Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・嵌入式技术 基于树莓派的嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发教学探索 键词】树莓派Ｐｙｔｈｏｎ Ｊａｖａ Ｃ嵌入式 树莓派（Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ）是基于ＡＲＭ１１的 ：板，内置ＧＰＵ支持１０８０Ｐ高清视频硬解码， ｝人埃本・厄普顿（Ｅｂｅｎ Ｅｐｔｏｎ）是英国剑桥 ：博士，最初的开发动机是用之于教育［１］。 ：派分Ａ／Ｂ两个版本，价格仅２５／３５美金， 【与信用卡相差无几。它提供了以太网（Ｂ 、ＵＳＢ、ＨＤＭＩ接口，基于Ｌｉｎｕｘ的操作 、Ｐｙｔｈｏｎ语言开发环境，同时也支持Ｃ、 等语言，可用于编程开发或作为网络电视 盒。ＣＰＵ时钟默认为７００ＭＨｚ，允许超频， Ｉ可以稳定工作在１Ｇ以上。短短几年间全 僧出几百万片，广泛应用于教育、工控、 ：人、物联网、智能家居等领域。 目前我国嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发的教材与硬件 大量使用￥３Ｃ２４ｘ０、￥３Ｃ６４１０开发板，开 教学难度较大。而无论体积，集成度，性 ，开发环境与效率，树莓派都有明显优势， 性能足以流畅的支持Ｗｉｎｄｏｗｓ远程桌面， 要显示屏即可进行开发与学习。因为发现 ：派的众多优点，我们在（（Ｌｉｎｕｘ应用开发 》课程中将之引入教学实践，学生反应良 他们甚至奇怪为什么之前的ＡＲＭ Ｌｉｎｕｘ ：课程要用２４ｘ０开发板来学习，而不直接 莓派。 种语言控制树莓派ＧＰ ｌ ０ 树莓派的ＩＯ共有２６根Ｐｉｎ，排列如图１ ．其中包括ＧＰＩＯ ８个Ｐｉｎ，ＳＰＩ ５个Ｐｉｎ， 文／李文胜 串口２个Ｐｉｎ，Ｉ２Ｃ ２个Ｐｉｎ，其余为ＤＮＣ和 ｂｃｍ２８３５ｇｐｉｏ一—ｗｒｉｔｅ（ＬＥＤ，ＨＩＧＨ）；／／设 电源Ｐｉｎ。为比较Ｐｙｔｈｏｎ、Ｊａｖａ、Ｃ在树莓派 ＬＥＤ引脚为高电平，灯亮 上的开发特点，在ＧＰ１０上连接ＬＥＤ和限流 ｂｃｍ２８３５＿ｄｅｌａｙ（１０００）；／／亮一秒 电阻，分别使用三种语言让ＬＥＤ点亮一秒然 ｂｃｍ２８３５＿ｇｐｉｏｗｆｉｔｅ（ＬＥＤ，ＬＯＷ）；／／设置 后熄灭。 低电平，灯灭 １．１ Ｐｙｔｈｏｎ控制ＧＰ１０ ｝ １．４比较与分析 树莓派自带Ｐｙｔｈｏｎ开发环境，它推荐使 用Ｐｙｔｈｏｎ语言进行开发工作，控制ＧＰＩＯ需 上述三个程序都运行于树莓派官方提供的 要先安装ＲＰｉ．ＧＰＩＯ库，安装完成后，点亮与 Ｌｉｎｕｘ操作系统Ｒａｓｐｂｉａｎ中，其中树莓派推荐 熄灭ＬＥＤ的Ｐｙｔｈｏｎ代码如下［２］。 的Ｐｙｔｈｏｎ语言代码最为简洁直观，接近于人 ｉｍｐｏｒｔ ＲＰｉ．