树莓派入门

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树莓派入门
背景

树莓派（Raspberry Pi）是基于 Linux 的单片机电脑，由英国的树莓派基金会开发，目的是以低价硬件及自由软件促进学校的基本计算机科学教育。

树莓派使用博通（Broadcom）的 ARM 架构处理器，内存在 2GB 和 8GB 之间，主要使用 SD 卡作为存储媒体，配备 USB、HDMI 等接口，支持有线、无线、蓝牙网络连接方式，并且可以使用多种操作系统。

安装操作系统

Raspberry Pi OS 是官方支持操作系统，除此之外还有一些第三方的操作系统，例如：Ubuntu MATE、Ubuntu Core 等。

这里我们安装的是 Raspberry Pi OS。

使用 Raspberry Pi Imager 安装操作系统

Raspberry Pi Imager 可以帮助我们快速地将 Raspberry Pi OS 或者其它操作系统安装到一个 microSD 卡上面。

首先，在官网下载对应操作系统的安装包，支持 macOS、Windows 和 Ubuntu for x86。

本文以 macOS 为例。
1. 选择想要安装的操作系统：
  
  因为直接下载速度会比较慢，所以可以通过国内的镜像源先把下载系统文件。
  
  这里使用的是清华源：https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspberry-pi-os-images/
  
  目前最新的版本是：https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspberry-pi-os-images/raspios_armhf/images/raspios_armhf-2020-08-24/2020-08-20-raspios-buster-armhf.zip
  
  最后选择刚才下载的文件。
2. 选择 SD 卡：
3. 将系统写入到 SD 卡：
  
  注意
  
  这会先清除 SD 卡上的已有内容，选择 YES 开始写入。
4. 等待完成：
设置

至此，我们可以将 SD 卡插入树莓派中，接通电源，然后外接显示器、键盘、鼠标就可以正常使用了。如果我们没有这些设备，可能就要多做一些工作了。

设置无线网络

最好能让树莓派在启动时自动连接我们的无线路由器。

在 SD 卡的boot 文件夹下新建一个wpa_supplicant.conf文件，写入以下内容：
```
ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev
update_config=1
country=<ISO 3166-1标准定义的国家代码，中国是CN>

network={
    ssid="<SSID 名称>"
    psk="<SSID 密码>"
}
```
更多关于wpa_supplicant.conf的细节可以参考：https://www.raspberrypi.org/documentation/configuration/wireless/wireless-cli.md

使能 SSH

自从2016年11月份的更新之后，Raspberry Pi OS 默认关闭了 SSH 的功能。

我们在设置无线网络的同时，可以很方便的同步使能 SSH 的功能。在boot文件夹下新建一个ssh的空文件，树莓派在启动时，会自动使能 SSH，并删除这个文件。

远程登录

现在我们就可以将 SD 卡插入树莓派中，并接通电源。

探测 IP 地址

树莓派通电后，我们需要知道它的 IP 地址。最简单的方法，就是查看你的路由器，设备名称是raspberrypi就是我们的树莓派了。

除此之外，如果你的电脑支持 mDNS 功能，你还可以通过<hostname>.local地址访问你的树莓派，默认的hostname是raspberrypi，所以我们可以通过 ping raspberrypi.local获取它的 IP 地址。
```
$ ping raspberrypi.local
PING raspberrypi.local (192.168.31.142): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.31.142: icmp_seq=0 ttl=64 time=5.497 ms
```
更多探测树莓派 IP 地址的方法可以参考：https://www.raspberrypi.org/documentation/remote-access/ip-address.md

