第 01 章 - 認識樹莓派並燒錄作業系統

上次更新日期 2022/09/15

樹莓派 (raspberry pi) 是由英國樹莓派基金會開發的一款單板電腦，使用的 CPU 是 ARM 架構的系統，基本上，只要加上一片記憶卡 (SD card) 當作系統儲存媒體，就可以開機使用了。

學習目標：

取得樹莓派
連結官網燒錄所需要的作業系統
第一次開機與使用樹莓派 - 使用樹莓派原生系統

1.1：取得樹莓派
1.2：燒錄作業系統
1.3：啟動樹莓派
1.4：進入樹莓派桌面系統 (Desktop)
1.5：文字界面觀察系統
1.6：當週實做

1.1：取得樹莓派

樹莓派是一種單板電腦，最早開發給教育人員用來教學之用，希望小孩子可以在家的客廳裡面學習簡單的程式開發。因此，最早樹莓派僅有 HDMI 影像輸出界面，原因為此。

樹莓派使用 ARM CPU 架構，跟手機相同。全部電腦需要的 CPU、記憶體、顯示界面、網路界面、USB界面、感測器界面與電源輸入等，通通塞入到一張名片大小的卡片上。只是需要額外的記憶卡，通常是 SD card，並且燒錄正確的作業系統之後，就可以開始開機使用了。樹莓派 3B 的正面圖示，有點像底下這樣 (底下為 3B+ 正面圖示，與 3B 有點不同，不過差異應該不大)：

分組取得樹莓派

由於設備數量問題，沒有辦法提供一人一組樹莓派，請同學們進行分組，每組將取得底下的設備與數量，請到學期末時繳回下列設備，若有遺失，請自行購買相同型號設備，於期末時繳回：

樹莓派 3B 本體一台
32G SD card 一片 (連同轉接器)
電源轉換器一顆 (USB 連接線一條)
HDMI 轉 VGA 接頭一顆
RJ-45 網路線一條

請立刻進行分組，並向助教提供組員名單。老師與助教具有主導分組的權利。 (由於設備問題，本課程只提供 8 組設備，請同學們自行分組)
請各組推派一人作為器材管理人員 (組長)，並向助教簽領借用單，方可取得上述設備
取得設備後，先清點設備是否有短缺，若有短缺，請立即回報助教，否則就以器材為完整借出。
請立刻使用電源接上樹莓派，測試其電源燈號是否會亮起。若有亮燈代表樹莓派有通電，否則請回報助教。 (除了設備損壞之外，也可能是電源供應不佳所致)
拔除電源之後，各成員自行觀察樹莓派本體。

了解樹莓派硬體規格

查詢維基百科或樹莓派官網，然後回答相關問題：

維基百科對樹莓派說明： https://zh.wikipedia.org/wiki/树莓派
官方網站： https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-3-model-b/

CPU 時脈與核心數，各為多少？
記憶體有多少 Gbytes
乙太網路的速度多快？
是否具有 Wifi 模組？
是否具有 GPIO 模組？
是否具有藍芽模組？
輸入的電壓與電流 (直流電喔！)
額定消耗的功率

1.2：燒錄作業系統

樹莓派與一般 PC 還是不太一樣，一般 PC 沒有硬碟時，依舊可以開機進入 BIOS，但是樹莓派沒有安插系統的 SD 卡，就無法開機了！所以，一定要先準備好需要的作業系統才行。但是，你一定需要讀卡機！因此，某些虛擬電腦教室不能使用底下的流程，可能需要前往實體主機所在的教室，才有讀卡機可以使用喔！

1. 下載樹莓派映像檔

作業系統的燒錄很簡單，樹莓派官網也有相關的教學了！雖然資傳系大一、大二曾經使用過 Red Hat 系列的 RHEL 衍生 Linux 產品，亦即是 RockyLinux 這套系統，這套系統也推出給樹莓派使用的映像檔 (image)。不過，鳥哥燒錄完成之後，這個系統確定可以在樹莓派上面啟動，但是卻沒有 HDMI 顯示界面，只能透過網路的 ssh 連接到系統上，同時由於 SD 卡太慢，因此操作上面怪怪的！所以，我們這邊直接使用樹莓派本身修改 debian 而來的 raspberry pi 的原生系統 raspberry pi OS 作為系統操作了。

樹莓派系統映像檔： https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/
從上述的網站上面下載映像擋到你的電腦上，在出現的畫面右手邊 Download 小框框內，選擇 Raspberry Pi OS (64-bit) 這個連結，會跳頁到底下，查看一下適合的硬體 (Compatible with)，是否存在 3B 這個硬體？如果 OK 的話，就選擇右邊的 Download 按鈕來下載即可。如果沒有接觸過 Linux，建議下載 Raspberry Pi OS with desktop 較佳。
RockyLinux 9 樹莓派映像檔： https://rockylinux.org/alternative-images/
找到『Alternative Architectures (SIG)』的項目，下載 Raspberry Pi (aarch64) 的版本，下載的容量大約是 500MB 左右。檔名應該是 RockyLinuxRpi_9.0.img.xz 之類的檔名才對。(注意，你應該下載最新的 image file，所以版本不見得是 9.0，請依據當時的情境下載適當的映像檔)

