آیا Raspberry Pi یک رایانه است؟ بررسی کامل ساختار، کاربردها و تفاوت‌ها

رایانه چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟

با گذر زمان، واژه‌ی «رایانه» برای توصیف ابزارهای مختلفی به کار رفته است که به ما در پردازش اطلاعات و انجام کارهای پیچیده کمک می‌کنند. نمونه‌های اولیه شامل «چرتکه» یا همان قاب شمارش، و همچنین سازوکار 2٬000 ساله‌ی آنتیکیترا (Antikythera)  هستند که به‌عنوان یک ابزار ناوبری برای دریانوردانی طراحی شده بود که از دریای مدیترانه عبور می‌کردند.

امروزه، این واژه معمولاً به یک دستگاه دیجیتال و الکترونیکی قابل برنامه‌ریزی اشاره دارد که می‌تواند مجموعه‌ای از وظایف مختلف و پیچیده را انجام دهد. رایانه‌ها در همه‌ جای اطراف ما یافت می‌شوند و طیف وسیعی از کاربردها را پوشش می‌دهند. اما دقیقاً چه چیزی آن‌ها را تشکیل می‌دهد؟
پیش از هر چیز، همه‌ی رایانه‌ها چند ویژگی مشترک دارند که شامل اجزای زیر می‌شوند: سخت‌افزار، نرم‌افزار، و میان‌افزار.

اجزای اصلی یک رایانه

آیا Raspberry Pi یک رایانه است؟

یکی از معیارهای مهم برای تشخیص اینکه آیا یک دستگاه را می‌توان «رایانه» نامید یا نه، قابلیت برنامه‌پذیری و امکان تغییر این برنامه‌پذیری در طول زمان است. رایانه‌های مدرن فقط برای انجام یک وظیفه‌ی ثابت طراحی نشده‌اند؛ آن‌ها می‌توانند با دریافت نرم‌افزارها یا به‌روزرسانی‌ها، عملکردها و توانایی‌های جدیدی به‌دست آورند.

برای مثال، یک تلویزیون قدیمی ممکن است توانایی انجام تنظیمات پیشرفته، رمزگشایی و نمایش تصویر را داشته باشد، اما چون منطق عملکرد آن از پیش تعیین‌شده و غیرقابل تغییر است، نمی‌توان آن را یک رایانه دانست. در مقابل، تلویزیون‌های هوشمند امروزی قادرند برنامه‌های جدید نصب کنند، به‌روزرسانی نرم‌افزاری دریافت نمایند و قابلیت‌های خود را گسترش دهند. به همین دلیل می‌توان گفت که در قلب آن‌ها یک سامانه‌ی رایانه‌ای قرار دارد.

با این حال، حتی این معیار نیز به‌تنهایی برای پاسخ دادن به پرسش «رایانه چیست؟» یا «آیا Raspberry Pi یک رایانه است؟» کافی نیست. بنابراین، پیش از آنکه به‌طور مستقیم به Raspberry Pi بپردازیم، ابتدا طیف گسترده‌ای از کاربردهایی را که رایانه‌ها ممکن کرده‌اند بررسی می‌کنیم تا جایگاه این برد کوچک را در دنیای رایانش بهتر درک کنیم.

سامانه‌های رایانه‌ای  (Computer Systems)

رایانه‌ها همه‌جا حضور دارند — از کنترل سیگنال‌ها در شبکه‌های راه‌آهن گرفته تا فرود آوردن موشک‌های  SpaceX، تأمین نیروی پردازشی برای یک دستهٔ بازی (کنترلر)، قرار گرفتن در قلب یک تلفن هوشمند مدرن، یا انجام محاسبات با سرعت بسیار بالا.

لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های شخصی  (Laptops & PCs)

لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های شخصی نمونه‌هایی از رایانه‌های «چند‌منظوره» هستند که برای انجام طیف وسیعی از تعاملات با کاربران انسانی طراحی شده‌اند. ما داده‌ها را از طریق صفحه‌کلید و ماوس وارد می‌کنیم، نرم‌افزارهای کاربردی را تحت سیستم‌عامل‌های آشنا اجرا می‌کنیم، به داده‌های دوردست از طریق اینترنت یا حافظه‌های محلی دسترسی داریم، و خروجی‌ها را روی صفحه‌نمایش یا چاپگر مشاهده می‌کنیم.