SSH 登录

默认的用户名是pi，密码是raspberry。
```
$ ssh pi@raspberrypi.local
The authenticity of host 'raspberrypi.local (fe80::fae4:4a4f:de4d:2333%en0)' can't be established.
ECDSA key fingerprint is SHA256:l4AODUWJN68FjzD6AguCID2eO0BoDIKvHObIakalIRI.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)? yes
Warning: Permanently added 'raspberrypi.local,fe80::fae4:4a4f:de4d:2333%en0' (ECDSA) to the list of known hosts.
pi@raspberrypi.local's password:
Linux raspberrypi 5.4.51-v7l+ #1333 SMP Mon Aug 10 16:51:40 BST 2020 armv7l

The programs included with the Debian GNU/Linux system are free software;
the exact distribution terms for each program are described in the
individual files in /usr/share/doc/*/copyright.

Debian GNU/Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent
permitted by applicable law.
Last login: Thu Aug 20 11:54:38 2020

SSH is enabled and the default password for the 'pi' user has not been changed.
This is a security risk - please login as the 'pi' user and type 'passwd' to set a new password.

pi@raspberrypi:~ whoami
pi
```
查看当前的系统的发行信息：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:	Raspbian
Description:	Raspbian GNU/Linux 10 (buster)
Release:	10
Codename:	buster
```
更新系统

基于安全的考虑，我们最好更新一下系统，最简单的方法就是使用 APT 命令行工具。

使用国内的 APT 源

为了获取更好的使用体验，我们可以将 APT (Advanced Packaging Tool) 替换成国内清华源：

修改/etc/apt/sources.list文件，替换成如下内容：
```
deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian/ buster main contrib rpi
deb-src http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian/ buster main non-free contrib rpi
```
修改/etc/apt/sources.list.d/raspi.list文件，替换成如下内容：
```
deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspberrypi/ buster main
```
更新软件源列表：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get update
```
注意
- 更多细节可以参考：https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/help/raspbian/。
- 建议修改文件之前，先备份一下。
更新 Raspberry Pi OS 系统

首先，更新系统的软件包列表：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt update
```
然后，将所有已安装的软件包升级到最新版本：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt full-upgrade
```
优化

我们还有一些优化项，可以让我们的树莓派使用起来更方便和安全。

使能基于密钥的 SSH 认证方式

基于密钥的认证方式比基于密码的认证方式更加的安全。

首先，产生一个新的密钥对：
```
$ ssh-keygen -t ecdsa
```
然后，将公共密钥上传到树莓派的~/.ssh/authorized_keys文件中：
```
$ ssh-copy-id pi@raspberrypi.local
```
这时候我们既可以使用基于密钥的登录方式，也可以使用基于密码的登录方式。
```
$ ssh pi@raspberrypi.local
Linux raspberrypi 5.4.51-v7l+ #1333 SMP Mon Aug 10 16:51:40 BST 2020 armv7l

The programs included with the Debian GNU/Linux system are free software;
the exact distribution terms for each program are described in the
individual files in /usr/share/doc/*/copyright.

Debian GNU/Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent
permitted by applicable law.
Last login: Sun Nov 29 10:02:25 2020 from fe80::32:2e96:65:d0da%wlan0

SSH is enabled and the default password for the 'pi' user has not been changed.
This is a security risk - please login as the 'pi' user and type 'passwd' to set a new password.

pi@raspberrypi:~ $
```
禁用基于密码的认证方式

现在我们仍然可以使用基于密码的认证，这仍然是有风险的，下面我们就禁用基于密码的认证。

首先，修改/etc/ssh/sshd_config文件，将其中的PasswordAuthentication改成no。

然后，重启 SSH 服务：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo systemctl restart sshd
```
这时候，我们就只能使用密钥登录：
```
$ ssh pi@raspberrypi.local
Linux raspberrypi 5.4.51-v7l+ #1333 SMP Mon Aug 10 16:51:40 BST 2020 armv7l

The programs included with the Debian GNU/Linux system are free software;
the exact distribution terms for each program are described in the
individual files in /usr/share/doc/*/copyright.

Debian GNU/Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent
permitted by applicable law.
Last login: Sun Nov 29 11:26:04 2020 from fe80::32:2e96:65:d0da%wlan0
pi@raspberrypi:~ $
```
可以看到这里明显少了以下两行修改默认密码的提示信息，因为已经无法使用密码登录了。
```
SSH is enabled and the default password for the 'pi' user has not been changed.
This is a security risk - please login as the 'pi' user and type 'passwd' to set a new password.
```
VNC (Virtual Network Computing) 远程桌面共享

即使我们没有多余的显示器、鼠标和键盘，我们也可以通过 VNC 远程共享我们的树莓派桌面。

首先，我们需要开启树莓派的 VNC 服务：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config
```
在弹出来的图形界面选择 Interfacing Options，再将 VNC 选项置为 Yes，保存退出。

