第3章安装树莓派操作系统 实例11操作系统的基础知识 操作系统(Operating System,OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序,是直接与硬件打交道,并且运行在计算机最底层之上的系统软件,任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。换句话说,要使计算机能够正常工作,首先就要安装管理计算机的操作系统,然后才能安装和使用其他应用软件。 操作系统是用户和计算机的接口,同时也是计算机硬件和其他软件的接口。操作系统的功能包括管理计算机系统的硬件、软件及数据资源,控制程序运行,改善人机界面,为其他应用软件提供支持,让计算机系统的所有资源最大限度地发挥作用,提供各种形式的用户界面,使用户有一个好的工作环境,为其他软件的开发提供必要的服务和相应的接口等。 目前,操作系统的种类繁多,常用的操作系统可以分为UNIX系统、Linux系统、Mac OS系统、Windows系统、iOS系统和Android系统等。 1. UNIX系统 UNIX 系统最初于1969年由Ken Thompson和Dennis Ritchie在美国AT&T公司的贝尔实验室开发。UNIX系统是一个强大的多用户、多任务、分时操作系统,支持多种处理器架构。UNIX系统大部分源代码都是由C语言编写的,这使得系统易读、易改、易移植。UNIX提供了丰富的、精心设计的系统功能,整个系统的实现十分紧凑、简洁。 2. Linux系统 Linux系统与UNIX系统兼容。Linux最初是由芬兰赫尔辛基大学的林纳斯·托瓦兹(Linus Torvalds)在UNIX的基础上开发的操作系统,Linux的设计目的是为了让其在Intel微处理器上更有效地运行。其后林纳斯·托瓦兹在理查德·斯托曼的建议下以GNU通用公共许可证发布,成为自由软件UNIX的变种。它的最大的特点在于它是一个源代码公开的操作系统,其内核源代码可以自由传播。 Linux的发行版本众多,例如Debian GNU/Linux(及其衍生系统Ubuntu、Linux Mint)、Fedora、openSUSE、CentOS等。Linux系统在服务器领域上已经成为主流的操作系统。 3. Mac OS系统 Mac OS系统于2001年由苹果公司推出。Mac OS是一套运行在苹果公司的Macintosh系列计算机上的图形操作系统。Mac OS是首个在商用领域上取得成功的图形操作系统。 4. Windows系统 Windows系统是由微软公司在MSDOS的基础上开发的图形操作系统。Windows可以在32位和64位的Intel和AMD的处理器上运行。微软在2001年10月25日发布了Windows XP,在2009年10月22日正式推出Windows 7,2015年7月29日,微软又发布了Windows 10。 5. iOS系统 iOS操作系统是由苹果公司开发的手持设备操作系统。iOS与苹果的Mac OS X操作系统一样,都是以Darwin为基础的,同样属于类UNIX的操作系统。原本这个系统名为iPhone OS,直到2010年6月7日WWDC大会上才宣布改名为iOS。 6. Android系统 Android系统是一种以Linux为内核的操作系统,主要应用于便携设备。Android操作系统最初由安迪·鲁宾(Andy Rubin)开发,主要支持手机,2005年由Google收购注资,并组建开放手机联盟,此后Android系统逐渐从手机扩展到平板电脑及其他便携设备上。 实例12树莓派的操作系统 树莓派使用的操作系统可以分为官方和非官方两大类。 树莓派基金会官方指定的操作系统是Raspbian系统,属于Linux系统。 除了Raspbian系统以外,树莓派非官方操作系统种类繁多,其性能也各有千秋,常用的非官方操作系统包括ubuntu MATE、Snappy ubuntu Core、Windows 10 IoT Core、OSMC、LibreELEC、PINEt、RISC OS等系统。 