Bereich Debian-basierter Linux-Systeme gilt allerdings das Projekt Armbian als erste Anlaufstelle für alle, die einen Orange Pi verwenden: Das Projekt stellt ein System extra für den Orange Pi.
Neben diversen noch in der Testphase befindlichen Betriebssystemen gibt es auch Varianten von Buster und Focal. Die Bezeichnung Buster steht in der Welt von Armbian für Debian 10, während Focal für Ubuntu 20.04 steht. In den folgenden Schritten soll wegen der besseren Vergleichbarkeit mit Raspbian mit Buster gearbeitet werden. Die erste Aktion besteht darin, das Image auf der Kommandozeile zu extrahieren:
tamhan@TAMHAN18:/media/tamhan/a1e6$ unxz
Armbian_21.05.1_Orangepizero_buster_current_5.10.34.img.xzLohn der Mühen ist die Extraktion der entsprechenden img-Datei. Sie lässt sich wie jedes andere Image auf eine SD-Karte brennen. Wegen des Fehlens eines HDMI-Ports ist die Inbetriebnahme etwas schwieriger: Stellen Sie eine Verbindung per Netzwerkkabel her und stecken Sie die MicroSD-Karte in den Kartenslot. Für die Energieversorgung steht ein MicroUSB-Port zur Verfügung.
Wer vom Raspberry Pi umsteigt, sollte dabei übrigens keine Gewalt anwenden. Shenzhen Xunlong setzt im Interesse höherer Robustheit auf einen aus Smartphones bekannten mechanischen Slot, der Speicherkarten durch eine Federmechanik festhält. Zum Entfernen der Karte müssen Sie diese in den Slot hineindrücken, um sie danach per Federkraft herausspringen zu sehen.
Nach der Stromversorgung sollten Sie dem OrangePi einige Minuten Zeit geben, um die Einrichtung hinter sich zu bringen. Für die Suche nach der SSH-IP setzen Sie am besten abermals Nmap ein. Im nächsten Schritt können Sie sich mit dem Rechner verbinden. Beachten Sie, dass der Standard-User in der Welt von Armbian auf den Namen root lautet und als Passwort die Sequenz 1234 erforderlich ist. Im Rahmen der initialen Aktivierung startet Armbian eine Art Startup-Skript.
Beachten Sie außerdem, dass sich die Software bei der Auswahl des Passwortes als streng erweist und im Wörterbuch befindliche Begriffe wie "raspberry" ablehnt. Als erste Aktion sollten Sie dann mit sudo apt-get update die Paketquellen aktualisieren. Nach der Einrichtung der beiden Prozessrechner wird den beiden Prozessoren im nächsten Abschnitt genauer auf den Zahn gefühlt.
CPU-Leistung, Netzwerkbandbreite und GPIO-Port
CPU-Leistung und Netzwerkbandbreite
Dazu soll auf beiden Systemen auf Sysbench zurückgegriffen werden, eine Benchmark-Applikation, die jeder Prozessrechner-Nutzer kennen sollte. Das Herunterladen erfolgt auf dem Raspberry Pi W mit apt-get. Er erleichtert uns das Leben, da er nur einen Kern mitbringt. Die Ausführung eines Benchmarks ergibt folgendes Ergebnis:
pi@raspberrypi:~ $ sysbench --test=cpu --num-threads=1 run
sysbench 0.4.12: multi-threaded system evaluation benchmark
Running the test with following options:
Number of threads: 1
. . .
Test execution summary:
total time: 248.2473sZum Vergleich hier die Ergebnisse eines Raspberry Pi IV, wenn man ihn ebenfalls auf einen Kern beschränkt. Offensichtlich ist, dass die alte interne Architektur des am Zero W verwendeten Prozessors die Leistung arg einschränkt:
Test execution summary:
total time: 92.7245sLeider war Sysbench zum Zeitpunkt, als der Artikel geschrieben wurde, für Armbian nicht als fertiges Binärpaket verfügbar. Zur Lösung des Problems bietet sich das Befolgen der von Sysbench bereitstehenden Anweisungen an. Sie lassen sich eins zu eins ausführen, statt der MySQL-Datenbank müssen Sie allerdings ihre kompatible Kollegin MariaDB laden:
root@orangepizero:~# apt -y install libmariadb-dev-compat libmariadb-dev
Nach der erfolgreichen Kompilation lässt sich nach folgendem Schema ein einkerniger Testlauf anweisen:
root@orangepizero:~/sysbench# sysbench cpu run
sysbench 1.1.0-ead2689 (using bundled LuaJIT 2.1.0-beta3)
Number of threads: 1
Prime numbers limit: 10000
. . .
CPU speed:
events per second: 39.24
Bei korrekter Parametrierung ist ein Testlauf unter Nutzung aller vier Kerne möglich:
root@orangepizero:~/sysbench# sysbench cpu --threads=4 run
sysbench 1.1.0-ead2689 (using bundled LuaJIT 2.1.0-beta3)
Number of threads: 4
Prime numbers limit: 10000
CPU speed:
events per second: 158.42
Leider sind die von SysBench 1.1.0 generierten Werte nicht direkt mit denen der Basisversion vergleichbar. Um diese zu erreichen, wurde der Benchmark auch am Raspberry Pi Zero W neu kompiliert. Das neu erstellte Kompilat lieferte folgendes Ergebnis:
root@raspberrypi:/home/pi/sysbench# sysbench cpu run
sysbench 1.1.0-ead2689 (using bundled LuaJIT 2.1.0-beta3)
Number of threads: 1
Prime numbers limit: 10000
. . .
