树莓派：开始懂了

Posted 2020-08-25 Vamei

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树莓派是一款信用卡大小的超小型电脑，由英国的树莓派基金会研发。由于超小的体积，树莓派从2012年发行起就风靡全球。别看树莓派身板小，它可是一台功能完整的电脑。连接上显示器、鼠标和键盘后，你可以像使用一般台式机那样使用树莓派。对于树莓派3来说，还内置了WiFi和蓝牙的无线支持，可以更方便地进行无线连接。在许多硬件创新项目中，都可以看到树莓派的身影。我将在一系列文章中，介绍树莓派的基本用法。

 

硬件介绍

下图中是一台树莓派3。可以看到，它提供了丰富的接口。

 

图中标出了树莓派的主要接口。第一次启动树莓派，你需要接入USB接口的鼠标和键盘，以及常见的HDMI显示器。此外，你还需要一个输出电压为5V的电源。这个电源线的输出端是Micro USB，与树莓派连接。树莓派官方的电源插座可以直接插到家用的220V电压插座上。或者，你也可以买一根USB转Micro USB的连接线，把USB那一端插入到PC或其他提供电源的USB端口。一旦接上，树莓派就会自动启动。

 

我们可以顺便看一下树莓派上的其他硬件。树莓派正中是博通的ARM CPU，也就是ARM的心脏。除此之外，正面还有一个GPU芯片，主要用于图像处理。芯片背面的方形芯片，是树莓派的内存。树莓派主要靠这三个芯片进行最重要的控制和运算工作。此外，树莓派还提供了很多通往外部世界的接口。图中最右侧有4个USB口和1个以太网口。在以太网接口插入网线，就可以有线地连接到互联网。下侧除了电源接口、连接显示器的HDMI输出口和音频口，还有一个用于连接专用摄像头的排线口。需要注意的是，树莓派只有在开机时检查到显示设备时，才会向HDMI端口输出，所以必须在开机前就连好HDMI接口的显示器。左侧的上面有一个显示的排线口。考虑到HDMI的广泛使用，该插口出场机会不是很高。左侧的下面有一个Micro SD卡的插口。这张SD卡取代了一般电脑中的硬盘。树莓派的上侧还有一排针脚，构成了通用编程接口（GPIO）。GPIO可以用于和很多原始的硬件外设进行底层连接。

 

系统安装和启动

树莓派只是硬件，我们还需要软件来让树莓派跑起来。树莓派上最基础的软件就是它的操作系统。由于树莓派用一张Micro SD卡来作为它的存储空间，所以操作系统也是安装在这张SD卡上。树莓派官网提供了Raspbian的镜像文件，只需要把这个镜像文件烧录到SD卡上，就可以把这张SD卡插入到树莓派中使用了。Raspbian是继承自Debian操作系统。Debian是Linux的一个发行版本，而Linux又遵从Unix的规范。因此，假如你熟悉Unix家族的任何一款操作系统，都能很快上手树莓派。反过来说，当你熟悉了Raspbian，那么也能熟练运用苹果OS X这样的Unix系统。

Raspbian系统的操作界面

 

对于树莓派来说，所有的软件都安装在一张小型SD卡上，操作系统也不例外。缺了这张SD卡，树莓派就根本没法使用。我们需要另外一台电脑来把操作系统的程序存入到这张SD卡中。不用说，这台电脑必须有SD卡的读写口。很多笔记本电脑都自带SD卡插口。即使没有，一个USB接口的读卡器也可以很便宜地买到。此外，你还要到树莓派官网去下载操作系统的源文件。由于操作系统不时会更新，所以文件的名字也会有差异。我在下文中统称文件名为raspbian.image。

 

1）Unix系统

如果你的电脑是Unix系统，如Linux和Mac OSX，我们可以用现成的工具来为树莓派制作操作系统。把SD卡插入电脑的读卡槽后，我们首先要找到SD卡挂载的路径。

 

如果是在Mac OSX下，那么输入下面命令，可以列出挂载的所有存储设备：

diskutil list

从中找到对应SD卡大小的设备，并记下它的路径，如/dev/disk3。如果是Linux系统下，那么可以用如下命令来找出路径：

sudo fdisk -l

 