سرورها  (Servers)

هنگام مرور اینترنت، ما به وب‌سایت‌هایی دسترسی پیدا می‌کنیم که توسط رایانه‌های اختصاصی به نام سرور اداره می‌شوند و در مراکز داده‌ی دور قرار دارند. این رایانه‌ها معمولاً صفحه‌کلید یا نمایشگر متصل ندارند، اما بدون شک رایانه محسوب می‌شوند. سرورها طیف گسترده‌ای از وظایف محاسباتی پس‌زمینه را انجام می‌دهند، از مدیریت پایگاه‌های داده‌ی عظیم گرفته تا نمایش صفحات وب‌سایت‌های شبکه‌های اجتماعی یا فروشگاه‌های آنلاین.

رایانه‌های Embedded Computers

فقط به این دلیل که همه‌ی آن‌ها «رایانه» هستند، به این معنا نیست که همه یکسان‌اند. امروزه بیشتر رایانه‌ها به‌صورت «نهفته» درون مجموعه‌ای از دستگاه‌ها و محیط‌های مختلف قرار دارند و برای انجام وظایف خاصی در یک حوزه‌ی مشخص طراحی شده‌اند. برای نمونه، دستگاه‌های خودپرداز بانکی (ATM) نیز در هسته‌ی خود دارای رایانه‌هایی مشابه رایانه‌های معمولی هستند. آن‌ها ورودی‌هایی مانند صفحه‌کلیدهای اختصاصی و کارت‌خوان‌ها دارند و خروجی‌هایی مانند تجهیزات پرداخت پول نقد، چاپگر و نمایشگر ارائه می‌کنند. مانند سایر رایانه‌ها، این دستگاه‌ها دارای واحد پردازش مرکزی (CPU)، حافظه‌ی کاری (RAM) و فضای ذخیره‌سازی در قالب دیسک یا درایو حالت جامد (SSD) هستند.
با این حال، رایانه‌هایی که درون سخت‌افزارهای تخصصی دیگر تعبیه شده‌اند، ممکن است چندان آشنا به نظر نرسند.

برای مثال، سخت‌افزار درون پرینترهای سه‌بعدی بر پایه‌ی یک میکروکنترلر ساخته می‌شود که دارای CPU، دسترسی به فضای ذخیره‌سازی (معمولاً کارت SD)، ارتباطات USB یا شبکه، RAM  و حافظه‌ی غیر فرّاری برای ذخیره‌ی میان‌افزار (Firmware)  است که در واقع همان نرم‌افزار کاربردی (مانند  Marlin) محسوب می‌شود.
بیشتر پرینترهای سه‌بعدی سیستم‌عامل جداگانه‌ای ندارند. میان‌افزار Marlin قابل به‌روزرسانی است یا حتی می‌توان آن را با گزینه‌های دیگری مانند Klipper  جایگزین کرد.
خروجی‌ها شامل صفحه‌نمایش پرینتر، فن‌ها، استپر موتورها و موارد دیگر هستند. ورودی‌ها شامل حسگرهای دما، دکمه‌ها یا چرخ‌های پنل کنترلی و داده‌های موجود در فایل G-code  می‌شوند. فایل G-code یک برنامه یا اسکریپت نیست، اما می‌توان آن را روشی سریع برای وارد کردن دستورالعمل‌هایی دانست که میان‌افزار برای کنترل چاپگر از آن‌ها استفاده می‌کند.

به‌طور مشابه، ما با سایر دستگاه‌های ساده‌ی مبتنی بر رایانه مانند بلندگوهای هوشمند و دستیارهای مجازی مانند Amazon Alexa  نیز آشنا هستیم. این دستگاه‌ها ورودی‌ها و خروجی‌های محدودتری دارند، اما دارای میان‌افزار قابل به‌روزرسانی هستند، می‌توانند نرم‌افزارهای کاربردی جداگانه‌ای اجرا کنند و از هر نظر رایانه محسوب می‌شوند (هرچند که سیستم‌عامل به معنای معمول ندارند).