CPU speed:
events per second: 30.76Offensichtlich ist, dass die Einkernleistung des Raspberry Pi Zero W nur rund 75 Prozent des OrangePi erreicht. Kann eine Aufgabe gut parallelisiert werden, so ist die Performance des OrangePi noch höher. Dies ist zum Beispiel für die Ausführung von FFTs oder anderen Signalkonditionierungsalgorithmen wertvoll.
GPIO-Port im Fokus
Die mit Abstand wichtigste Komponente eines Prozessrechners ist sein GPIO-Port. Der Raspberry Pi Zero W bietet an dieser Stelle nicht wirklich viel Anlass für Besprechungen. Analog zu seinen größeren Kollegen implementiert auch er die klassische 40 Pin-Schnittstelle, die jedem Maker geläufig ist.
Für das Anschließen von Sensoren benötigt man dabei normalerweise I2C und SPI. Der Raspberry Pi hat von Haus aus zwei SPI-Busse und einen I2C-Bus.
Am Orange Pi Zero sieht die Situation anders aus. Die Platine bietet zwei Header. Im Bereich der verfügbaren Busse ist die Orange Pi-Ausstattung ähnlich: Hier gibt es zwei I2C-Busse, aber nur einen SPI-Bus. Zudem ist die Anzahl der GPIO-Pins wegen der physikalisch geringeren Anzahl von Pins kleiner.
Ein Sonderfall, der in der Praxis Zeit und Kosten spart, verbirgt sich in der Abbildung ganz rechts. Die vier Signale USB-DM2, USB-DP2, USB-DM3 und USB-DP3 stehen für zwei USB-Differenzial-Signalpaare, die auf Seiten des Orange Pi Zero mehr oder weniger direkt mit dem Hauptprozessor verbunden sind.
Enthält eine Custom-Hardware Peripheriegeräte, die per USB anzusprechen sind, so kann der Orange Pi Zero die wesentlich bequemere Wahl sein. Es wird kein zusätzliches Kabel benötigt und die Signale lassen sich stattdessen über 2,54 mm-Stecker direkt in eigene Platinen überführen. Analoges findet sich übrigens auch mit den Pingruppen LINEOUT* und MIC*, die die Audio-Signale nach außen tragen.
GPIO-Leistung und Einsatzoptionen für Zeros
GPIO-Leistung
Für einen weiteren Vergleichstest werfen wir noch einen Blick auf die Möglichkeiten und Grenzen der beiden Prozessrechner im Bereich der GPIO-Signalausgabe. Als Erstes kommt der Raspberry Pi Zero W zum Einsatz, auf dem wir per SSH-Verbindung folgendes C-Beispielprogramm ablegen:
#include <wiringPi.h>
int main (void)
{
wiringPiSetup () ;
pinMode (7, OUTPUT) ;
for (;;)
{
digitalWrite (7, HIGH) ;
digitalWrite (7, LOW) ;
}
return 0 ;
}Die Interaktion mit externer Hardware erfolgt am Rasberry Pi im Allgemeinen über die WiringPi-API, die sich vom Design her an der gleichnamigen Programmierschnittstelle der Arduino-Boards orientiert. Wichtig ist an diesem Beispiel die Kompilation, die durch Einbindung einer zusätzlichen Bibliothek zu erfolgen hat:
pi@raspberrypi:~ $ gcc runthis.c -lwiringPi
pi@raspberrypi:~ $ ./a.outDie von der Bibliothek verwendeten Pin-Nummern sind am Zero physikalisch. Das folgende Bild zeigt die auf den Ausgabe-Pins erscheinende Wellenform.
Die Hardware-Kommunikation erfolgt im Orange Pi-Ökosystem ebenfalls im Stil von Wiring. Die Bibliothek steht hier allerdings nicht schlüsselfertig zur Verfügung, sondern muss nach den auf GitHub bereitstehenden Anweisungen kompiliert werden.
Interessanterweise lässt sich die Kompilation der Beispielprogramme dann durch das -l-Flag lwiringPi bewerkstelligen, auch der Name der zu inkludierenden Header bleibt identisch.
Änderungen sind bei der Beschreibung der Pins erforderlich. Möchten Sie abermals den physikalisch siebten Pin entscheiden, so müssen Sie Pin-ID Nummer zwei verwenden. Informationen über die Korrelation liefert das Programm gpio readall.
An dieser Stelle können wir auch diese Version des Programms zur Ausführung freigeben. Das folgende Bild zeigt, dass das GPIO-Subsystem (wohl aufgrund weniger starker Optimierungen der Bibliothek) etwas gemächlicher arbeitet.
