专栏首页张国平_玩转树莓派第一章 漫谈RaspberryPi

第一章 漫谈RaspberryPi

   Raspberry Pi(中文名为“树莓派”,简写为RPi,(或者RasPi / RPI)是为学习计算机编程教育而设计),只有信用卡大小的微型电脑,其系统基于Linux。随着Windows 10 IoT的发布,我们也将可以用上运行Windows的树莓派。

raspberry-pi-3-model-b

   自问世以来,受众多计算机发烧友和创客的追捧,曾经一“派”难求。别看其外表“娇小”,内“心”却很强大,视频、音频等功能通通皆有,可谓是“麻雀虽小,五脏俱全”。

   树莓派由注册于英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发,Eben·Upton/埃·厄普顿为项目带头人。2012年3月,英国剑桥大学埃本·阿普顿(Eben Epton)正式发售世界上最小的台式机,又称卡片式电脑,外形只有信用卡大小,却具有电脑的所有基本功能,这就是Raspberry Pi电脑板,中文译名"树莓派"。

   这一基金会以提升学校计算机科学及相关学科的教育,让计算机变得有趣为宗旨。学校里需要一种用于基础技能教学的小型廉价的计算机,并以此激发学生们对计算和编程的热情。在2006年树莓派早期概念是基于Atmel的 ATmega644单片机,首批上市的10000“台”树莓派的“板子”,由中国台湾和大陆厂家制造。

   它是一款基于ARM的微型电脑主板,以SD/MicroSD卡为内存硬盘,卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100 以太网接口(A型没有网口),可连接键盘、鼠标和网线,同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口,以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上,具备所有PC的基本功能。只需接通电视机和键盘,就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。 Raspberry Pi B款只提供电脑板,无内存、电源、键盘、机箱或连线。

  真正为Raspberry Pi带来成功的是其低廉的价格和开发空间。嵌入式Linux一直是个痛苦的学习科目,但是Raspberry Pi使其变得简单而又廉价。Raspberry Pi的主要创新在于降低进入嵌入式Linux世界的门槛。低廉的价格解决了价格问题,而片上系统(system on a chip,SOC)通过实现更小的封装,有效降低了电路的复杂性。

树莓派的生产是通过有生产许可的三家公司Element 14/Premier Farnell、RS Components及Egoman。这三家公司都在网上出售树莓派。你可以在诸如京东、淘宝等国内网站购买到你所想要的树莓派。

   树莓派基金会提供了基于ARM的Debian和Arch Linux的发行版供大众下载。Python作为主要编程语言,支持Java、BBC BASIC (通过 RISC OS 映像或者Linux的"Brandy Basic"克隆)、C 和Perl等编程语言。

Raspberry Pi 3 Model B+

1.1 片上系统

   SOC或片上系统(system on a chip)就是一个将计算机主要组件或任何其他电子系统集成在一个单独芯片上的集成电路(Integrated Circuit,IC)。Raspberry pi的独特芯片是由博通有限公司开发并制造的,Raspberry Pi 3 使用的是博通BCM2837。博通SOC为树莓派提供比传统计算机更多的接口、通信协议和其他开箱即用的功能,而传统计算机的售价是树莓派的好多倍。

