树莓派（0）：树莓派基础知识
开启树莓派之旅
记得我刚买树莓派的时候，还对这小东西一无所知。去某宝买了一些教学资料和一些书，杂七杂八的什么都有，花了很多不必要的时间，现在想想真是后悔。
写这一系列博客，一来技术共享，大家共同进步，二来自己哪天又要用这小东西的时候能直接看着博客顺利上手。
1.什么是树莓派
了解树莓派的最好方式当然是去树莓派官方网址 raspberrypi.com
以下内容针对树莓派3B进行介绍，新出的树莓派4B可到此处进行对比。
树莓派是一款基于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，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PC的所有基本功能。
(图片来源：Raspberry Pi User Guide 4th Edition)
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2.树莓派3B参数表
| 树莓派型号 | Raspberry Pi 3B |
|---|---|
| SOC | Broadcom BCM2837 |
| CPU | Cortex-A53 64Bit Soc at 1.2GHz |
| GPU | Broadcom VideoCore IV，OpenGL ES 2.0,1080p 30 h.264/MPEG-4 AVC高清解码器 |
| 内存 | 1GB SDRAM @ 400MHz (LPDDR2) |
| 板载资源 | Sandisk Micro SD card 16GB class 10 (ours) |
| 蓝牙 | Bluetooth 4.1/Bluetooth Low Energy(BLE) |
| 无线网络 | 802.11.b/g/n wireless LAN |
| 以太网网口 | Ethernet over USB 2.0(max. throughput 100Mbps) |
| USB | 4x USB Ports |
| GPIO | 40 pins |
| 音频接口 | 3.5mm插孔，HDMI电子输出或IIS |
| 视频接口 | Full Size HDMI, MIPI DSI display port, MIPI CSI camera port |
| 电源输入 | 5V/2.5A DC via micro USB or GPIO |
| 重量 | 45g |
| 总体尺寸 | 85 x 56 x 17mm |
| 工作环境温度 | 0-50℃ |
| 操作系统 | Debian GNU/Linux、 Fedora、 Arch Linux 、 RISC OS、 Windows10 IoT |
- 关于GPU的分配：
1GB内存要用于Broadcom BCM2837上的中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU），因此要在两者之间合理分配内存。默认情况下GPU占64M，剩下全部用于CPU。
1）如果将树莓派用作文件服务器或Web服务器，不需要使用视频输出，可以减少分配给GPU的内存数量(最少为16MB);
2）如果用它来浏览网页，看B站甚至运行3D游戏，那么应该为GPU分配较大的内存，从而提高GPU性能，使其更好地渲染3D游戏画面;如果需要接入摄像头，则至少要为要为GPU分配128MB显存。
以下内容是上学期课程所整理的一些东西，新手可选择性跳过，不过了解一下绝对大有帮助:)
3.运行环境(Run-Time Environment)
目标平台上为运行嵌入式软件而必须的的软件环境。
3.1启动代码(Start-up code)
首先，需要知道的是树莓派传统的desktop computer那样启动。VideoCore（a.k.a the Graphics processor）实际上 是在ARM CPU之前 启动的！
树莓派的SOC内部集成了ARM CPU，GPU，ROM，SDRAM，以及其他设备，所以可以把SoC想象成主板和CPU一起压缩成一个芯片(arm系统结构的PC)。
-
当给树莓派加电后，最先执行保存在ROM中的代码，这些代码是芯片出厂的时候就设定的，通常被称为 first-stage bootloader，这些代码固化硬件内部，可以认为是SoC硬件的一部分。
first-stage bootloader的主要工作是加载位于SD卡上第一个分区的bootloader（称为second-stage bootloader ），第一个分区必须是FAT32格式。 -
second-stage bootloader 主要是bootloader.bin。可以把SD卡取出，放到Windows或Linux系统中，就可以看到bootloader.bin文件。需要说明的是，上电或者重启后，cpu和ram都没有初始化，因此，执行second-stage bootloader 的实体是GPU，bootcode.bin是加载到GPU的128KB大小的L2Cache中，再执行的。
bootcode.bin的主要工作是初始化ram，并把start.elf（也位于SD卡的第一分区）加载到内存中。 -
start.elf就是third-stage bootloader，start.efl从第一个分区中加载config.txt，可以把config.txt想象成bios配置信息，内部的配置都可以改变。
start.elf把ram空间划分为2部分：CPU访问空间和GPU访问空间。
SoC芯片只访问属于GPU地址空间的内存区，例如，GPU的物理内存地址空间为0x000F000 – 0x0000FFFF，CPU的物理内存地址空间为0x00000000 – 0x0000EFFF，如果GPU访问0x0000008，那么它访问的物理地址为0x000F008。（实际上，ARM处理器的mmu部件把GPU的内存空间映射到0xC0000000 开始）。 -