然后，我们需要在本机安装 VNC 客户端，下载地址为：https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer/。

现在，我们就可以使用树莓派的桌面服务了。默认的用户名是 pi，密码是 raspberry。

注意

你可能会遇到Cannot currently show the desktop的问题：

通常只需要调整树莓派的分辨率就可以解决这个问题：

命令行执行：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config
```
选择 Display Options -> Resolution，最后选择分辨率，保存退出，等待设备重启。

我使用的分辨率是 1920 * 1080。

系统备份

规律地备份系统是一个良好的习惯。树莓派系统的备份分为备份home文件夹和备份整个 SD 卡。

备份 home 文件夹

Déjà Dup 软件可以帮助我们轻松地完成这个任务，它提供了可视化的配置窗口和自动定时备份的功能，我们可以很容易的在树莓派上安装它。
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get install deja-dup
```
安装完成后，我们在 Accessories -> Backups 中打开它：

配置界面如下：

它的配置非常直观，我们就不多做介绍了。

注意

这里我将备份文件夹选择我的硬盘，但是因为硬盘的格式是 exFAT，在树莓派上还需要安装额外的库才能识别：
```
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get install exfat-fuse
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get install exfat-utils
```
备份整个 SD 卡

使用 SD Card Copier 备份

它是树莓派自带的软件，可以将完整的系统拷贝到另一张 SD 卡上，这需要将新的 SD 卡接入到树莓派的 USB 插口上。

它的位置是 Accessories -> SD Card Copier ，使用起来也非常的直观。/Users/yaomeng/Private/projects/blog/static

注意

它会先擦除新的 SD 卡上所有的内容，并且要求新的 SD 卡的空间大于目前的卡空间。

使用 dd 命令备份

这需要我们将 SD 卡从树莓派中拔出来，插到我们的电脑上。

以 macOS 为例（不同的系统命令可能不一样）：

首先，使用df -f 命令查看挂载的 SD 卡，在 macOS 上一般是 /dev/disk2s1。

然后，开始备份，时间较长，请耐心等待：
```
$ sudo dd bs=4m if=/dev/rdisk2 | gzip > PiOS.img.gz
```
这里我们使用 gzip 工具来压缩生成的 image 文件。

如果我们想要恢复备份，只需要这样：
```
$ gunzip --stdout PiOS.img.gz | sudo dd bs=4m of=/dev/rdisk2
```
我们可以再另开一个 shell，输入命令：sudo killall -29 dd，可以查看当前 dd 的进度：
```
0+478209 records in
0+478208 records out
31339839488 bytes transferred in 2318.707881 secs (13516079 bytes/sec)
```
注意

有时候我们会遇到 Resource busy 的问题：
```
$ gunzip --stdout PiOS.img.gz | sudo dd bs=4m of=/dev/rdisk2
dd: /dev/rdisk2: Resource busy
```
这是因为 SD 卡的分区已经挂载到系统中，所以我们要先卸载 SD 卡的分区。

首先，通过 df -h 查看已挂载的分区：
```
$ df -h
Filesystem      Size   Used  Avail Capacity iused               ifree %iused  Mounted on
...
/dev/disk2s1    30Gi  1.9Mi   30Gi     1%       0                   0  100%   /Volumes/SDCARD
```
这里是 /dev/disk2s1。

然后，卸载分区：
```
$ sudo diskutil unmount /dev/disk2s1
Volume SDCARD on disk2s1 unmounted
```
再通过 df -h 命令确保分区已卸载。

现在，我们可以重新开始执行命令：
```
$ gunzip --stdout PiOS.img.gz | sudo dd bs=4m of=/dev/rdisk2
```
最后，命令执行结束后，SD 卡会重新挂载到系统中，并且名字是 boot：
```
$ df -h
Filesystem      Size   Used  Avail Capacity iused               ifree %iused  Mounted on
...
/dev/disk2s1   252Mi   55Mi  197Mi    22%       0                   0  100%   /Volumes/boot
```
参考：https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/9217/resource-busy-error-when-using-dd-to-copy-disk-img-to-sd-card

更多的备份方法请参考：https://www.raspberrypi.org/documentation/linux/filesystem/backup.md
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