然后，可以使用UNIX系统下共通的dd工具，把镜像文件写入SD卡：

sudo dd if=/dev/disk3 of=./raspian.image

 

2）Windows系统

在Windows下，有现成的图形化软件来完成上述镜像烧录工作，比如树莓派官网推荐的Win32DiskImager。整个操作过程比UNIX系统更加简单，这里不再赘述。

 

写入完成后，把SD卡插入到树莓派的卡槽中，为树莓派连通电源，就可以从屏幕上看到树莓派的启动画面了。

 

 

桌面

开机完成后，就可以进入到Rapbian的图形化桌面了。图形化桌面提供的主要功能，都包含在上方的导航栏中：

 Raspbian系统的操作界面

导航栏左上角的菜单（Menu） 包含了很多应用软件。菜单中提供了很多功能软件：

• Programming：编程工具，如动态编程语言Python，用于数学运算的Mathematica，以及用于编程教育的Scratch等。
• Office：办公软件，即开源的LibreOffice套装。
• Internet：互联网软件，如电子邮件客户端和浏览器。
• Games：游戏。这里有点失望，除了Minecraft，就是用于游戏编程的Python Games。
• Accessories：工具软件，如文件管理器File Manager、终端Terminal、文本编辑器等。
• Sound & Videos：VLC播放器。

此外，菜单终端Preferences用于系统设置，你可以在里面设置时间、语言、显示等选项。最下方的Shutdown按钮用于关机或重启。

 

紧邻着菜单的是来自菜单的五个常用软件，依次是浏览器、文件管理器、终端、以及进行科学运算的Mathematica和Wolfgram。在我们的教程中，最常用的就是其中的终端。右侧的几个按钮中，从左到右依次是蓝牙、Wifi、声音控制、CPU使用监控、时间。你可以通过Wifi按钮来连接无线网。最右端列出了所有的可插拔设备，如USB存储器。桌面上除了硕大的树莓派标志，就是一个回收箱Wastebasket。

 

树莓派的图形化桌面确实可以让人探索一段时间。但这个桌面可以说有一些简陋。“画面精美”从来都不是Linux的长处。如果你真的想用这样的桌面系统进行办公的话，恐怕要更加失望。那树莓派的浏览器打开网站上的视频，你很可能会遭遇缓慢的页面加载的缓慢和卡顿的视频播放。你要是想开多个窗口工作的话，桌面很容易就会崩溃。毕竟，树莓派的配置很低端，而计算机图形的呈现都相当消耗资源。幸好，Linux提供了更好的与树莓派的方式：Shell。

 

打开终端（Terminal），桌面上就会出现一个黑色背景的窗口。窗口上显示着：

pi@raspberrypi:~ $

这里的pi是你的用户名，raspberrypi是计算机的名字。$是命令提示符。如果你敲击键盘，会发现字符会显示在$提示符的后面，形成一串文本形式的命令。所谓的Shell，就是运行在终端中的程序。它会分析你的文本输入，然后把文本活动转换成相应的计算机活动，不多也不少。

 

比如说输入date命令：

date

敲击回车键Enter后，会显示出系统当前的时间。

 

Shell看起来简陋，但实际上比图形化桌面强大得多。Linux操作系统继承自Unix操作系统。无论是Linux，还是Unix操作系统，最初都只提供了Shell这一种用户操作界面。后来发展起来的图形化的桌面没法提供Shell的所有功能。如果你习惯了这个文本操作界面，还会发现它不但比桌面强大，还比桌面好用得多。现在，我将介绍一些命令，一方面让你更加了解树莓派，另一方面也让你体验一下Shell。

 

了解你的树莓派

1）Linux通用命令

Linux系统提供了各种各样的命令。在Shell中输入这些命令，就可以实现许多功能。我在这里介绍一些命令，帮助你来了解自己的树莓派。首先用lscpu的命令来查询CPU的信息：

lscpu

 

