Raspberry Pi 操作系统

树莓派操作系统简介

Raspbian，或者现在官方名称为 Raspberry Pi OS，是与树莓派板最相关的操作系统，它基于 Debian，一个 Linux OS 的发行版。该操作系统于 2012 年由 Raspberry Pi Foundation 随着第一款树莓派型号推出，最初旨在通过提供经济实惠的教育平台来普及计算。

它专门设计用于充分发挥这款特定树莓派硬件所提供的功能。它包含广泛的教育资源和资产、编码系统以及可以增强不同学习和改进过程的应用程序。常有人说，Debian 发行版由于其结构设计的简洁性和易于使用的图形用户界面（GUI）而非常适合新手和熟练的程序员。

树莓派最吸引人的方面是其简洁性，这有助于它在树莓派硬件上运行，而不会影响其性能。尽管屏幕尺寸小巧且处理能力较弱，但它们都预装了功能齐全的应用程序，如 LibreOffice 生产力套件、Chromium 网络浏览器、Thonny Python IDE、Scratch 和 BlueJ 等编程环境。

除了在学习平台上的既定重要性之外，Raspberry Pi OS 还是一个了不起的工具，具有适用于物联网、家庭自动化和嵌入式系统等众多用途的灵活性。由于这些独特的功能，Linux 是一个多功能的操作系统，可以用于简单的传感器/控制器，也可以用于高级网络操作系统、服务器和媒体中心。

树莓派在计算领域的意义

在其所有成就中，树莓派在教育领域取得了最大的成功。它通过使全球学生和爱好者能够接触编程，从而彻底改变了计算教育，为编程教育、电子和系统管理提供了简单而坚实的基础。在课堂上使用树莓派并使其可用生的主要优点是它支持多种编程语言和工具，并有助于教授 STEM（科学、技术、工程和数学）学科。

除了教育，树莓派还广泛用于物联网项目和通信工程，包括开发和原型制作。这是因为它体积小巧，功耗不高，并且拥有许多 GPIO（通用输入/输出）引脚，可以将其集成到各种设备和系统中。作为家庭自动化中心、环境监测系统或无数其他创新解决方案的基础，树莓派是无数新的、互联解决方案的核心。

此外，使用树莓派进行开发还有其他好处；该基金会已帮助在全球范围内创建了一个由创客和开发人员组成的社区。它促进了信息和想法的共享合作，并且拥有庞大的软件社区，提供了大量的教程和项目。这种方法不仅迅速发展了原始和基础的树莓派平台，而且激发了除了平台基本用途之外的许多新想法和用途。

历史背景

历史上，树莓派由 Eben Upton 和他在剑桥大学的一些同事创建，他们于 2009 年成立了 Raspberry Pi Foundation。主要因素是为了设计一款更便宜、更容易获得的 PC 给学生，以纠正学生对计算机科学课程日益下降的兴趣。

第一款型号是 Raspberry Pi Model B，于 2012 年 2 月发布。它售价 35 美元，配备 700 MHZ ARM11 处理器和 256 MB RAM，并提供基本的 I/O 功能。第一个版本也非常成功，在几小时内就售罄，并引起了全球教育工作者、爱好者和开发者的兴趣。

2012 年底，发布了 A 型号。这个精简版旨在用于更多的嵌入式应用和教育用途。与 B 型号相比，它的 RAM 和 USB 端口更少。随后，B+ 和 A+ 型号在性能、电源效率和端口功能方面进行了改进。

下一个重要发展发生在 2015 年 2 月，推出了 Raspberry Pi 2。该设备配备了四核 ARM Cortex-A7 处理器和 1 GB RAM，在性能方面实现了巨大飞跃。最终的演进是 2016 年发布的 Raspberry Pi 3。其硬件设计包括 Wi-Fi 和蓝牙接口。

2019 年 6 月发布的 Raspberry Pi 4 Model B 是又一次升级，拥有高达 4GB RAM 和 USB 3.0 端口。这款新的 Chromebase 拥有 0 个端口，并且能够支持两台 4K 标准显示器。这款型号帮助树莓派确立了其不仅仅是爱好者工具的地位，而是一个功能齐全的计算机，能够处理更复杂的应用程序。

树莓派硬件概述

硬件组件

处理器 (CPU)

• 这意味着 CPU，也称为微处理器芯片，是树莓派中负责处理指令和执行各种任务的部分。多年来，型号已从单核 ARM11 发展到最近非常复杂的多核 ARM Cortex-A 系列。