  下面是博通SOC上的部分低级组件,外围设备和协议: ★ CPU:在操作系统控制下进行数据处理。 ★ GPU:提供操作系统桌面。 ★ 存储器:用作CPU和GPU操作的永久性存储器——寄存器。存储引导软件。 ★ 定时器:允许软件依靠时间进行调度、同步的。 ★ 中断控制器:中断可以使操作系统控制所有的计算机资源,知道CPU何时准备好接受新指令等。 ★ 通用输入输出(GPIO):提供布局并允许对连接、输入、输出及GPIO引脚的可选模式进行控制。总而言之,GPIO使Raspberry pi变成一个嵌入式控制系统。 ★ USB:控制USB服务,并为输入和输出提供通用串行总线协议,因此可以允许各种外围设备连接到Raspberry pi的USB插口上。 ★ PCM/I2S:提供脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM),用于将数字语音转换为扬声器或耳机需要的模拟声音。 ★ 直接存储器访问(Direct Memory Access,DMA)控制器:直接存储器访问控制允许输入输出设备绕开CPU,并直接通过主存储器收发数据,目的是提高速度与效率。 ★ I2C主机:常用于连接低速外围芯片来控制处理器和微控制器的内部集成电路。 ★ I2C/SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)从机:I2C主机的对应端。允许外部芯片和传感器控制或使用树莓派以某种方式响应。例如发动机传感器检测到运行过热,控制芯片就会触发树莓派做出降低发动机转速或关机的决定。 ★ SPI接口:串行接口通过GPIO引脚访问,通过使用不同的片选引脚,可以实现对多台兼容设备的菊花式连接。 ★ 脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM):一种通过数字信号生成模拟波形的方法。 ★ 通用异步接收器/发射器(UART0,UART1):用于不同设备间的串行通信。

1.2 树莓派的部件

树莓派的部件

GPIO

   GPIO可以说是树莓派最重要的功能接口,它相当于Arduino上的GPIO引脚。这些引脚可以用于程序中读取电路中的电信号,也可以为控制电路提供电信号。使用GPIO时要非常小心,因为GPIO容易损坏,它使用的是3.3V逻辑电平。如果你想控制外部设备,包括继电器、电感和高亮度led等设备时,如果电流超过20mA,那么你应该使用外部电源。

树莓派上查询GPIO

DSI显示端口

   DSI显示端口允许树莓派连接到类似于平板电脑的触摸显示器,这种显示器可以支持触摸控制功能,常见尺寸为7英寸、5英寸等。

CSI摄像头接口

   CSI摄像头接口是一个专用的连接器,它允许树莓派连接到树莓派的摄像头模块。一般的网络摄像头是不能在这个接口使用的,因为它们只有一个USB接口。可查阅:树莓派摄像头模块 Camera(B)Rev2.0 的使用

MicroSD插槽

   这个插槽用于连接存放树莓派操作系统的microSD卡。此SD卡中还保存了用户创建的所有文件、文件夹、文档和图片,它可以理解为计算机的硬盘。

HDMI / USB / Network接口

   这些插槽用于将树莓派连接到HDMI显示器、鼠标和键盘等USB设备,以及用于internet访问的以太网连接。不过,树莓派3B内置Wi-Fi功能,所以一般情况下以太网接口不是很常用。

Micro USB 电源接口

   树莓派的电源可以通过Micro USB数据线连接到USB 5V充电器直接输入,GPIO引脚的电源也通过它提供。

   现在你基本了解了树莓派3B的结构和组成部分了,你可能也会发现,当直接个树莓派插上电源启动时,树莓派什么反应也没有,这是因为你还需要先在SD卡上面安装一个Raspbian操作系统!

1.3 树莓派的功能

   树莓派善于成为各种项目的大脑。下面是一些从互联网上,上千个有案可查的项目中,随机挑选的几个例子。在选择自己的项目时,这份清单可能对你有启发作用: ★ 居家自动化 ★ 居家安全 ★ 媒体中心 ★ 气象站 ★ 可穿戴计算机 ★ 机器人控制器 ★ 四轴飞行器控制器 ★ 网络服务器 ★ 电子邮件服务器 ★ GPS跟踪器 ★ 网络摄像头控制器 ★ 咖啡机 ★ 业余无线电服务器及终端 ★ 电机控制器 ★ 延时摄影管理器 ★ 游戏控制器 ★ 比特币挖矿机 ★ 车载电脑   本系列文章可以提供一些有用的信息来帮助阻你达成自己的构想。让要愿望,兴趣与想象引导你,剩下的就交给树莓派吧!

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