1. Raspbian系统 Raspbian系统是基于Debian优化的专门为树莓派硬件开发的免费操作系统。 Debian系统作为Liunx操作系统家族的重要成员,自带了Python语言、C语言等开发工具和众多的例程,并一起被移植到树莓派中。移植到树莓派后的Debian系统的名字从原来的词组Raspberry Pi和Debian中各截取了一部分,合并成Raspbian。其标志如图31所示。 图31Raspbian系统的标志 事实上,Raspbian系统提供的并非一个纯粹的操作系统,它还包含了超过35000个预编译的软件包,软件资源非常丰富,这些软件包都可以很方便地安装在树莓派上。目前,Raspbian系统仍在积极开发中,强调提供尽可能多的Debian软件包的稳定性和性能。2019年9月26日发布的Raspbian系统的工作界面如图32所示。 图32Raspbian系统的工作界面 2. ubuntu MATE系统 ubuntu Linux系统是一个以桌面应用为主的开源GNU/Linux操作系统,ubuntu Linux基于Debian GNU/Linux,支持x86、AMD64(即x64)和PPC架构,由全球化的专业开发团队Canonical Ltd开发。ubuntu的名称来自非洲南部祖鲁语或豪萨语的“ubuntu”一词,表达类似中国的儒家“仁爱”的思想,意思是“人性”“我的存在是因为大家的存在”,是非洲传统的一种价值观。 ubuntu MATE是ubuntu Linux系统的一个派生版,基于桌面环境MATE。ubuntu MATE系统的工作界面如图33所示。 图33ubuntu MATE的工作界面 3. Snappy ubuntu系统 Snappy ubuntu是一个专门为云及设备而设计的、崭新的、具有事务性更新功能的操作系统。它分为Snappy ubuntu Core和Snappy ubuntu Personal两个版本。Snappy ubuntu Core 是ubuntu的定位于物联网(Internet of Thing,IoT)之上的产品。Snappy Ubuntu Core可以运行在一个不带显示器的设备上,例如家庭网关、机器人、开发板和虚拟机等。Snappy ubuntu Core系统的标志如图34所示。 4. Windows 10 IoT Core Windows 10 IoT Core是微软公司利用Windows 10核心架构开发的物联网操作系统,是Windows 10多个版本中最简洁的一个版本。Windows 10 IoT Core使得我们能够用树莓派打造低成本的智能设备。Windows 10 IoT Core系统的标志如图35所示。 图34Snappy ubuntu Core系统的标志 图35Windows 10 IoT Core系统的标志 5. OSMC系统 OSMC是一款基于 Linux 系统的免费和开源的媒体播放系统,可以用作建造低成本的家庭影院。支持树莓派1、树莓派2、树莓派3、树莓派4、树莓派Zero和树莓派Zero W等硬件平台。OSMC系统的工作界面如图36所示。 图36OSMC系统的工作界面 6. LibreELEC系统 LibreELEC是运行Kodi媒体中心的轻量级操作系统,基于Linux内核发行,系统为适配Kodi运行环境,进行了许多优化和精简,运行速度快,操作简单,也是一款很优秀的多媒体播放系统。LibreELEC系统的工作界面如图37所示。 图37LibreELEC系统的工作界面 7. PiNet系统 PiNet系统是一个免费和开源的项目,其设计目标是帮助学校建立和管理树莓派教室。PiNet系统由来自世界各地十多个国家的教师共同开发。 PiNet系统的主要特征包括以下6个方面: (1) 基于网络的用户账户,教师和学生可以在任何树莓派上登录系统。 (2) 基于网络的操作系统,所有树莓派都可以登录同一个Raspbian主机系统。 (3) 共享文件夹,便于教师和学生共同使用共享文件夹中的公共文件。 (4) 工作收集系统,简单的工作收集/提交系统,便于学生上交作业。 (5) 自动备份,定期将所有学生的文件自动备份到外部存储器中。 (6) 更多的小功能,如批量用户导入、课堂管理软件集成等。 PiNet系统由一台服务器和多台树莓派(即工作站)组成。建议在服务器上安装Ubuntu Linux 16.04系统。Ubuntu系统是完全免费的。然后,使用有线网络将服务器和所有树莓派连接在一起。PiNet系统的工作界面如图38所示。 图38PiNet系统的工作界面 8. RISC OS系统 RISC OS系统与众不同,它并不是一款Linux系统,也与Windows系统毫无关系。RISC OS的起源可以追溯到最初开发ARM微处理器的团队。RISC OS系统最初由ARM公司的前身即英国的爱康计算机公司(Acorn Computers)开发,发布于1987年,它专门设计在CPU为ARM芯片的计算机上运行。RISC OS的名字来自于所支持的精简指令集(RISC)架构。RISC OS系统具有快速、紧凑、高效的特点。如今,RISC OS系统的版权归Castle Technology公司所有。树莓派上的RISC OS系统的工作界面如图39所示。 图39RISC OS系统的工作界面 以上仅仅介绍了树莓派常用的操作系统,如果读者有兴趣进一步了解更多的树莓派的相关知识,建议访问树莓派的官方网站,其网址是https://www.raspberrypi.org。此外,中国的树莓派实验室也是一个优秀的网站,提供了丰富的树莓派教程、作品、软件和相关的资源,其网址是http://shumeipai.nxez.com/。 实例13格式化MicroSD卡 正如本书实例4所述,MicroSD卡用于安装树莓派的操作系统(操作系统是一种使树莓派正常工作的系统软件,就像PC里的Windows和Mac里的OS)。因为树莓派操作系统与大部分计算机的操作系统安装常用的光盘安装方法有很大的不同,所以很多初学者觉得这是使用树莓派最棘手的部分。其实树莓派操作系统的安装是很简单的——只是与众不同罢了。 为了安装树莓派最新款的官方的Raspbian操作系统,并且使Raspbian操作系统能够流畅地运行,需要准备一块全新的容量大于8GB且速度为Class10的MicroSD卡。 全新的MicroSD卡一般不需要进行格式化。但如果是曾经使用过的旧卡,例如是一块安装过早期版本的Raspbian操作系统的旧卡,那么在安装Raspbian操作系统之前,就必须首先对旧卡进行格式化。 然而,必须指出的是,Windows系统自带的格式化程序是不能胜任MicroSD卡的格式化工作的。因此,需要下载并安装用于MicroSD卡格式化的专门工具SD Card Formatter,其下载网址为https://www.sdcard.org/chs/downloads/formatter_4/index.html。 MicroSD卡格式化工具SD Card Formatter的工作界面如图310所示。 然后,单击图中的Select card下拉列表框,指定需要格式化的MicroSD卡。指定了需要格式化的MicroSD卡的盘符并且确认无误后,单击Format按钮,然后会弹出一个警告窗口,如图311所示,意思是格式化将会删除这个卡中的所有数据,问是否真的要继续执行?如果确实要进行格式化,单击“是(Y)”按钮。 注意: 选择格式化目标卡操作必须十分谨慎,千万要小心,不能选错,否则会格式化计算机的其他硬盘分区,导致数据损失。 图310SD Card Formatter的工作界面 图311格式化MicroSD卡的警告窗口 接着,屏幕上会出现执行格式化操作进程的画面,如图312所示。稍等片刻,即会完成整个格式化任务,并会出现如图313所示的格式化完成提示窗口。 图312格式化MicroSD卡的进程 图313格式化MicroSD卡完成的提示窗口 实例14用映像文件安装Raspbian系统 安装树莓派的Raspbian系统,除了要准备好格式化过的MicroSD卡以外,还需要下载Raspbian系统的映像文件。 可以到树莓派基金会的官方网站下载Raspbian系统的映像文件,其网址是https://www.raspberrypi.org/,该网站首页所显示的信息如图314所示。 