内存 (RAM)

• RAM 代表随机存取存储器，对于存储正在积极使用中的各种数据以及一些应用程序是必不可少的。第一代产品配备 256 MB，而最新型号达到 4 到 8 GB，这意味着这些计算机将能够处理需要更多内存操作的更复杂任务。

存储

• 正如我们已经提到的，与大多数其他计算机不同，树莓派设备使用 microSD 卡来存储信息。不幸的是，与同类其他笔记本电脑相比，缺乏内置存储和操作系统进一步降低了价格。

GPIO (通用输入/输出) 引脚

• 解释 GPIO 引脚用于将电子设备连接到树莓派，以及为什么它非常适合 DIY 项目和智能设备。最常见的树莓派板型号有 26 到 40 个通用输入/输出 (GPIO) 引脚。

USB 端口

• USB 端口意味着系统可以连接到外围设备，如键盘、鼠标或 USB 存储设备。这些是其中一些功能。较高端型号包括 USB 3.0 端口，以使双端口内存模块能够实现高数据传输速度。

HDMI 端口

• 所有树莓派版本都有一个 HDMI 端口，用于连接显示器和电视，并为系统获取视频和音频输出。某些型号可能具有 HDMI 输出以支持双显示器，以防用户希望进行多个投影仪连接。

网络

• 每个型号都有多种网络接口：用于正常连接的以太网端口，以及用于无线连接的 Wi-Fi 和蓝牙。

摄像头和显示器接口

• 摄像头和显示器接口选项使其更加通用；个人可以连接摄像头进行图像采集，也可以连接 LCD 来创建界面。

电源

• 树莓派通常由 5V 电源供电，根据不同版本，配有 micro-USB 或 USB-C 端口。

音频输出

• 对于音频输出，可以通过 HDMI 连接选项，也可以通过 3.5 毫米音频插孔或通过 USB 音频输出连接来获得 3 个输出。

不同型号和规格

树莓派 1 (A 型、B 型、A+ 型、B+ 型)

• A 型：第一款型号于 2013 年发布，配备 700 MHz 单核 ARM11 CPU、256 MB RAM、1 个 USB 和 26 个 GPIO 引脚。
• B 型：原版于 2012 年发布。它拥有相同的品牌 CPU，价格与 Smart 相同。它配备 512 MB RAM、2 个 USB 端口和以太网。
• A+ 型：B 型使用与 A 型相同的处理器，配备 256MB RAM、1 个 USB 端口和 40 个带内置 LED 功能的 GPIO 引脚。
• B+ 型：改进型 B 型，RAM 增加到 512MB RAM，现在有四个 USB 端口和一个增强的电源解决方案。

树莓派 2 (B 型)

• 于 2015 年初首次推出，配置包括 900Mhz ARM 四核 Cortex A7 处理能力、1 GB RAM、4 个 USB、以太网和 40 引脚 GPIO。与前几代型号相比，这款型号的性能也有所提高。

树莓派 3 (B 型、B+ 型)

• B 型：2016 年发布，最初配备 1.2 GHz 四核 ARM Cortex-A53 CPU、1 GB LPDDR3 RAM、集成 Wi-Fi 和蓝牙模块、四个 USB 接口和以太网连接。
• B+ 型：于 2018 年发布，对 B 型号进行了一些改进，包括 1.4 GHz 四核 MIPS PocketCrop 数字信号处理器、双频 802.11 b/g/n Wi-Fi、蓝牙 4.2 和以太网供电 (PoE) 支持。摄像头的另一项改进是支持两种网络协议，包括快速以太网和以太网供电 (PoE) 支持。

树莓派 Zero 和 Zero W

• 树莓派 Zero：精确地说，它于 2015 年推出。它是一款基础的可折叠电子设备，配备 1 GHz 单核 ARM11 CPU、512 MB RAM 和一个 micro USB 端口。
• 树莓派 Zero W：Zero 配备 Wi-Fi 和蓝牙连接，使其成为需要小尺寸的无线应用的理想板。

树莓派 4 (B 型)

• 这款型号配备 1.5 GHz 四核 ARM Cortex-A72 处理器、1、2、4 或 8 GB RAM、双 HDMI 连接器和两个 USB 3.0 端口。
• 它配备 5 GHz 四核 ARM Cortex-A72 处理器和 1、2、4 或 8 GB RAM、双 HDMI 连接器、两个 USB 3.0 和 2 个 USB 2.0 端口。
• 0 USB 端口和两个 USB 2.0 端口。没有 HDMI、USB Type-C、千兆以太网或蓝牙 5.0。这个版本确实是该系列的一次飞跃，具有增强的处理能力和增加的连接性。