ابررایانه‌ها Super Computers

در سوی دیگر طیف رایانش، ابررایانه‌ها قرار دارند که شامل چندین CPU گاهی به تعداد هزاران واحد  هستند تا توانایی آن‌ها در انجام محاسبات و سایر وظایف بسیار پیچیده را با سرعت بالا افزایش دهند. گرچه ممکن است این دستگاه‌ها بسیار متفاوت به نظر برسند، اما اجزای بنیادی آن‌ها یکسان است و شیوه‌ی عملکردشان نیز بسیار مشابه است. با در نظر گرفتن این موضوع، حال بیایید به سراغ Raspberry Pi  برویم؛ آیا واقعاً یک رایانه است؟ و اگر چنین است، در کجای این طیف گسترده جای می‌گیرد؟

 بررسی اجزای Raspberry Pi از دیدگاه یک رایانه

حتی اگر لوگوی میوه‌ای آن وارونه باشد، باز هم قابل‌تشخیص است. Raspberry Pi  که توسط بنیاد Raspberry Pi Foundation  تولید می‌شود – سازمانی که هدفش آسان‌تر و لذت‌بخش‌تر کردن دنیای رایانش است – بیش از 10 سال پیش معرفی شد و از آن زمان تاکنون، با وجود مشکلات جهانی در تأمین تراشه، بیش از 40 میلیون واحد از مدل‌های مختلف آن به فروش رسیده است.

این برد سبزرنگ الکترونیکی به اندازه‌ی یک کارت اعتباری چیزی است که به آن «رایانه‌ی تک‌بردی» یا Single-Board Computer (SBC) گفته می‌شود. شاید ظاهرش شبیه آنچه بیشتر مردم هنگام شنیدن کلمه‌ی «رایانه» تصور می‌کنند نباشد، اما تمام اجزای اصلی که پیش‌تر توصیف کردیم – و حتی بیشتر از آن‌ها – را در خود دارد.

سخت‌افزار  (Hardware)

در قلب مشهورترین نسخه‌ی آن یعنی Raspberry Pi 4، یک مدار مجتمع واحد به نام System on a Chip (SoC)  قرار دارد که شامل واحد پردازش مرکزی (CPU) و کنترل‌کننده‌ی گرافیکی است. این بخش توسط مدارها و اتصالات دیگری پشتیبانی می‌شود که امکان استفاده از Wi-Fi و اترنت، پورت‌های USB، پورت‌های HDMI  برای اتصال به نمایشگر، خروجی صوتی، کارت‌خوان SD (به‌عنوان اصلی‌ترین مکانیزم ذخیره‌سازی)، اتصالات برای دوربین خارجی و روش‌های متنوع دیگری برای اتصال به دستگاه‌های جانبی اضافی را فراهم می‌کند.

در حالی که در نسخه‌های پیشین، حافظه‌ی RAM  نیز درون همان SoC تعبیه شده بود، در Raspberry Pi 4 این حافظه به‌صورت یک قطعه‌ی جداگانه ارائه می‌شود. (این موضوع باعث شده نسخه‌هایی با ظرفیت‌های متفاوت 1، 2، 4 و 8 گیگابایت در دسترس باشند.)

نرم‌افزار (Software)

نرم‌افزارهایی که از Raspberry Pi پشتیبانی می‌کنند، به همان اندازه منعطف هستند. سیستم‌عامل پیش‌فرض آن، Raspberry Pi OS (که قبلاً با نام Raspbian شناخته می‌شد) نسخه‌ای از Debian Linux  است که رابط کاربری آن شباهت زیادی به Windows یا macOS دارد.

با این حال، بسته به نوع کاربرد، سیستم‌عامل‌های تخصصی دیگری نیز برای آن در دسترس هستند. حتی نسخه‌ای از Windows  وجود دارد که می‌تواند روی Raspberry Pi اجرا شود (هرچند با کارایی چندان چشم‌گیر همراه نیست).
همه‌ی این سیستم‌عامل‌ها معمولاً بر روی کارت MicroSD  دستگاه ذخیره می‌شوند. نرم‌افزارهای کاربردی نیز به‌خوبی توسط Raspberry Pi پشتیبانی می‌شوند. اگرچه طراحی آن عمدتاً بر پایه‌ی زبان Python  است، اما زبان‌هایی مانند C  و  C++  نیز به‌راحتی قابل استفاده‌اند.

