本文譯自樹莓派雜誌90期(MagPi issue 90),原文標題為Overclock Raspberry Pi 4(插圖來源取自雜誌內頁)。本篇使用CC 3.0 BY-NC-SA授權,若有任何不妥與指教敬請告知。若在實際操作中遇上問題,無法提供相關技術支援服務。

Raspberry Pi 4核心所搭載的ARM Cortex-A72 CPU(中央處理器),最高時脈頻率可達1,500MHz(即1.5GHz)。

時脈意指測量的是CPU每秒執行的週期數;而最高時脈頻率達1.5GHz則意味著處理器每秒會執行15億個週期。但其實還能更快⋯⋯!

 

你將會需要:

  • Raspberry Pi 4

  • Raspberry Pi 4 支架(或其他能夠協助降溫的殼)

  • Raspbian OS

  • Config.txt code

 

警告!可能導致系統當機!

實驗性地尋求最穩定的超頻效能,過程中可能導致你的樹莓派當機。同時具有毀損miscroSD記憶卡的可能性。

請在安裝完整Raspbian及確保沒有任何重要資料的情況下進行此實驗。

 

著手開始

儘管標榜最大速度可達1.5GHz,樹莓派閒置時通常是600MHz,只在需要時才提升至最高。超頻是將最大時脈速度提高的方法,我們可以調整config.txt的設定,達到CPU及GPU(圖形處理器)的超頻效果。

我們已實驗過將CPU時脈速度提升至2.147GHz及GPU至750MHz(相較於默認的500MHz高),這種時脈速度常見於高價位桌電上。

過程將會相當耗能,若是樹莓派過熱,會立即降低時脈速度;超頻的實驗性嘗試將會使Raspbian當機,且你的樹莓派將有極高可能會在過程中拒絕開機。若是當機或Raspbian拒絕啟用,則必須將時脈速度調整回去。但超頻的樂趣就在於嘗試突破樹莓派的可能性!

 

1.使用樹莓派支架

將你的樹莓派架成垂直、直立的擺向。不僅助於空氣流通於零組件,更是高效的降溫方式。

將樹莓派支架架在桌上,使樹莓派能在垂直的情況下運轉。若是你沒有樹莓派的支架,可以利用3D列印或雷射切割雕刻的方式,透過我們放在GitHub頁面上的檔案自己DIY一個!

或是折衷方案:將你的樹莓派放在專門控管CPU溫度的設計殼中。

2.更新Raspberry Pi 4

請確保你使用的是最新版本的Raspbian OS。效能調整需要最新的軟體版本以提升更快的作業速度。

打開終端機(Terminal)並輸入以下:

sudo apt update

sudo apt dist-upgrade

現在重啟系統:

sudo reboot

這會開始重啟Raspbian。

 

3.留意速度

在我們開始超頻前,請先確認下默認的CPU速度。打開終端機並輸入:cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq

終端機可能會回傳600000,將此數值除以1000,便能以MHz單位換算。這就是基本速率:600MHz(或0.6GHz),也是應核心要求所給予的速度。若是你的樹莓派因低電壓或過熱導致降頻,實際CPU速度可能會更低些。

為了取得準確的速度,輸入:

vcgencmd measure_clock arm

當你使用樹莓派時,速度將會提升至更高,為1500000。你可以不停地在終端機輸入vcgencmd查看目前速度,但最好的方式仍是以watch指令監控速度。

watch -n 1 vcgencmd measure_clock arm

這會使vcgencmd作為固定指令重複執行,並每秒更新結果(-n 1選項為每秒間隔)。當你使用樹莓派時,會發現速度將些微提升至1500000(或1.5GHz)。

 

4.config.txt超頻調整

我們將使用config.txt檔案設定新的最高時脈限制頻率。開啟另個終端機視窗並輸入sudo nano /boot/config.txt

拉至下方區塊:

#uncomment to overclock the arm. 700 MHz is the default.