ＧＰＩＯ ａｓ ＧＰＩＯ 导入ＧＰＩＯ库 的自然语言，而对于大量已经掌握Ｊａｖａ语言 ｉｍｐｏｒｔ ｔｉｍｅ 导入时钟库 的程序员而言，Ｊａｖａ代码一目了然，且不需要 ＧＰＩＯ．ｓｅｔｍｏｄｅ（ＧＰＩＯ．ＢＣＭ）撑使用ＢＣＭ 学习Ｐｙｔｈｏｎ语言。由于有ＢＣＭ２８３５ Ｃ Ｌｉｂｒａｒｙ 的Ｉ／Ｏ命名 库的支持，ｃ代码的实现也不难，不需要自己 ＧＰＩＯ．ｓｅｔｕｐ（１ ８，ＧＰＩＯ．ＯＵＴ）撑设ＢＣＭ Ｉ／０ 写ＧＰＩＯ的Ｌｉｎｕｘ驱动。在这个简单的ＧＰＩＯ 的１８端口为输出口 编程中，可以看到树莓派的Ｌｉｎｕｘ开发有丰富 ＧＰＩＯ．ｏｕｔｐｕｔ（１８，ＧＰＩＯ．ＨＩＧＨ）撑设为高电 的语言环境可选择，开发效率高且易于学习， 平，灯亮 相对于传统的￥３Ｃ２４ｘ０上的“Ｌｉｎｕｘ驱动编程 ｔｉｍｅ．ｓｌｅｅｐ（１） 亮１秒 ＋应用层编程＋交叉编译”要容易掌握。我们 ＧＰＩＯ．ｏｕｔｐｕｔ（１８，ＧＰＩＯ．ＬＯＷ） 设为低电 在Ｌｉｎｕｘ开发实训教学中，通过上述三种语言 平，灯灭 的例子，使学生体验到树莓派开发的高效与语 １．２ Ｊａｖａ控＠］ＧＰ１０ 言环境的丰富多样。 最新的树莓派Ｒａｓｐｂｉａｎ操作系统已经自 ２应用开发分析 带ｊｒｅ运行环境，安装ｐｉ４ｊ的类库后，使用 以下用树莓派推荐的Ｐｙｔｈｏｎ语言实现串 Ｊａｖａ控制ＬＥＤ的代码如下。 行通信和ＴＣＰ／ＩＰ网络通信等更为复杂的应用， ｉｆｎａｌ ＧｐｉＯＣｏｎｔｒｏ１ｌｅｒ ｇｐｉｏ＝ＧｐｉｏＦａｃｔｏｒｙ． 然后分析实现智能家居和物联网的思路，以进 ｇｅｔｌｎｓｔａｎｃｅ０；／／ＧＰＩＯ对象 一步分析树莓派的能力和优点 ｆｉｎａｌ ＧｐｉｏＰｉｎＤｉｇｉｔａｌＯｕｔｐｕｔ ｌｅｄｐｉｎ＝ｇｐｉｏ． ２．１串行通信 ｐｒｏｖｉｓｉｏｎＤｉｇｉｔａｌＯｕｔｐｕｔＰｉｎ（ ＲａｓｐｉＰｉｎ．ＧＰＩＯ０１，”ＬＥＤ”，ＰｉｎＳｔａｔｅ． 安装ｐｙｔｈｏｎ－ｓｅｒｉａｌ库后，用Ｐｙｔｈｏｎ语言 ＨＩＧＨ）；／／ｌｅｄｐｉｎ对象，设置为输出口、高电平 在树莓派的Ｒａｓｐｂｉａｎ操作系统中实现串行通 ｌｅｄｐｉｎ．ｈｉｇｈ（）；／／设ｌｅｄｐｉｎ为高电平，灯亮 信的代码如下。 Ｔｈｒｅａｄ．ｓｌｅｅｐ（１０００）；／／延时１秒 ｉｍｐｏｒｔ ｓｅｒｉａｌ ｌｅｄｐｉｎ．１ｏｗ（）；／／设置低电平，灯灭 ｓｐｏｒｔ＝ｓｅｒｉａ１．Ｓｅｒｉａｌ（”／ｄｅｖ／ｔｔｙＡＭＡ０”， １．３ Ｃ控制ＧＰ１０ ｂａｕｄｒａｔｅ＝９６００）≠ｆ ￣－ｏｐｅｎ（”ｓｅｎｄ．ｔｘｔ”，’什’）＃打开要发送的文件 安装ＢＣＭ２８３５ Ｃ Ｌｉｂｒａｒｙ后，使用文本编 ｗｈｉｌｅＴｒｕｅ： 辑器编写以下代码，存为ｌｅｄ．Ｃ，然后用ｇｃｃ编译， ｓｂｕｆ＝－ｆ．ｒｅａｄｌｉｎｅ０群读一行到ｓｂｕｆ中 控制ＬＥＤ的代码如下 ｉｆ ｌｅｎ（ｓｂｕ０￣０：撑空行表示发送完毕 ＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ｂｃｍ２８３５－ｈ＞ ｂｒｅａｋ ＃ｄｅｆｉｎｅＬＥＤＲＰＩ ＧＰＩＯ Ｐ１ １２／／ＬＥＤ对 ｓｐｏｒｔ．