میان‌افزار  (Firmware)

در Raspberry Pi 4، میان‌افزار بسیار ساده‌ای در EEPROM داخلی ذخیره شده است. این میان‌افزار شامل  Bootloader  سیستم‌عامل و ارتباطات پایه با کارت SD است که بلافاصله پس از روشن شدن دستگاه اجرا می‌شود.
میان‌افزار را می‌توان به‌صورت مستقل از سیستم‌عامل به‌روزرسانی کرد.

کاربردهای Raspberry Pi در دنیای واقعی

دانستن این نکته جالب است که از زمان معرفی Raspberry Pi تاکنون، پنج نسل متمایز از آن عرضه شده است. این تغییرات عمدتاً به‌منظور بهره‌گیری از پیشرفت‌های حاصل در قدرت و عملکرد رایانه‌ها صورت گرفته‌اند. علاوه بر این، تاکنون دو نسخه‌ی دیگر از Raspberry Pi نیز عرضه شده است.

نخستین مدل Raspberry Pi (در نسخه‌های  A، B، A+  و B+) آغازگر مسیر بود. سپس Raspberry Pi 2B  معرفی شد، پس از آن Raspberry Pi Zero  با سه نسخه‌ی  Zero، W  و 2W عرضه شد. سپس نوبت به Raspberry Pi 3 (در نسخه‌های  B، A+ و B+) رسید و در ادامه Raspberry Pi 4B  وارد بازار شد. مدل آخر از نظر مشخصات فنی شباهت زیادی به Raspberry Pi 400  دارد که در قالب یک صفحه‌کلید یکپارچه عرضه می‌شود.

مدل دیگر، Raspberry Pi Compute Module  است که اتصالات خارجی کمتری دارد و عمدتاً برای کاربردهای صنعتی نهفته طراحی شده است. با این حال، در هسته‌ی خود تقریباً همان ویژگی‌های عملکردی و محیط‌های توسعه را با دیگر مدل‌ها به اشتراک می‌گذارد.

همچنین، مدل نسبتاً جدیدی به نام Raspberry Pi Pico (در نسخه‌های W، H و WH) در سال 2021 معرفی شد. Pico  یک SBC نیست، بلکه اولین میکروکنترلر بنیاد Raspberry Pi است — دستگاهی کوچک، بسیار ارزان و کم‌مصرف که می‌تواند برنامه‌های Python  و C  را مستقیماً و بدون نیاز به سیستم‌عامل جداگانه اجرا کند.

با بازگشت به Raspberry Pi اصلی، با وجود اندازه‌ی کوچک خود، این برد سبزرنگ تمام اجزای اصلی یک رایانه‌ی الکترونیکی مدرن را در خود دارد. اما این برد کوچک در عمل چگونه استفاده می‌شود و در کجای طیف گسترده‌ی کاربردهای رایانه‌ای که پیش‌تر به آن‌ها اشاره کردیم قرار می‌گیرد؟

سامانه‌های Raspberry Pi  (Raspberry Pi Systems)

واقعیت چشمگیر و قابل‌توجه درباره‌ی Raspberry Pi  این است که این دستگاه به‌قدری انعطاف‌پذیر است که می‌تواند در تقریباً تمام حوزه‌های مختلف کاربرد رایانه‌ای مورد استفاده قرار گیرد.

لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های شخصی  (Laptops & PCs)

وقتی بیشتر مردم به «رایانه» فکر می‌کنند، تصویری از یک صفحه‌نمایش، صفحه‌کلید و ماوس در ذهنشان نقش می‌بندد.
با اتصال این دستگاه‌های جانبی به پورت‌های USB  و HDMI  در Raspberry Pi، این برد کوچک می‌تواند مانند یک دستگاه شخصی عمل کند که قادر است از دو نمایشگر  K4  پشتیبانی کند و نرم‌افزارهای اداری، مرورگرها و بسیاری از برنامه‌های دیگر را اجرا کند.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، حتی مدلی به نام Raspberry Pi 400  وجود دارد که در قالب یک صفحه‌کلید یکپارچه عرضه می‌شود و به‌صورت پیش‌فرض با سیستم‌عامل و نرم‌افزار (از جمله نرم‌افزارهای اداری معمول و مرورگر) نصب‌شده ارائه می‌شود تا استفاده از آن به‌عنوان یک رایانه‌ی شخصی، بسیار ساده و کم‌هزینه باشد.