注意: 树莓派基金会通常会不定期地更新Raspbian系统的映像文件,本书仅以2018年6月27日发布的映像文件为例来说明其下载和安装的具体步骤。 图314树莓派基金会的官方网站 接着,单击网页上方的Downloads按钮,转入下载页面,如图315所示。 图315树莓派基金会的官方网站的下载页面 接着单击画面中的大正方形的RASPBIAN按钮,会出现如图316所示的关于Raspbian系统的下载说明页面。 图316Raspbian系统的下载说明页面 该下载说明网页给出的信息的中文意思是: Raspbian是基金会官方支持的操作系统。你可以用NOOBS来安装它,也可以下载下面的映像文件来安装。 Raspbian系统预先安装了大量的软件,用于教育、编程和其他用途。包括Python、Scratch、Sonic Pi、Java、Mathematica等。 压缩后的Raspbian系统的映像文件是扩展名为.zip的压缩文件,其体积比较大,超过4GB,这意味着这个映像文件使用某些较旧的解压缩工具可能无法解压。如果已下载的映像文件似乎已损坏或文件解压缩不正确,可尝试使用新版本的7Zip(Windows系统)或Unarchiver(Macintosh系统)来解压。两者都是免费的,并经过测试可以正确地解压缩映像文件。 由于映像文件比较大,所以在下载前需确认存放映像文件的硬盘分区至少有10GB的空间,否则无法下载和解压。并且,还需要安装好最新版本的压缩/解压缩工具,如WinRAR、WinZIP或7Zip等。 接着,单击图316中所示的Download ZIP按钮开始下载。屏幕会出现如图317所示的画面。 图317新建下载任务窗口 此时,单击“浏览”按钮,指定下载文件存放的文件夹,然后单击“下载”按钮,即可开始下载。由于映像文件较大,下载时间视网速而定,大约需要几个小时甚至十几个小时才能完成,需耐心等待。(注: 如果使用迅雷下载的话,下载速度会快一些。)建议在晚上睡觉前给计算机布置下载任务,然后美滋滋地睡觉,到第二天醒来,就会发现大功告成了! 下载完成后,打开映像文件所在的文件夹,可以找到未解压的ZIP格式文件,直接双击这个ZIP格式文件,可以解压得到IMG格式的映像文件。以图318为例,图中的2018627raspbianstretch文件就是解压后得到的2018年6月27日发布的Raspbian系统映像文件,这个文件大小为4.7GB,真是一个巨无霸,对吧?! 图318解压得到IMG格式的映像文件 到了这一步,离完成整个安装系统的过程就只差一点点了。 请你别着急,为了安装Raspbian系统,还需要下载并安装一个名为Win32 Disk Imager的安装工具,其下载地址为https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/。 接着,把格式化后的MicroSD卡插入到MicroSD卡读写器,然后将MicroSD卡读写器插入到计算机的USB接口上。 启动Win32 Disk Imager后,屏幕上会出现如图319所示的Win32 Disk Imager的窗口。 图319Win32 Disk Imager工具窗口 到了这一步,单击图319中右上角用小正方形所标示的选择按钮,指定下载并解压后得到的Raspbian映像文件,结果如图320所示。 图320指定映像文件后的Win32 Disk Imager工具窗口 接着,单击“写入”按钮,就会启动安装程序,整个安装过程大约需要十几分钟,建议用户泡上一杯茶,慢慢地品尝茶的芳香,打发一下等待的时间。 安装完成后,屏幕上会出现如图321所示的提示信息,表明已经成功向MicroSD卡写入映像文件。 最后,如图322所示,单击U盘防护窗口中的“拔出”按钮,取出MicroSD卡读写器,并把MicroSD卡从读写器中取下来,插入到树莓派的相应接口中,即大功告成! 图321“写入成功”的提示信息 图322拔出MicroSD读写器 实例15用NOOBS工具安装Raspbian系统 除实例14所介绍的方法外,还有另外一个更简单的方法来安装Raspbian系统,这就是树莓派基金会官方推荐的专用工具NOOBS。 