#arm_freq=800

並改變設定為:

#uncomment to overclock the arm. 700 MHz is the default.

over_voltage=2

arm_freq=1750

用CTRL+O儲存檔案(按下RETURN)並按CTRL+X退出Nano。

重啟你的樹莓派。

sudo reboot

當系統再次啟動,再次監看vcgendcmd,便能獲得最新、更快的時脈速度:

watch -n 1 vcgencmd measure_clock arm

瀏覽一些網頁,你會發現時脈速度約為1750000000(或1.75GHz)。

5.認識over_voltage指令

over_voltage指令調整CPU/GPU的核心電壓,容許數值為-16至8。默認值為0。

更快的CPU速度需要更高的電壓,而當樹莓派沒有足夠電壓時,你會看見一個小型的閃電標誌出現在視窗的右上角(這時CPU會降速至700MHz默認速度)。

 

6.開始動起來

現在試著加快腳步!我們將over_voltage調整為6並將ARM CPU設定至2.0GHz。跟隨以下設定編輯config.txt檔案:

over_voltage=6

arm_freq=2000

重啟後就能以2.0GHz時脈速度運作樹莓派。再次運行watch -n 1 vcgencmd measure_clock arm指令觀測最新的最高速限。

 

7.調整至極限

我們將提升gpu_freq並使CPU調整為最高設定,這能讓樹莓派用目前最高速度運作。用Nano再次編輯config.txt檔案,這次將arm_freq調整為2147、gpu_freq為750:

over_voltage=6

arm_freq=2147

gpu_freq=750

Gpu_freq下有許多設定:core_freq, h264_freq, isp_freq, and v3d_freq。

Core_freq設定能調整GPU處理器頻率;因其需驅動L2快取及記憶體匯流排,會影響CPU效能運作。

默認數值是500,而750是我們所能設定且樹莓派能運作的最高值。我們也曾有過其他樹莓派4開發版無法以此速度運行;或部分開發版在運行不久後,隨即因過熱或電壓過低而降速。你的樹莓派相當有可能無法長久維持此速度且極為耗能。

儲存檔案並退出Nano(CTRL+O及CTRL+X)。重啟後你的樹莓派就有可能以最高速度運作。

 

8.黑畫面的解決方法

當我們將樹莓派以2.147GHz時脈速度運作時,有些裝置將會無法順利運行,有些則是顯示低電壓警告(且伴隨降速)。最終,我們調整config.txt為arm_freq=2000。我們的工程團隊告訴我們,調整gpu_freq所帶來的效果不夠好,因此當你的樹莓派4無法運作時,請移除更動的調整。

你的樹莓派也很可能在超頻的過程中無法順利啟動,請參考下方『超頻疑難雜症』以便復原。希望大家都能在超頻的過程中體會到一絲樂趣!

 

首要注意:監控電壓

將電壓維持在4.8V以上是維持效能相當重要的要素。請特別注意部分USB充電線/電源供給可能會低於4.2V,由於它們多半被設計為3.7V LiPo電池充電,而非提供電腦所需的5V電壓。

你可以透過萬用表量測VCC(5V)及GPIO上的GND腳位,監控樹莓派的PSU電壓。更多資訊可參考Raspberry Pi網站

 

首要注意:超頻問題

多數超頻所帶來的問題會立即以無法啟動的方式顯現。若遇上這種情況,請在重啟的同時,按著SHIFT鍵不放。這會暫時停止超頻,使你能順利啟動並編輯設定。

或是替代方案:移除在樹莓派上的miscroSD卡,並將卡插入其他電腦,你便能順利編輯config.txt檔案調整設定。

 

韌體警告標誌

在部分情況下,樹莓派韌體會顯示警告標誌,警示問題需排除。若是看見這些標誌時不時出現,建議調降超頻的時脈速度為佳。

 

以下為常見的三種標誌:

  • 低電壓警告
    若是供給樹莓派的電源低於4.63V(+/-5%),閃電的標誌便會顯示。

  • 過熱警告(80-85°C)
    若是系統單晶片SoC的溫度介於80-85°C,此標誌便會顯示。ARM的核心會降頻,並嘗試降低核心溫度。

  • 過熱警告(超過85°C)
    若是系統單晶片SoC的溫度超過85°C,此標誌會顯示。ARM的核心及GPU會降頻,並嘗試降低核心溫度。