Raspberry Pi – Das Handbuch: Konfiguration, Hardware, Applikationserstellung

214 Pages·2013·72.523 MB·German

by  Klaus Dembowski (auth.)

Raspberry Pi – Das Handbuch
Klaus Dembowski
Raspberry Pi – Das Handbuch
Konfi guration, Hardware,
Applikationserstellung
Klaus Dembowski
Technische Universität Hamburg-Harburg
Hamburg, Deutschland
ISBN 978-3-658-03166-4 ISBN 978-3-658-03167-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-03167-1
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Vorwort
Der Raspberry Pi begeistert. Selten hat eine Schaltung so viel Aufmerksamkeit und
Enthusiasmus erregt und das nicht nur bei Systementwicklern, sondern auch bei
Hobby-Programmierern und Elektronik-Bastlern weltweit. Mittlerweile sind über
eine Million Stück dieser kleinen "Platine" verkauft worden.
In der Vergangenheit gab es bereits ähnliche Mini-Computer, es werden auch wei
terhin neue entwickelt. Gleichwohl bleibt der Raspberry Pi für das, was er zu leis
ten vermag, nach wie vor preislich und funktionstechnisch unerreicht. Für ca. 30 €
kann man weder die dazugehörige Platine herstellen noch die darauf verwendeten
Bauelemente einzeln kaufen und erst recht nicht das System bestücken und testen.
Neben dem preislichen Aspekt spielt seine universelle Verwendbarkeit eine große
Rolle, die durch den Einsatz von Linux als Betriebssystem sichergestellt wird,
wodurch kaum Berührungsängste bei Computeranwendern entstehen. Im Gegen
satz zu leistungsfähigeren Systemen, die ebenfalls mit einem ARM-Prozessor ar
beiten, sind für die App1ikationserstellung mit dem Raspberry Pi weder Pro
fikenntnisse bei der Prozessorprogrammierung noch beim Schaltungsentwurf
notwendig.
Generell eignet sich der Raspberry Pi aufgrund des Open-Source-Betriebssystems
Linux und der Schnittstellenvielfalt hervorragend für die Systementwicklung.
Obwohl es die urspriingliche Intention der Raspberry Pi-Entwickler an der Univer
sität in Cambridge war, den Studenten sowie allen Interessierten ein kostengiinsti
ges System an die Hand zu geben, um ihnen das Programmieren von Computern
näher zu bringen, kann der Raspberry Pi durchaus in Profianwendungen (Embed
ded Systems) bestehen. Hierfür gibt es bereits einige Industrielösungen, wie bei
spielsweise die funkbasierten Z-Wave-Produkte für die Hausautomation.
In diesem Handbuch geht es in erster Linie darum, den Raspberry Pi optimal ein
setzen zu können. Es wird darauf Wert gelegt, dass das Zusammenspiel der Soft
ware mit der Hardware deutlich wird. Dabei wird zunächst mit der Software
Grundausstattong des Raspberry Pi gearbeitet, ohne dass alle möglichen zusätzli
chen Tools vorausgesetzt werden und zu installieren sind. Das hier vorgestellte
Zubehör - die Hardware - bleibt in dem finanziellen Ra1unen, den der Raspberry
Pi selbst absteckt.
Der Schwerpunkt des Buches liegt auf der Hardware mit den Schnittstellen (LAN,
WLAN, GP10, SP1, 1'C), die für die Kommunikation und den Datenaustausch mit
anderen Einheiten prädestiniert sind. Es geht weniger darum, Linux oder eine
bestimmte Programmiersprache zu erlernen oder um den Einsatz spezieller Peri-
VI Vorwort
pherie. Dies sind gewissermaßen alles nur »Hilfsmittel«, um auf dieser Basis die
Verwirklichung eigener Applikationen mit dem Raspberry Pi zu ermöglichen.