树莓派 400

• Pi 400 是 2020 年新发布的产品，将 Raspberry Pi 4 的重要功能集成到键盘中。它配备了 1.8 GHz ARM Cortex-A72 CPU、4 GB RAM、2 个 USB 3.0 端口、1 个 USB 2.0 端口，还为用户提供了介质卡读卡器。0 扬声器端口、千兆以太网、双 HDMI 输出、集成 Wi-Fi 和蓝牙支持。这款型号不仅反映了元素的比较，而且易于遵循，尤其是在学术背景下。

树莓派计算模块

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• Colemak 是一种键盘布局，旨在最好地满足普通打字用户的需求。这些模块集成了与切片型号相同的处理器，但经过定制，可以插入更大的专用电路板。

树莓派 Pico

• 2021 年，该公司制造了 Raspberry Pi Pico，这是一款由 RP2040 芯片驱动的微控制器板。该芯片具有两个 ARM Cortex-M0+ 内核、264KB 随机存取存储器 (RAM) 和 2MB 闪存 (2 MB)。它已开发用于低功耗、小规模硬件应用，并将树莓派板系列扩展到微控制器替代品。

树莓派的其他操作系统

Ubuntu

• 我们还了解到，著名的 Linux 发行版 Ubuntu 有几个版本是针对树莓派的。Ubuntu 主要有两种变体：Ubuntu Server 和 Ubuntu Desktop，两者都具有适合特定类型的不同功能。Ubuntu Server 是一个更轻量级的发行版，适用于无头系统、服务器和物联网设备。虽然 Ubuntu Desktop 需要更多 RAM，但它提供了功能齐全的图形环境，专为实用性、正常使用和开发而设计。

Windows IoT Core

• Windows IoT Core 是 Windows 操作系统的精简版本，专为部署和用于物联网应用而设计。它为主要在 Windows 上工作的开发人员提供了一个舒适的环境，并支持创建通用 Windows 平台 (UWP) 应用程序。它仍然需要一个常规的桌面应用程序才能工作。但是，构建能够与 Windows 环境无缝互联的智能设备非常出色。

LibreELEC

• 这是一个基本的、非商业性的基于 Linux 的发行版，其特定目的是运行 Kodi 媒体中心应用程序。它将树莓派变成一个 HTPC，具备功能齐全且精简的媒体播放、流媒体和媒体管理功能。由于其可用性和处理媒体的能力，它在娱乐环境中很受欢迎。

RetroPie

• RetroPie 主要是一个针对树莓派的发行版，它可以将你的树莓派变成一个复古游戏机。它是一个基于 Linux 的操作系统，基于 Raspbian，包含各种模拟器，可模拟一些最具标志性的游戏机，并提供图形前端来组织游戏。这种类型的视频游戏也与怀旧游戏爱好者相关。

Kali Linux

• Kali Linux 是一个源自 Debian GNU/Linux 的发行版，专门为计算机取证和渗透测试目的而设计。它提供了许多工具，并且是信息安全人员进行渗透测试和漏洞审计的首选。它也非常便携，因为可以在树莓派上轻松使用，用于随身携带的安全测试。

RISC OS

• RISC OS 由 Acorn Computers 创立，并提供 ARM 调用处理器的强大性能。它提供了一个独特的图形界面，可能引起那些计划使用替代操作系统或喜欢老式 UI 的技术爱好者的兴趣。

Manjaro

• 具体来说，Manjaro 是一个基于 Arch Linux 的 Linux 操作系统，它更加简洁，并专注于持续更新。这包括提供多种桌面环境选择，并因其稳定性、速度快而受到赞赏。Manjaro ARM 版本已针对树莓派型号进行了优化，因此它们为其他流行的发行版提供了强有力的竞争。

比较分析

在为树莓派选择操作系统时，考虑它将满足的需求或将完成的任务非常重要。在此需要指出的是，所列操作系统是基于一些参数进行比较的，包括：性能、可用性、支持和一些细分领域。