Als zweiten Test wollen wir die Netzwerk-Übertragungsfähigkeit testen. Hierzu benötigen wir einen zweiten Rechner – im Test wurde ein ThinkPad T430 verwendet. Installieren Sie auf beiden Maschinen iperf, was unter Debian nach folgendem Schema erfolgt:
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get install iperf
Reading package lists... DoneDas ThinkPad soll als Maschine mit mehr Rechenpower die Rolle des Servers einnehmen. Gestartet wird der Testserver über ein Terminalfenster:
tamhan@tamhan-thinkpad:~$ iperf -sWechseln Sie danach auf den Raspberry Pi Zero W und befehligen Sie nach folgendem Schema einen Benchmark-Lauf. Die IP-Adresse ist dabei die IP-Adresse des ThinkPads, die Sie an ihre lokalen Gegebenheiten anpassen müssen:
pi@raspberrypi:~ $ iperf -c 192.168.2.75
------------------------------------------------------------
Client connecting to 192.168.2.75, TCP port 5001
TCP window size: 70.0 KByte (default)
------------------------------------------------------------
[ 3] local 192.168.2.156 port 52252 connected with 192.168.2.75 port 5001
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[ 3] 0.0-10.0 sec 31.6 MBytes 26.4 Mbits/secDie hier durchgeführten Benchmark-Werte blieben im Allgemeinen konstant. Der langsamste Wert im Test war 24,8. Am Raspberry Pi ist die Arbeit insofern bequem, als sich das WLAN über eine grafische Benutzerschnittstelle einrichten lässt. Am Orange Pi wird stattdessen das semigrafische Programm nmtui genutzt. Beachten Sie, dass es während der Einrichtung eine Änderung aller IP-Adressen durchführen kann, weshalb vorhandene SSH-Verbindungen verloren gehen.
Als weiterer Test bietet sich ein Netzwerkbenchmark an. Trotz der Verfügbarkeit eines Gigabit-Netzwerks ist der Test auf 100 MBit beschränkt, weil die Netzwerkkarte des Orange Pi Zero nicht gigabitfähig ist:
root@orangepizero:~# iperf -c 192.168.1.67
. . .
[ 3] local 192.168.1.77 port 48712 connected with 192.168.1.67 port 5001
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[ 3] 0.0-10.0 sec 113 MBytes 94.5 Mbits/secAls Nächstes folgte eine Gruppe von Scan-Läufen aus derselben Position, an der sich vorher der Raspberry Pi Zero W befand:
root@orangepizero:~# iperf -c 192.168.2.75
. . .
[ 3] local 192.168.2.21 port 45894 connected with 192.168.2.75 port 5001
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[ 3] 0.0-11.1 sec 8.38 MBytes 6.30 Mbits/secTrotz der Stubbel-Antenne des Orange Pi Zero sind seine erreichten WLAN-Leistungsdaten wesentlich schlechter.
Einsatzoptionen für die Zeros
Bei den Einsatzszenarien von Raspberry Pi Zero und Orange Pi Zero scheint vor allem der Formfaktor ein entscheidendes Auswahlkriterium zu sein. Immer dann, wenn bei einem MSR- oder Maker-Projekt der verfügbare Platz knapp bemessen ist, wird die Wahl auf einen der beiden Kandidaten fallen.
Ob Modellauto, intelligente Drohne oder ein Nistkasten mit Video-Überwachung – der Fantasie sind hier keine Grenzen gesetzt. Das Web ist voll mit Anregungen und Youtube voll mit einschlägigen Tutorials, die zum Nachbau oder zu Erweiterungen anregen.
Der bei beiden Kleinstcomputern vorhandene GPIO-Port und weitere Standard-Schnittstellen erlauben den Zugriff auf allerhand nützliche Peripherie. Das Spiel mit Sensoren und Aktoren beherrschen sowohl Raspberry Pi Zero als auch Orange Pi Zero nahezu perfekt und das noch, ohne viel Platz und Strom in Anspruch zu nehmen. Selbst Akku-Betrieb und Solarzellen zur Stromversorgung sind eine Option.
Fazit
War die Entscheidung für den Orange PI beziehungsweise gegen den Raspberry Pi im Bereich der großen Prozessrechner meist einfach, da die Orange-Angebote durch die Bank preiswerter und schneller waren, so präsentiert sich die Situation im Bereich der Zero-Serien schwieriger.
Einerseits steht außer Frage, dass der Raspberry Pi Zero W das bessere Software-Ökosystem aufweist und zudem wegen der Verfügbarkeit eines Bildschirmausgangs bequemer einzurichten ist.
Andererseits ist der OrangePi Zero im Bereich der Rechenleistung wesentlich schneller, physikalisch kleiner, hat einen Ethernet-Anschluss und lässt sich zudem dank des zusätzlichen Headers mit USB- und Audiosignalen wesentlich einfacher in hauseigene Platinen integrieren. Unter dem Strich bleibt es ein heißes Duell.
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Tam Hanna ist Autor, Trainer und Berater mit den Schwerpunkten Webentwicklung und Webtechnologien. Er lebt in Ungarn und leitet dort die Firma Tamoggemon Holding k.s. (tdi)