سرورهای Raspberry Pi

Raspberry Pi ‌ها می‌توانند سرورهای فوق‌العاده‌ای باشند. این دستگاه‌ها پس از اتصال به شبکه یا اینترنت، نیازی به صفحه‌کلید یا نمایشگر ندارند و می‌توانند نرم‌افزارهایی مانند سرور وب، رسانه، فایل، پرینتر، خانه‌ی هوشمند و بسیاری موارد دیگر را در پس‌زمینه و با هزینه‌ی بسیار کم اجرا کنند.

رایانه‌های نهفته  (Embedded Computers)

Raspberry Pi  برای کاربردهای «نهفته»، «جعبه سیاه» و صنعتی کاملاً مناسب است. پیاده‌سازی‌های آن از کنترل‌کننده‌های ماشین‌های صنعتی پیچیده گرفته تا مدیریت چراغ‌های کریسمس، کنترل پرینترهای سه‌بعدی، نظارت بر دوربین‌های امنیتی هوشمند و موارد بسیار دیگر را شامل می‌شود. در برخی موارد، این کاربردها بدون استفاده از سیستم‌عامل و تنها با نرم‌افزار اختصاصی طراحی‌شده برای وظیفه‌ی خاص اجرا می‌شوند.
در حقیقت، یکی از کاربردهای اصلی Raspberry Pi در محیط‌های آموزشی این است که دانش‌آموزان را با روش‌های مختلفی که رایانه‌ها می‌توانند با دستگاه‌های دنیای واقعی ارتباط برقرار کرده و آن‌ها را کنترل کنند، آشنا می‌سازد. هیچ کمبودی از نظر آموزش‌های عملی الکترونیک و رایانش وجود ندارد، و فهرست‌های گردآوری‌شده‌ای از پروژه‌های جالب Raspberry Pi  و Raspberry Pi Zero همه‌چیز را از برنامه‌نویسی ساده گرفته تا استفاده‌ی پیشرفته از حسگرها و عملگرها پوشش می‌دهند. با بی‌نهایت موضوع برای انتخاب در حوزه‌های آزمایشی، سرگرمی و آموزشی، Raspberry Pi رقیبی ندارد.

ابررایانه‌ها (Super Computers) Raspberry Pi

شاید عجیب به نظر برسد، اما Raspberry Pi  ساده و کوچک در این حوزه نیز نقشی ایفا می‌کند. ابررایانه‌ها سریع هستند زیرا قدرت پردازشی صدها یا حتی هزاران پردازنده‌ی جداگانه را با هم ترکیب می‌کنند. طراحان از Raspberry Pi دقیقاً برای همین منظور استفاده کرده‌اند و با ایجاد «خوشه‌ها» (Clusters)، توان محاسباتی قابل‌توجهی به‌دست آورده‌اند. حتی غول دنیای فناوری، Oracle، یک خوشه با بیش از 1,000 Raspberry Pi ساخته است.

این مسئله گواهی بر طراحی هوشمندانه و پشتیبانی گسترده‌ی Raspberry Pi است که چنین دستگاه کوچکی می‌تواند در این‌همه حوزه‌ی مختلف رایانش نقش ایفا کند. بنابراین، پاسخ به پرسش اصلی ما یک «بله» قاطع است — اما داستان در همین‌جا تمام نمی‌شود. با پیشرفت مداوم فناوری رایانه و تکامل خانواده‌ی  Raspberry Pi، این پرسش مطرح می‌شود که نسل آینده، مانند Raspberry Pi 5 و فراتر از آن، چه کاربردهای جدیدی را ممکن خواهد ساخت؟

جمع‌بندی نهایی

رایانه‌ها دیگر به شکل سنتیِ یک جعبه با صفحه‌کلید و نمایشگر محدود نمی‌شوند. از ابررایانه‌های عظیم گرفته تا سیستم‌های نهفته‌ی درون پرینترهای سه‌بعدی و بردهای کوچکی مانند Raspberry Pi، همگی بر پایه‌ی اصول مشترکی از سخت‌افزار، نرم‌افزار و میان‌افزار عمل می‌کنند. Raspberry Pi نمونه‌ای موفق از یک رایانه‌ی کوچک، انعطاف‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه است که مرز میان آموزش، صنعت و سرگرمی را از میان برداشته و نشان می‌دهد آینده‌ی رایانش الزاماً بزرگ و پیچیده نیست، بلکه هوشمند و قابل‌دسترس است.