TECHNOLOGY IN ACTION™ Advanced Raspberry Pi Raspbian Linux and GPIO Integration — Warren Gay Advanced Raspberry Pi Raspbian Linux and GPIO Integration Second Edition Warren Gay Advanced Raspberry Pi: Raspbian Linux and GPIO Integration Warren Gay St. Catharine’s, Ontario, Canada ISBN-13 (pbk): 978-1-4842-3947-6 ISBN-13 (electronic): 978-1-4842-3948-3 https://doi.org/10.1007/978-1-4842-3948-3 Library of Congress Control Number: 2018960398 Copyright © 2018 by Warren Gay This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. Trademarked names, logos, and images may appear in this book. Rather than use a trademark symbol with every occurrence of a trademarked name, logo, or image we use the names, logos, and images only in an editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark. The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights. While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication, neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the material contained herein. Managing Director, Apress Media LLC: Welmoed Spahr Acquisitions Editor: Aaron Black Development Editor: James Markham Coordinating Editor: Jessica Vakili Cover image designed by Freepik (www.freepik.com) Distributed to the book trade worldwide by Springer Science+Business Media New York, 233 Spring Street, 6th Floor, New York, NY 10013. Phone 1-800-SPRINGER, fax (201) 348-4505, e-mail [email protected], or visit www.springeronline.com. Apress Media, LLC is a California LLC and the sole member (owner) is Springer Science + Business Media Finance Inc (SSBM Finance Inc). SSBM Finance Inc is a Delaware corporation. For information on translations, please e-mail [email protected], or visit http://www.apress.com/ rights-permissions. Apress titles may be purchased in bulk for academic, corporate, or promotional use. eBook versions and licenses are also available for most titles. For more information, reference our Print and eBook Bulk Sales web page at http://www.apress.com/bulk-sales. Any source code or other supplementary material referenced by the author in this book is available to readers on GitHub via the book's product page, located at www.apress.com/ 978-1-4842-3947-6. For more detailed information, please visit http://www.apress.com/ source-code. Printed on acid-free paper For Jackie. Table of Contents About the Author ������������������������������������������������������������������������������xxv About the Technical Reviewer ��������������������������������������������������������xxvii Chapter 1: The Raspberry Pi �����������������������������������������������������������������1 SBC Inventory �������������������������������������������������������������������������������������������������������1 Models ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������2 Raspberry Pi Model B ��������������������������������������������������������������������������������������������3 Raspberry Pi 2 Model B �����������������������������������������������������������������������������������������5 Raspberry Pi 3 Model B �����������������������������������������������������������������������������������������7 Raspberry Pi 3 Model B+ ��������������������������������������������������������������������������������������9 Raspberry Pi Zero �����������������������������������������������������������������������������������������������10 Raspberry Pi Zero W ��������������������������������������������������������������������������������������������12 Which Model? �����������������������������������������������������������������������������������������������������13 Chapter 2: Preparation �����������������������������������������������������������������������15 Static IP Address �������������������������������������������������������������������������������������������������15 Using SSH �����������������������������������������������������������������������������������������������������������16 VNC ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������19 VNC Viewers ��������������������������������������������������������������������������������������������������21 Black VNC Screen ������������������������������������������������������������������������������������������23 Breadboard Setup �����������������������������������������������������������������������������������������������25 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������25 v TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss Chapter 3: Power ��������������������������������������������������������������������������������27 Calculating Power �����������������������������������������������������������������������������������������������28 Current Requirement �������������������������������������������������������������������������������������������29 Peripheral Power�������������������������������������������������������������������������������������������������30 3�3 Volt Power �����������������������������������������������������������������������������������������������������30 Powered USB Hubs ���������������������������������������������������������������������������������������������31 Power Adapters ���������������������������������������������������������������������������������������������������31 An Unsuitable Supply�������������������������������������������������������������������������������������31 E-book Adapters ��������������������������������������������������������������������������������������������33 Power Source Quality ������������������������������������������������������������������������������������33 Voltage Test ���������������������������������������������������������������������������������������������������34 Battery Power �����������������������������������������������������������������������������������������������������36 Requirements ������������������������������������������������������������������������������������������������36 Headroom ������������������������������������������������������������������������������������������������������36 LM7805 Regulation ����������������������������������������������������������������������������������������37 DC-DC Buck Converter�����������������������������������������������������������������������������������39 Signs of Insufficient Power ���������������������������������������������������������������������������������42 