config.txt在内存地址空间分配完成后才加载，因此，不可以在config.txt中更改内存地址的配置。然而，可以通过配置多个elf文件来让start.elf和config.txt支持多种配置空间。start.elf还从SD卡的第一个分区中加载cmdline.txt（如果cmdline.txt存在的话）。该文件保存的是启动kernel（不一定是Linux的内核）的参数。
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至此，SoC进入了boot的最后阶段，start.efl把kernel.img，ramdisk，dtb加载到内存的预定地址，然后向cpu发出重启信号，因此cpu就可以从内存的预定地址执行kernel的代码，就进入了软件定义的系统启动流程。
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启动操作系统后，GPU代码没有unloaded。事实上,start.elf不仅仅是GPU的固件，它还是一个专有的操作系统，叫做VideoCore OS。当普通OS (Linux)需要一个不能直接访问的元素时，Linux使用邮箱消息系统与VCOS通信。
3.2操作系统
| 树莓派操作系统 | 简介 |
|---|---|
| Raspbian Stretch with Desktop | 基于Debian,Arm版的Linux系统,兼容性和性能优秀，当前实用最广泛的操作系统 |
| Raspbian Stretch with Desktop and recommended software | 相比上一个多了一些推荐软件，比如一些IDE、Office、游戏等 |
| Raspbian Stretch Lite | 基于Debian,不带图形界面，相比第一个小很多，4G内存卡就够 |
| Pidora | 基于Fedora，是拥有另一种风格的树莓派操作系统 |
| Arch Linux ARM | 基于Arch Linux，对linux操作系统很熟悉的人大都实用此版本 |
| Raspbmc | 在Raspbian基础上定制的XBMC影音播放系统，将树莓派设置成电视机的Linux操作系统 |
| OpenELEC | NOOBS安装推荐版本之一，用得最多的XBMC跨平台分支，是一个小的XBMC媒体操作系统 |
| Windows10 IoT | 微软官方针对物联网（IoT）的一个Windows版本 |
| Ubuntu MATE | 针对树莓派的版本，界面个性美观 |
| Snappy Ubuntu Core | 针对物联网(IoT)的一个发行版本 |
| CentOS | 针对ARM的发行版,基于Red Hat Linux ,CentOS 是RHEL（Red Hat Enterprise Linux）源代码再编译的产物，而且在RHEL的基础上修正了不少已知的 Bug ，稳定性值得信赖 |
| FreeBSD | 针对树莓派的发行版,由于FreeBSD宽松的法律条款，其代码被好多其他系统借鉴包括苹果公司的OS X，正是由于OS X的UNIX兼容性，使得OS X获得了UNIX商标认证。 |
| Kali | 针对树莓派的发行版，Kali Linux面向专业的渗透测试和安全审计,黑客的最爱 |
3.3编程环境
为完成嵌入式软件开发而必须的软硬件工具。
3.3.1 文本编辑器：vi/vim，gedit, nano
nano(小白最爱)
nano是一个小巧自由，并且友好的编辑器，在大部分linux上都有nano命令。相对vi，不熟悉linux的话nano比较简单,只需要知道如何进入编辑，如何保存退出即可。
vi(标准)
vi编辑器是所有Unix及Linux系统下标准的编辑器，他就相当于windows系统中的记事本一样。对Unix及Linux系统的任何版本，vi编辑器是完全相同的，学会它后，您将在Linux的世界里畅行无阻。
vim(编程最爱)
Vim是一个类似于Vi的著名的功能强大、高度可定制的文本编辑器，在Vi的基础上改进和增加了很多特性。代码补全、编译及错误跳转等方便编程的功能特别丰富，在程序员中被广泛使用，和Emacs并列成为类Unix系统用户最喜欢的文本编辑器。
安装vim只需要以下两步操作
卸载vim-tiny：$ sudo apt-get remove vim-common
安装vim full：$ sudo apt-get install vim
gedit（纯文本）
是Linux下的一个纯文本编辑器,但你也可以把它用来当成是一个集成开发环境 (IDE), 它会根据不同的语言高亮显现关键字和标识符。十分的简单易用，有良好的语法高亮，对中文支持很好，支持包括gb2312、gbk在内的多种字符编码。
3.3.2交叉编译工具：gcc
GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器套件），是由 GNU开发的编程语言编译器。它是以GPL许可证所发行的自由软件，也是 GNU计划的关键部分。
树莓派中已经安装了gcc工具链，可在树莓派中直接编译源代码生成可执行文件。与此同时，PC机上也可使用gcc工具链生成可执行代码，但是和树莓派上的gcc工具不同，PC机上的gcc工具生成intel或amd芯片上可执行的代码，但树莓派却是arm系列的芯片，显然存在不小的差异。那么使用交叉工具链便可在PC机上开发树莓派中可执行程序。 虽然树莓派的主频可达700MHz远高于一般的嵌入式系统，但相比于PC机其性能还是差些，使用交叉工具链可节约开发时间。在编译链接同等规模的代码时，PC机所用的时间应少于树莓派所用时间，通过交叉编译的方法提高效率。
3.3.3交叉调试工具：gdb
GDB是GNU开源组织发布的一个强大的UNIX下的程序调试工具。在UNIX平台下做软件，GDB这个调试工具有比VC、BCB的图形化调试器更强大的功能。
一般来说，GDB主要帮忙完成下面四个方面的功能：
- 启动程序，可以按照自定义的要求随心所欲的运行程序。
- 可让被调试的程序在你所指定的调置的断点处停住。（断点可以是条件表达式）
- 当程序被停住时，可以检查此时程序中所发生的事。
- 动态的改变程序的执行环境。
OKay，基础知识先整理这么多，接下来开始动手实践！