ｗｒｉｔｅ（ｓｂｕｆ） 发送ｓｂｕｆ内容 应ｂｃｍ２８３５库中的Ｐ１ ｌ２引脚 ｆ．ｃｌｏｓｅ 群关闭文件 ｖｏｉｄ ｍａｉｎ（ｉｎｔ ａｒｇｏ．ｃｈａｒ ａｒｇｖ）｛ 对于嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的串行通信编程， ｂｃｍ２８３５ ｉｎｉｔ０；／／初始化ＧＰＩＯ端口 与传统的语言开发相比，Ｐｙｔｈｏｎ代码显得“简 ｂｃｍ２８３５ｇｐｉｏ一ｆｓｅｌ（ＬＥＤ，ＢＣＭ２８３５一 洁优美”，犹如人的自然语言，廖廖数语，即 ＧＰＩＯ ＦＳＥＬ ＯＵＴＰ）；／／设为输出 可实现串口通信，非常适合快速开发与教学使 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・２１９ 嵌入式技术・Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ５Ｖ ＤＮＣ ＧＮＤ ＴＸＤ ＲＸＤ ＧＰ １０１ ３－３Ｖ Ｉ２Ｃ ＳＤＡ０ Ｉ２ｃ ＳＣＬ０ １０７ ＤＮＣ ＧＰ ＩＯ０ ＧＰ１ ０２ ＤＮＣ ＧＰ １０４ ＧＰＩ Ｏ３ ＧＰ １０５ ＤＮＣ ＳＰＩ Ｓｌ ＤＮＣ ＧＰ１ ０６ ＳＰＩ ＳＯ ＳＰＩ ＥＯ ＳＰＩ ＣＬＫ ＳＰＩ Ｅ１ ＤＮＣ 图１：树莓派ＩＯ排列 用。树莓派的开发显示，尽管Ｃ（ｃ＋＋）可以 ３．１软硬件优势 让开发者更深入理解和控制硬件，对于Ｌｉｎｕｘ 内核和驱动的开发仍然有不可取代的价值， 化与剧烈竞争的市场环境下，这些都是开发与 教学在平台选型时需要考量的重要因素。 树莓派之所以在全球热销，原因不仅在 于支持Ｐｙｔｈｏｎ、Ｊａｖａ、Ｃ等丰富的语言开发环 由于树莓派的Ｂｒｏａｄｃｏｍ和剑桥背景，而 但随着硬件越来越便宜，性能越来越好，ｃ在 Ｌｉｎｕｘ应用层开发的使用率正在并将继续被象 境，它提供的Ｒａｓｐｂｉａｎ操作系统是历时５年 Ｐｙｔｈｏｎ或Ｊａｖａ这类更“高级 的面向对象语 多重新测试与移植超过１９０００个Ｌｉｎｕｘ软件包 言蚕食，就如以前的汇编语言使用率被Ｃ蚕 的结晶。创始人Ｅｂｅｎ博士目前任树莓派的主 食一样。 芯片设计公司Ｂｒｏａｄｃｏｍ的ＩＣ设计主管，可 以很好的控制ＣＰＵ及开发板的性价比和质量 ２．２ Ｓｏｃｋｅｔ通信、智能家居或物联网 （Ｂｒｏａｄｃｏｍ是全球领先的通信领域的半导体 Ｐｙｔｈｏｎ同样能以很少的语句实现ＴＣＰｆｌＰ 公司）。因此，树莓派同时拥有ＣＰＵ、操作 通信。它实现Ｓｏｃｋｅｔ客户端的关键代码如下。 系统、应用开发环境三个方面的背景优势。此 ｉｍｐｏｒｔ ｓｏｃｋｅｔ 外，由于内置ＧＰＵ支持１０８０Ｐ视频硬解码， ａｄｄｒｅｓｓ＝（’１９２．１６８．