Geesthacht, im Juli 2013
Klaus Dembowski
Hinweis für die E-Book-Ausgabe: Die beiden Umschlagseiten mit der Schnell
übersicht der Raspberry Pi-Befehle und die Signalbelegungen des GPIO-Ports ste
hen auf der Internetseite zum Buch unter http://www.springer.com/97B-3-658-
03166-4
Inhaltsverzeichnis
Einführung ........................................................................................................................... 1
1 Schnellstart.. ................................................................................................................... 7
1.1 Auspacken ........................................................................................................... 9
1.2 Die SO-Karte ..................................................................................................... 10
1.3 Anschließen ....................................................................................................... 11
1.3.1 Netzteil ................................................................................................... 11
1.3.2 Tastatur und Maus ................................................................................ 13
1.3.3 Monitor ................................................................................................... 14
1.4 Einschalten und booten ................................................................................... 17
1.5 Grundlegende Konfigurierung ...................................................................... 23
1.5.1 Information ............................................................................................ 23
1.5.2 Kapazitätsbeschränkung aufheben - Expand Root Partition ......... 23
1.5.3 MOnitorabstimmung - Change Overscan. ......................................... 23
1.5.4 Tastatureinstellungen - Set Keyboard Layout .................................. 24
1.5.5 Password ändern - Change Password ............................................... 25
1.5.6 Nationale Zeichensätze - Set Loca1e ................................................... 25
1.5.7 Gebiet und Zeitzone - Set Timezone .................................................. 26
1.5.8 Speicheraufteilung - Set Memory Split .............................................. 27
1.5.9 Übertakten - Configure Overclocking ............................................... 27
1.5.10 Secure Shell aktivieren - SSH Enable ................................................. 29
1.5.11 Desktop automatisch starten - Boot Behaviour. ............................... 31
1.5.12 Config-Aktualisierung - Update ........................................................ 31
2 Software ........................................................................................................................ 33
2.1 Dateisystem und erste Software-Installation. ............................................... 33
2.2 Verzeichnisstruktur ......................................................................................... 37
2.3 Linux-Orientierung und Befehle ................................................................... .40
2.4 Zugrlffsrechte ................................................................................................... 45
2.5 Verwaltung und Paketmanager .................................................................... .47
2.6 Firmware ........................................................................................................... 50
2.6.1 Bootvorgang - Firmware und Kernel... .............................................. 51
2.6.2 Aktualisierung - Updates .................................................................... 52
3 Hardware. ..................................................................................................................... 55
3.1 ARM-Prozessor BCM2835 ............................................................................... 55
3.2 ARM-Architektur ............................................................................................. 56
VTII Inhaltsverzeichnis
3.2.1 Cores und Typen .................................................................................. 57
3.3 Speichereinheiten ............................................................................................ 62
3.3.1 SD-Karten .............................................................................................. 64
3.4 Grafikeinheit .................................................................................................... 68
3.4.1 HDMI und DVI ..................................................................................... 68
3.4.2 Composite Video .................................................................................. 72
3.5 Audio ................................................................................................................. 74
3.6 General Purpose Input Output ...................................................................... 74
3.7 Ethernet und USB ............................................................................................ 80
3.7.1 LAN9512 ................................................................................................ 81
3.7.2 PHY und MAC ..................................................................................... 82
3.7.3 Netzwerkverbindung .......................................................................... 84
3.7.4 TAP-und USB-Controller ................................................................... 85
3.7.5 Polyfuses ................................................................................................ 86
3.8 Spannungsversorgung und Taktung ............................................................ 87
3.8.1 Taktung .................................................................................................. 89
3.9 Reset-Schaltung ............................................................................................... 90
3.10 DSI-und CSI-Schaltung .................................................................................. 92
4 Konfigurierung und Optimierung ........................................................................... 95
4.1 Betriebssysteme ............................................................................................... 95
4.2 Systeminstallation ........................................................................................... 97
4.3 Audio aktivieren und einsetzen .................................................................... 99
4.4 Videoplayer und Lizenzen ........................................................................... 104
4.5 Mediacenter .................................................................................................... 106
4.6 Externe Laufwerke ........................................................................................ 110
4.7 Drucken. .......................................................................................................... 114