NOOBS(New Out of Box Software)是树莓派的一个比较简单的操作系统安装管理工具。NOOBS自身并不是操作系统,而是树莓派官方推荐的启动管理软件。通过NOOBS,不必使用Win32 Disk Imager工具就可以安装系统,并且可以不拔卡就在树莓派上直接重装系统。树莓派基金会建议初学者在第一次使用树莓派时,用NOOBS来安装系统,以降低安装的难度。但是NOOBS占用MicroSD卡的空间较大。 假如动手能手比较强,已经掌握了本书实例14所介绍的具体安装方法,学会了直接手动下载Raspbian系统镜像文件,解压并会用Win32 Disk Imager工具写入到MicroSD卡,就不必使用NOOBS了。 用浏览器访问网址https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs/,会发现NOOBS有两个版本。一个是最小版本,安装时必须联网; 另一个是离线版本,安装时不需要联网,它包含了Raspbian Linux系统所需要的相关文件。建议选择离线版本下载,以下仅介绍离线版本NOOBS的安装方法。 如图323所示,单击NOOBS下载网页下方中间偏左位置的Download ZIP按钮,即可开始下载NOOBS离线安装工具。 图323下载NOOBS安装工具的网页 这个官方的NOOBS离线安装工具同样也是一个巨无霸,文件大小为1.47GB,下载所需要的时间漫长,视网速不同大约需要几个小时至十几个小时,同样建议安排在晚上睡觉的时间来进行下载。 文件下载成功后,如图324所示,直接双击下载得到的NOOBS的ZIP格式的压缩文件,Windwos将自动用WinRAR(或WinZIP)等压缩/解压工具将NOOBS解压到某个文件夹中,接着,把这个文件夹中的所有文件直接复制到已经格式化过的MicroSD卡中,即可制作好含有安装向导的MicroSD卡,MicroSD卡上的NOOBS文件清单如图325所示。 图324解压NOOBS离线安装工具 然后,如图326所示,单击U盘防护窗口中的“拔出”按钮,取出MicroSD卡读写器,并把MicroSD卡从读写器中取下来,插到小伙伴树莓派的MicroSD卡接口中。 图325复制到MicroSD卡后的NOOBS离线安装文件 图326安全地拔出MicroSD卡读写器 接通树莓派的电源,启动NOOBS安装向导后,会出现如图327所示的NOOBS安装向导画面。 图327启动MicroSD卡上的安装向导程序 在图327中,出现在第一行的按钮符号及其含义依次为Install(安装)、Edit Config(编辑配置文件)、WiFi networks(WiFi网络配置)、Online help(在线帮助)、Exit(退出)。 在图327中,出现在中间区域的是可供选择安装的多个不同版本的操作系统。如果要安装其中某个系统,可以用鼠标在这个系统的名字上单击一下,接着按一下空格键,那么这个操作系统名字前面的小正方形内就会出现一个小叉号,表明该系统已经指定为等待安装状态。在这里,因为仅仅需要安装Raspbain系统,所以只要指定并安装第1项的全桌面版Raspbian系统即可。 细心的用户会发现在屏幕的下方,还出现了如图328所示的小窗口。这个窗口用于配置树莓派所使用的语言和键盘。在这个小窗口中,需保持原来默认的配置,不要进行任何修改,否则显示中文时可能会出现乱码。 图328配置树莓派所使用的语言和键盘的小窗口 指定了Raspbian系统后,接着单击Install按钮,此时屏幕上会出现如图329所示的警告画面。单击Yes按钮开始安装。 图329安装Raspbian系统前的警告信息 接着,屏幕上会出现提示安装进度,并且隔几分钟自动切换一下,简要介绍树莓派基础知识的画面,如图330所示。整个安装过程大约需要20min,需耐心等待。 图330Raspbian的系统安装进度画面 Raspbian系统安装完成后,屏幕上会出现如图331所示的安装成功的窗口,这表明整个Raspbian系统的安装工作圆满完成啦! 图331系统安装成功的提示画面