１．１０２’，２８００）撑服务器 树莓派官方又提供了界面友好的ＯｐｅｎＥＬＥＣ ＩＰ地址和端口号 和ＲＡＳＰＢＭＣ操作系统，它可以打造成家庭 媒体中心，成为网络电视机顶盒。 ｓ＝ｓｏｃｋｅｔ．ｓｏｃｋｅｔ（ｓｏｃｋｅｔ．ＡＦ—ＩＮＥＴ，ｓｏｃｋｅｔ． ＳＯＣＫＳＴＲＥＡＭ）≠｝ＩＰｖ４，ＴＣＰ ３．２资源优势 ｓ．ｃｏｎｎｅｃｔ（ａｄｄｒｅｓｓ）撑向服务器发起Ｓｏｃｋｅｔ 连接 全球有数以百万计的开发者在为树莓派 ｓ．ｓｅｎｄ（’Ｈｅｌｌｏ’）≠ｆ向服务器发送Ｈｅｌｌｏ 进行开发，有丰富的软硬件开发资源可供参考 ｓ．ｃｌｏｓｅ（１ 关闭Ｓｏｃｋｅｔ 与借鉴。软件巨头Ｏｒａｃｌｅ推出了基于树莓派和 与Ｃ（Ｃ＋＋）或者Ｊａｖａ相比，Ｐｙｔｈｏｎ的 Ｊａｖａ Ｆｘ的ＤｕｋｅＰａｄ方案，并开设了互联网免 Ｌｉｎｕｘ网络编程仍然出人意料的简洁。由于 费课程“Ｄｅｖｅｌｏｐ Ｊａｖａ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 树莓派的性能足以支持专业的ＬＡＭＰ（Ｌｉｎｕｘ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ”（使用树莓派开发Ｊａｖａ Ａｐａｃｈｅ Ｍｙｓｑｌ ＰＨＰ）Ｗｅｂ服务器，因而，只要 嵌入式应用）。ＲａｓｐｉＲｏｂｏｔＢｏａｒｄ是一个典型 综合上述的ＧＰＩＯ和串口编程，控制外围的 的树莓派扩展板，可将树莓派扩展为机器人控 ８ｂｉｔ单片机及传感器，安装ＬＡＭＰ Ｗｅｂ服务器， 制器，它有专门的Ｐｙｔｈｏｎ库支持，支持对机 通过Ｐｙｔｈｏｎ实现网络通信及管理界面，即可 器人的控制。利用它的Ｐｙｔｈｏｎ库实现一个简 构成智能家居或物联网的控制中心。 易的“漫步者机器人”只需三十几行代码［３］。 若按传统的基于￥３Ｃ２４ｘ０的嵌入式Ｌｉｎｕｘ 可以再添加超声波测距仪和显示器，ＷｉＦｉ、摄 开发教学方式，要实现智能家居或物联网控制 像头等，做成机器人竞赛常用的“探月车”。 系统，需要设计ＡＲＭ开发板，对Ｌｉｎｕｘ进行 我们在嵌入式专业毕业班的教学上，使用树莓 移植裁剪，用Ｃ语言开发硬件驱动与应用层， 派作为主控制器，结合外围的５ｌ单片机、传 然后交叉编译到开发板中，开发链很长，难度 感器、电机等实现智能小车，借助Ｉｎｔｅｍｅｔ上 相当大，软硬件的可靠性与稳定性也需要长时 丰富的树莓派资源进行开发，取得了较好的教 间的测试。此外，Ｌｉｎｕｘ内核及驱动程序的Ｃ 学效果。 代码使用了大量的指针和双指针，如何深入理 ３．３平台选型 解这些指针变量，是嵌入式开发与教育的一大 难点。而使用树莓派，Ｐｙｔｈｏｎ语言“明白如话”， 国内有不少仿造树莓派的开发板，由山 不需要模拟器和交叉编译，即写即运行，硬件 寨手机或平板的方案改造而成，通常声称有更 小如信用卡大小，可以直接嵌入到应用系统中 高的硬件配置。