鳥哥在 2022/09/15 下載的樹莓派映像檔，檔名為 2022-09-06-raspios-bullseye-arm64.img.xz，在該日後的下載，可能會有更新的系統！我將這個檔案放置到 D 槽，如果是在資傳系上課，則可以在 Q 槽內發現這個檔案喔！

2. 下載樹莓派的燒錄軟體 imager

接下來，請前往樹莓派官網，下載 for windows 或 Linux 或 MAC 的燒錄軟體，燒錄軟體名為『Raspberry Pi Imager』，依據你的工作系統下載正確的版本即可。 (注意，下載前請觀看官網的 45 秒鐘影片介紹！)

https://www.raspberrypi.com/software/

3. 將 SD card 插入讀卡機，並啟動 imager 燒錄軟體

先將你的 SD 卡插入讀卡機當中
然後執行剛剛下載的 imager 軟體
在『選擇操作系統』的項目上面，選擇下拉式選單最下方的『使用自定義鏡像』，並勾選剛剛下載的樹莓派檔案即可。
之後選擇正確的儲存卡項目 (SD card)
如果還有其他想要進行的設定，在燒錄前，可以先按下右下角的齒輪。 (可以設定主機名稱、ssh 服務、甚至可以設定 wifi，相當有趣！)
最終按下『燒錄』來進行燒錄行為。

4. 將 SD 卡安插到樹莓派

接下來就簡單了，請將 SD 卡安插到樹莓派的插槽內，並且將電源插頭準備好，在學校單純的 VGA 螢幕接頭上面，還需要 HDMI 轉 VGA 轉接頭，再加上螢幕、鍵盤、滑鼠的連接之後，讓我們準備來進入樹莓派的作業系統吧！

1.3：啟動樹莓派

如果一切連線都確認沒問題，當插上電源之後，你會發現樹莓派的電源燈亮起之外，活動訊號登 (ACT) 也會閃爍，這代表樹莓派已經開始動作。只是因為驅動程式的關係，螢幕要過一陣子才會啟動。如果一直沒有發現螢幕啟動，很可能是 SD 卡燒錄到錯誤的映像擋了。這時可能得要重新燒錄。另外，因為樹莓派僅支援 HDMI 以及特殊規格的顯示界面，我們得要使用 HDMI 轉 VGA 的轉接頭，因此解析度與傳輸速度也可能變得比較慢，請多點耐心。

1. 開機與設定語系

Linux 始終是多國語系支援的，因此，第一次操作，你得要規劃語系才行！否則未來可能都是非中文，那就比較傷腦筋。如下所示，你應該要連接到螢幕、鍵盤、滑鼠，然後會看到如下的情境，請注意，要選擇的國家是 Taiwan，選擇的語言是 Chinese，選擇的時趨勢 Taipei 才是喔！

2. 建立系統管理員的一般帳號

樹莓派第一個用戶最重要！該用戶是預設管理員，而且可以使用 sudo 的權限！所以，請組長進行這項工作！並且記得自己的密碼！很重要！密碼不要流出去～未來我們會建立其他組員的帳號來使用！

3. 螢幕畫面範圍與 Wifi 的選擇

某些螢幕與畫面會有點誤差，導致邊緣可能會看不見，因此，建議可以選擇底下這個 Set Up Screen 的項目 (按鈕移到右側就是啟用)。另外，你可以選擇 Wifi 的無線基地台，這樣就可以不用安插網路線。因為目前電腦教室沒有提供 AP 的功能，所以，你可能還是得要安插網路線才好。底下是有 AP 的範例，你可以忽略！

4. 軟體升級

當樹莓派有網際網路的情況下，樹莓派會自動連結到官網，看看有沒有適合的可升級軟體使用。雖然樹莓派就是小小的一個系統，但是仍然可能會被攻擊，畢竟網路怪客很愛測試 Linux 系統來當作跳板！所以，還是得要升級、升級！還好，我們使用的是最新的系統，因此系統升級不會太過複雜！如果你使用的是舊的 SD 卡內容，那可能就會有很多軟體要下載更新，會花比較多時間喔！

5. 重新開機

上面的初次登入處理完畢之後，你就可以重新開機！準備正式進入樹莓派啦！

1.4：進入樹莓派桌面系統 (Desktop)

進入到樹莓派作業系統的桌面環境，你會看到工作列是在頂端，而不是像 windows 在底端～右上角會有一些項目顯示，左上角最左邊一個，就是所謂的『開始程式集』，圖示是一個草莓模樣的小圖示。點下去之後，就會出現一堆軟體提供給妳！現在，讓我們來操作一下這個系統吧。不過要注意的是，因為樹莓派 3B 的網路很慢！SD 卡也很慢...所以，顯示效能不太好，不要覺得太難過喔！