4.8 Netzwerkverbindungen ............................................................................... 117
4.8.1 Übersicht und Analyse ...................................................................... 119
4.8.2 Netzwerkadressen. ............................................................................. 120
4.8.3 Konfigurationsdatei ........................................................................... 123
4.8.4 Adressenumsetzung - Domain Name Service ............................... 123
4.8.5 Einstellungen ...................................................................................... 124
4.8.6 Verbindungen ..................................................................................... 125
4.8.7 Secure Shell-SSH .............................................................................. 126
4.8.8 Virtual Network Computing - VNC ............................................... 128
4.8.9 File Transfer Protocol-FTP .............................................................. 130
4.9 WLAN ............................................................................................................. 133
4.9.1 Standards und Kompatibilität .......................................................... 134
Inhaltsverzeichnis IX
4.9.2 Topologien ........................................................................................... 135
4.9.3 Raspberry Pi für das WLAN konfigurieren .................................... 138
5 Programmierung ....................................................................................................... 143
5.1 Hardware-nahe Programmierung ............................................................... 145
5.1.1 Assembler ............................................................................................. 145
5.1.2 Turbo Pascal ......................................................................................... 148
5.2 Skriptsprachen ................................................................................................ 149
5.3 Java ................................................................................................................... 150
5.4 Microsofts .NET .............................................................................................. 151
5.4.1 Mono ..................................................................................................... 151
5.5 Standard Tools auf dem Desktop ................................................................. 152
5.6 Programmieren mit Python .......................................................................... 154
5.7 Programmieren mit C .................................................................................... 160
6 Hardware-Kommmunikation .................................................................................. 165
6.1 OnBoard-LED ansteuern ............................................................................... 166
6.1.1 Trigger .................................................................................................. 166
6.1.2 Heartbeat .............................................................................................. 167
6.1.3 Mit Brightness schalten ...................................................................... 167
6.1.4 Python-Programm .............................................................................. 168
6.2 Einsatz des GPIO-Ports ................................................................................. 169
6.2.1 Erweiterungsplatinen ......................................................................... 169
6.2.2 Software ................................................................................................ 173
6.2.3 Kernel GPIO-Unterstützung .............................................................. 175
6.2.4 GPIO mit Python ................................................................................. 177
6.3 Serial Peripheral Interface - SPI ................................................................... 178
6.3.1 Chip-Kommunikation ........................................................................ 181
6.3.2 Linux-Treiber und Anwendung. ....................................................... 182
6.4 Inter Integrated Bus-FC .............................................................................. 185
6.4.1 Betriebsarten ........................................................................................ 185
6.4.2 Bus-Kommunikation .......................................................................... 187
6.4.3 Adressen ............................................................................................... 190
6.4.4 Programmierung ................................................................................. 192
6.4.5 Applikation .......................................................................................... 194
Stichwortverzeichnis ...................................................................................................... 201
Einführung
Der Raspberry Pi ist ein kleines preiswertes System.. welches aus einer Platine von
ca. 9 x 6 cm besteht, auf der sich alle notwendigen Komponenten befinden, um es
als Computer verwenden zu können. Es ist lediglich noch eine SD-Karte als Spei
chermedium einzusetzen und ein Netztei1 für die Spannungsversorgung anzu
schließen. Je nach Einsatzzweck kann dies bereits die minimale Ausstattungsform
dieses Single Board-Computers sem.. wenn das System zuvor entsprechend für
eine bestimmte Aufgabe programmiert worden ist was gemeinhin unter einem
Embedded System verstanden wird.
Der Raspberry Pi ist ein kleines Computerboard mit einem bis dato ungewöhnlich gro-
Sem Leitungswnfang zu einem kleinen Preis.
Außerdem lassen sich an das Board ein Monitor und als Eingabegeräte eine USB
Tastatur sowie eine USB-Maus anschließen. Eine Netzwerk- und eine Audiover
bindung komplettieren den Raspberry Pi hardwaretechrtisch zu einem üblichen
und bedienbaren Computer. Als Betriebssystem wird hierfür eine spezielle Linux
Distribution eingesetzt, die sich im Gegensatz zu anderen Systemen - insbesondere
zu Windows - als recht genügsam darstellt, um mit relativ begrenzten Hardware
Ressourcen in puncto Prozessorleistung, Speichergröße tmd Grafiksystem umge
hen zu könne:n,. clie bei einem derartigen Single Board-Computer nun mal system
immanent sind.
Die Intention und wie es begann
Der Ursprung des Single Board-Computers reicht in das Jahr 2006 an die Universi
tät Cambridge zurück. Die Intention war dabei. den Studenten sowie allen Interes
sierten ein kostengünstiges System an die Hand geben zu können" wn ihnen hier
mit das Programmieren von Computem näher zu bringen.
K. Dembowski, Raspberry Pi – Das Handbuch,
DOI 10.1007/978-3-658-03167-1_1, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2013