终端窗口中就打印出CPU的信息：

Architecture:          armv7l
Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                4
On-line CPU(s) list:   0-3
Thread(s) per core:    1
Core(s) per socket:    4
Socket(s):             1
Model name:            ARMv7 Processor rev 4 (v7l)
CPU max MHz:           1200.0000
CPU min MHz:           600.0000

可以看到，我的树莓派用的是4核的ARM处理器，最高频率可以达到1200MHz。

 

然后，可以用free命令来了解内存使用状况：

free -h

在使用上面的命令时，增加了-h的选项。这里的字母h是human readable的意思，即把原本以字节为单位的结果，转换成更适合显示的单位。结果如下：

             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:          862M       739M       122M        14M        44M       397M
-/+ buffers/cache:       298M       563M
Swap:          99M         0B        99M

可以看到，内存总量是862M，在接下来的列中，还可以看到已用和自由的内存空间。

 

然后，我们可以看看SD卡的存储情况，用命令fdisk： 

sudo fdisk -l

命令fdisk用于显示磁盘信息。选项-l表示列出所有磁盘。我们又看到命令前面增加了sudo。因为fdisk命令的执行需要超级管理员的权限，sudo正是以超级管理员的身份来执行fdisk。结果的最后两行如下：

Device         Boot  Start      End  Sectors  Size Id Type
/dev/mmcblk0p1        8192   131071   122880   60M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/mmcblk0p2      131072 30318591 30187520 14.4G 83 Linux

整个SD卡被分成了两个分区。一个分区有60M大小，专门用于树莓派的开机启动。另一个分区用于储存其他的所有数据。

 

使用lsusb，可以找到所有的USB外设：

Bus 001 Device 005: ID 0e8f:2517 GreenAsia Inc. 
Bus 001 Device 006: ID 045e:0750 Microsoft Corp. Wired Keyboard 600
Bus 001 Device 003: ID 0424:ec00 Standard Microsystems Corp. SMSC9512/9514 Fast Ethernet Adapter
Bus 001 Device 002: ID 0424:9514 Standard Microsystems Corp. 
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub

 

使用uname -a，可以完整地显示出操作系统的信息：

Linux raspberrypi 4.1.19-v7+ #858 SMP Tue Mar 15 15:56:00 GMT 2016 armv7l GNU/Linux

我的系统使用的内核是Linux4.1.19版本。还能从输出结果中看到内核的发布时间是2016年3月15号。

 

最后，你可以用ifconfig命令来查看网络接口。命令运行结果如下：

 

eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr b8:27:eb:d8:ed:f4  
          inet6 addr: fe80::9b8b:c0de:d083:6ddd/64 Scope:Link
          UP BROADCAST MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:243 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:243 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0 
          RX bytes:19020 (18.5 KiB)  TX bytes:19020 (18.5 KiB)

wlan0     Link encap:Ethernet  HWaddr b8:27:eb:8d:b8:a1  
          inet addr:192.168.0.108  Bcast:192.168.0.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::ba27:ebff:fe8d:b8a1/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:45926 errors:0 dropped:4268 overruns:0 frame:0
          TX packets:10469 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:26867855 (25.6 MiB)  TX bytes:1360267 (1.2 MiB)

 

其中eth0代表了以太网接口，wlan0代表了Wifi接口。而lo是虚拟出来的本地接口，用来表示本机。在连接上网的接口中，我们可以看到该接口的IP地址等信息。例如说wlan0的IP地址是192.168.0.108。由于我没有插网线，所以eth0并没有IP地址。

 

2）树莓派专用命令

除了通用的Linux命令，树莓派还提供了vcgencmd命令，用于和树莓派硬件直接互动。比如在Shell中执行：

vcgencmd measure_temp

上面命令中，第二段的measure_temp称为命令的参数。参数是选项之外另一种给命令提供额外信息的方式。上面的命令将返回CPU的温度：

temp=51.5\'C

 

用下面命令测量树莓派的核心电压：

vcgencmd measure_volts core

返回电压值：

volt=1.2000V

 

vcgencmd提供的功能还有很多。除了显示硬件信息，你还能用这个命令来控制硬件。它的用法不再一一列举，具体可参考vcgencmd。

 

这一篇介绍了树莓派的硬件和基本操作，并由此开启树莓派之旅。

 

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