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������43 Chapter 4: LEDs and Header Strips �����������������������������������������������������45 Status LEDs ���������������������������������������������������������������������������������������������������������45 OK/ACT LED ���������������������������������������������������������������������������������������������������46 PWR LED ��������������������������������������������������������������������������������������������������������46 FDX LED ���������������������������������������������������������������������������������������������������������46 LINK LED ��������������������������������������������������������������������������������������������������������46 10 M/100 LED �������������������������������������������������������������������������������������������������46 Original Header P1 ����������������������������������������������������������������������������������������������46 Revised GPIO Header P1 �������������������������������������������������������������������������������������47 vi TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss Revision 2�0 GPIO Header P1 ������������������������������������������������������������������������������49 Safe Mode �����������������������������������������������������������������������������������������������������50 Logic Levels ���������������������������������������������������������������������������������������������������51 GPIO Configuration at Reset ��������������������������������������������������������������������������51 1 -Wire Driver �������������������������������������������������������������������������������������������������������52 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������52 Chapter 5: SDRAM ������������������������������������������������������������������������������53 /proc/meminfo ����������������������������������������������������������������������������������������������������53 MemTotal �������������������������������������������������������������������������������������������������������55 MemFree �������������������������������������������������������������������������������������������������������56 Buffers �����������������������������������������������������������������������������������������������������������56 Cached �����������������������������������������������������������������������������������������������������������56 SwapCached ��������������������������������������������������������������������������������������������������56 Active �������������������������������������������������������������������������������������������������������������56 Inactive ����������������������������������������������������������������������������������������������������������57 Active(anon) ���������������������������������������������������������������������������������������������������57 Inactive(anon) ������������������������������������������������������������������������������������������������57 Active(file) ������������������������������������������������������������������������������������������������������57 Inactive(file) ���������������������������������������������������������������������������������������������������57 Unevictable ����������������������������������������������������������������������������������������������������57 Mlocked ���������������������������������������������������������������������������������������������������������58 SwapTotal ������������������������������������������������������������������������������������������������������58 SwapFree ������������������������������������������������������������������������������������������������������58 Dirty ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������58 Writeback ������������������������������������������������������������������������������������������������������58 AnonPages �����������������������������������������������������������������������������������������������������58 Mapped ����������������������������������������������������������������������������������������������������������58 Shmem ����������������������������������������������������������������������������������������������������������59 vii TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss Slab ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������59 SReclaimable �������������������������������������������������������������������������������������������������59 SUnreclaim ����������������������������������������������������������������������������������������������������59 KernelStack ���������������������������������������������������������������������������������������������������59 PageTables ����������������������������������������������������������������������������������������������������59 NFS_Unstable ������������������������������������������������������������������������������������������������59 Bounce ����������������������������������������������������������������������������������������������������������60 WritebackTmp �����������������������������������������������������������������������������������������������60 CommitLimit ��������������������������������������������������������������������������������������������������60 Committed_AS �����������������������������������������������������������������������������������������������61 VmallocTotal ��������������������������������������������������������������������������������������������������62 VmallocUsed ��������������������������������������������������������������������������������������������������62 VmallocChunk ������������������������������������������������������������������������������������������������62 Physical Memory �������������������������������������������������������������������������������������������������62 Memory Mapping ������������������������������������������������������������������������������������������������64 Address����������������������������������������������������������������������������������������������������������66 Length �����������������������������������������������������������������������������������������������������������67 Protection ������������������������������������������������������������������������������������������������������67 Flags ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������67 File Descriptor �����������������������������������������������������������������������������������������������68 Offset �������������������������������������������������������������������������������������������������������������68 Return Value ��������������������������������������������������������������������������������������������������68 Volatile �����������������������������������������������������������������������������������������������������������69 Virtual Memory ����������������������������������������������������������������������������������������������������69 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������70 viii TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss Chapter 6: CPU ������������������������������������������������������������������������������������71 /proc/cpuinfo�������������������������������������������������������������������������������������������������������71 ARM Architecture ������������������������������������������������������������������������������������������������72 Architecture Suffix �����������������������������������������������������������������������������������������73 Features ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������74 Execution Environment ���������������������������������������������������������������������������������������75 Threads ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������76 pthread Headers ��������������������������������������������������������������������������������������������76 pthread Error Handling ����������������������������������������������������������������������������������77 pthread_create(3) ������������������������������������������������������������������������������������������77 pthread_attr_t �����������������������������������������������������������������������������������������������80 pthread_join(3) ����������������������������������������������������������������������������������������������82 pthread_detach(3) �����������������������������������������������������������������������������������������83 pthread_self(3) ����������������������������������������������������������������������������������������������84 pthread_kill(3) �����������������������������������������������������������������������������������������������85 Mutexes ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������86 pthread_mutex_create(3) ������������������������������������������������������������������������������86 pthread_mutex_destroy(3) ����������������������������������������������������������������������������87 pthread_mutex_lock(3) ���������������������������������������������������������������������������������88 pthread_mutex_unlock(3) �����������������������������������������������������������������������������89 Condition Variables ���������������������������������������������������������������������������������������������90 pthread_cond_init(3) �������������������������������������������������������������������������������������92 pthread_cond_destroy(3) ������������������������������������������������������������������������������92 pthread_cond_wait(3) �����������������������������������������������������������������������������������93 pthread_cond_signal(3) ��������������������������������������������������������������������������������94 pthread_cond_broadcast(3) ��������������������������������������������������������������������������95 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������96 ix TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss Chapter 7: USB ������������������������������������������������������������������������������������97 Power ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������97 Powered Hubs �����������������������������������������������������������������������������������������������������98 EZ-USB FX2LP �����������������������������������������������������������������������������������������������������99 Device Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������101 USB API Support ������������������������������������������������������������������������������������������������102 USB Enumeration �����������������������������������������������������������������������������������������102 ReNumeration™ �����������������������������������������������������������������������������������������102 Raspbian Linux Installs �������������������������������������������������������������������������������������103 Install sdcc ��������������������������������������������������������������������������������������������������103 Install cycfx2prog ����������������������������������������������������������������������������������������106 Install libusb-1�0-0-dev �������������������������������������������������������������������������������106 Blacklist usbtest ������������������������������������������������������������������������������������������107 Obtain Software from github�com ���������������������������������������������������������������107 Test EZ-USB FX2LP Device ��������������������������������������������������������������������������108 USB Demonstration �������������������������������������������������������������������������������������������112 FX2LP Source Code �������������������������������������������������������������������������������������113 Raspberry Pi Source Code ���������������������������������������������������������������������������118 The Demonstration ��������������������������������������������������������������������������������������������126 Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������129 Chapter 8: Ethernet ���������������������������������������������������������������������������131 Wired Ethernet ��������������������������������������������������������������������������������������������������131 Static Wired Address �����������������������������������������������������������������������������������133 Wireless Configuration ��������������������������������������������������������������������������������������135 Bugs ������������������������������������������������������������������������������������������������������������136 WIFI Country ������������������������������������������������������������������������������������������������136 Test Static IP Addresses ������������������������������������������������������������������������������137 x