但由于树莓派全球性软硬件资 使用，无需自行设计生产，在应用开发上有突 源的综合优势，用户比较不用担心它的质量、 出的实用价值。 长期供货、是否停产、以及长远的技术延续和 发展前景，开发者也不必为设计和生产技术要 ３软硬件、资源优势与平台选型 求很高而批量又不大的开发板困扰，在快速变 ２２０・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＡＲＭ也同样源自剑桥，树莓派所构造的软硬 件平台并不是一个简单的玩具，它有深远的优 势所在，战略上看，相似的开发平台要与树莓 派竞争，需要有重量级的资源支持。树莓派的 成功对于我国高校与企业的合作具有启发意 义，期待将来自主芯片与操作系统的“中国派” 出现。 ４结语 树莓派对于全球嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发及教育 己经并将继续带来广泛的影响，及早将之引入 我国主流的嵌入式开发与教学环境中或将是有 益的。尽管传统的“ＡＲＭ开发板硬件设计＋ Ｌｉｎｕｘ移植裁剪＋虚拟机环境＋交叉编译＋驱 动编程＋应用层编程”开发链可以深入理解和 控制嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统，但因其复杂性而更适 合需要定制Ｌｉｎｕｘ内核与驱动的精英开发、精 英教育或研究者。树莓派的应用开发模式远为 易学易用，适合快速推出产品的市场需求和普 及性的教育，全球丰富的应用事例以及我们的 实践探索均显示，树莓派可使嵌入式Ｌｉｎｕｘ开 发及教育取得显著进展。 参考文献 ［１］Ｅｂｅｎ Ｕｐｔｏｎ，Ｇａｔｅｔｈ Ｈａｌｆａｃｒｅｅ．王伟，许 金超，郭栋，梁黎颖译．Ｒａ ｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ用 户指南［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２０１ ３． ［２】Ｍａｔ ｔ Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ，Ｓｈａｗｎ Ｗａ ｌｌａｃｅ著．李 凡希译．爱上Ｒａ Ｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ［Ｍ］．北京： 科学出版社，２０１ ３． ［３］ｓｉｍｏｎ Ｍｏｎｋ著．姜斐祚译．Ｒａ ｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ：Ｐｙｔｈｏｎ编程入门［Ｍ］．北京：科学出 版社，２ ０１４． 作者简介 李文胜（１９６９－），男，福建省泉州市人。硕 士学位。现为广州松田职业学院讲师。研究方 向为嵌入式系统开发，Ｉｃ设计等。 作者单位 广州松田职业学院广东省广州市５１１ ３７０