1. 使用瀏覽器

左上角的開始程式集，點選『網際網路』就會出現『Chromium 網頁瀏覽器』，你可以嘗試 youtube.com 或鳥哥的網站看看，基本上...速度確實很慢！所以，看看有連上系統就好！不用強迫自己要去使用啦！

2. 樹莓派額外設定與修改

如果在上一小節的設定裡面有地方設定錯誤，可以在開始程式集的『偏好設定』裡面選擇『Raspberry Pi 設定』項目來處理即可！包括密碼變更、主機名稱設定、開機要不要使用桌面系統、是否需要調整螢幕寬度、要不要啟動 ssh 或 VNC 等遠端連線界面、在地化的語系、時區、鍵盤等，都可以在這個地方進行修改與設定！

3. 建議使用的軟體項目

如果你真的在客廳使用了樹莓派。那麼可以連接無線鍵盤滑鼠，搭配客廳的電視機，就可以使用樹莓派了！那麼此時你可以在客廳開始寫程式囉！資傳系的同學很愛用 Visual Studio Code，那也可以安裝這套軟體！就能使用了！安裝也很簡單，在開始程式集的『偏好設定』裡面的『Recommended Software』就可以看到。不過，樹莓派還是得要去官網抓軟體清單，這部份在一開始依舊會比較慢！

4. 樹莓派硬體測試 (好像只有 SD 卡速度)

原本鳥哥以為有一堆測試可以進行，結果只有 SD 卡的速度測試...速度測試在寫入 10Mbytes/s 就是成功... 所以，效能真的很不好...大家簡單的看看就可以了～

5. 啟動工作管理員

查看一下工作管理員～其實就是看一下 CPU 與記憶體有沒有超過使用的限值～事實上，樹莓派 3B 有 4 個 CPU 核心，基本上效能不是太差！只是，SD 卡速度不好，所以在讀寫頻繁的情況下，速度會很慢很慢！如果是單純的文字界面，其實效果是還不錯的啦！

5. 文字終端機偏好設定

預設的文字終端機字型有夠小...看到快要吐血...你可以修改一下字體，放大到 20 點字，應該就會好很多！如下所示，大家來設定一下喔！

1.5：文字界面觀察系統

透過文字界面的終端機形式，輸入一些 Linux 常用的指令，可以看到很多系統的資訊喔！那就讓我們來測試看看：

查看樹莓派 IP 資料

未來上課，可能許多同學都需要登入到這塊樹莓派上面去，因此就需要知道 IP 位址才行～探索 IP 位址的方法很簡單，就直接使用 ifconfig 或 ip addr show 即可！

rasppi@raspberrypi:~ $ ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.201.16  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.201.255
        inet6 fe80::141b:34cb:6d8e:f2c1  prefixlen 64  scopeid 0x20
        ether b8:27:eb:8d:fb:dc  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 135  bytes 62728 (61.2 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 153  bytes 24152 (23.5 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 27  bytes 2811 (2.7 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 27  bytes 2811 (2.7 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

wlan0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.0.181  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.0.255
        inet6 fe80::5b4a:7c08:6165:29de  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether b8:27:eb:d8:ae:89  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 16587  bytes 21846948 (20.8 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 7085  bytes 811265 (792.2 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

如上所示，我們會有兩張網卡，一張是有線網路的 eth0 網卡，另一張則是無線網路的 wlan0 網卡。如果你要用有線的桌機連線到系統，就得要看 eth0 這個網卡的 IP 位址 (第二行 inet 後面接的數值)。如果要使用 ip addr show 的話，就會像這樣：

rasppi@raspberrypi:~ $ ip addr show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group...
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group...
    link/ether b8:27:eb:8d:fb:dc brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.201.16/24 brd 192.168.201.255 scope global dynamic noprefixroute eth0
       valid_lft 258712sec preferred_lft 226312sec
    inet6 fe80::141b:34cb:6d8e:f2c1/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: wlan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group..
    link/ether b8:27:eb:d8:ae:89 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.0.181/24 brd 192.168.0.255 scope global dynamic noprefixroute wlan0
       valid_lft 594332sec preferred_lft 518732sec
    inet6 fe80::5b4a:7c08:6165:29de/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

這兩個指令展示的結果不太一樣，使用上面要注意一下喔！

1.6：當週實做

使用 lscpu 查看一下系統，說明一下 CPU 是幾核心？每個核心幾個執行緒？CPU 時脈最大到多少？
使用 free -m 查看一下，目前的實體記憶體、記憶體置換各有多少容量 (MB)
使用 date 查看一下，時間是否為正常？
使用 lsusb 查看一下所有的 USB 裝置有哪些？
使用 top -d2 在文字界面啟用工作管理員，並使用 q 離開 top 軟體