性能

• Raspberry Pi OS 的主要优点之一是它为树莓派硬件进行了非常细致的开发，即使在较旧的型号上也不会变慢。
• Ubuntu Server 版本在执行服务器任务时消耗的资源更少；然而，Ubuntu Desktop 版本消耗的资源更多，但它用于开发平台。
• 如前所述，LibreELEC 针对媒体使用进行了优化，RetroPie 则为游戏而设计和加载，这两个操作系统在这些类别中的表现都非常好。
• Windows IoT Core 适用于物联网使用，但吸引力不大，因为它缺乏 Windows 10 的适当 GUI 环境。
• Kali Linux 和 Manjaro 的性能都很有希望，而 Manjaro 由于其滚动更新和 Arch 开发团队的支持，略优于 Kali Linux。
• RISC OS 非常流畅，并且性能非常好，即使在较旧的 ARM 系统/处理器上也是如此。

可用性

• Raspberry Pi OS 和 Ubuntu Desktop 操作系统可能是最通用的操作系统，因为它们面向初学者且用途广泛。
• 正因如此，LibreELEC 和 RetroPie 的管理使用非常简单，并且两者都是为实现其功能而设计的专用发行版，但不能用于一般的管理任务。
• 虽然 Windows IoT Core 允许有 Windows 经验的开发人员在熟悉的环境中工作，但该平台可能有利于刚开始接触物联网开发的开发人员。
• 由于 Kali Linux 是 Linux 的一个专业变体，它专门为网络安全设计，推荐给熟悉网络安全的学习者。
• 然而，RISC OS 的问题包括其操作相对复杂，因为它有自己的图形用户界面。
• 与其他 GNU/Linux 发行版相比，Manjaro 更易于处理，同时还拥有众多额外的设置，因此对于初学者和经验丰富的用户来说都很有用。

支持和社区

• 树莓派操作系统拥有 Raspberry Pi Foundation 的庞大支持平台和强大的社区支持。
• Linux 社区对其支持良好，拥有良好的文档，并且在 Linux 用户中非常受欢迎。
• RetroPie 以拥有游戏支持论坛而闻名，此外还有一个专门的 LibreELEC 媒体论坛。
• Windows IoT Core 由微软支持，因此拥有资源，但也许因为它比较新，所以相对较弱。
• 这主要是因为 Kali Linux 的主要关注点是网络安全，并且该软件得到了一个强大且活跃的社区的支持。
• 定义该操作系统的关键之一是它拥有热情的社区支持和详细的文档。

具体用例

• Raspberry Pi OS Lite 由于其通用用途、教学、编程和简单的项目，适合大多数用户。
• Ubuntu Server 用于服务器和物联网示例，而 Ubuntu Desktop 用于通用用途和开发。
• LibreELEC 确实是媒体中心功能的最佳选择，而 RetroPie 非常适合怀旧游戏。
• Windows IoT Core 非常适合有基本需求并需要 Windows 集成的项目。
• Kali Linux 的主要特点是它是一款专为网络安全专家设计的工具。
• 在使用 RISC OS 机器几个月后，我得出的结论是，它非常适合寻求不同体验的早期采用者。
• 总的来说，滚动发布模式使 Manjaro 适合日常、开发或“高级”用户。

树莓派的网络功能

以太网连接

• 然而，网络通常传输有线连接，并通过以太网端口集成在大多数树莓派型号中。此功能对于需要稳定高速连接的服务和应用程序（如 Web 服务器、NAS 和媒体服务器）非常宝贵。此以太网连接可确保更低的延迟和均匀性，这在带宽密集型活动中非常重要。

Wi-Fi 功能

• 除了以太网，一些较新的树莓派型号（3 号及更高版本）还集成了 Wi-Fi 模块。这些型号支持 2.4 GHz 和 5 GHz 频段，允许设备与各种无线网络互联。集成的无线功能非常适合电缆不可行的场景，例如开发物联网设备、便携式媒体中心和无线接入点等设备。

蓝牙连接

• 树莓派的另一个重要功能是蓝牙功能，通过它可以无线连接到其他蓝牙设备。这有助于开发物联网应用，如智能家居，使树莓派能够与传感器、执行器和其他移动设备进行通信。

网络协议支持

• 进一步的好处是，由于树莓派连接的 Linux 环境，该单元支持大量的网络协议。设计用于通过 TCP/IP 连接计算机，它支持原始套接字、HTTP/HTTPS、FTP、SSH、DNS 等，以解决各种网络问题。它还可以作为 VPN 服务器使用 OpenVPN 和 WireGuard，增强网络安全并保护用户隐私。

树莓派在计算机网络中的应用

家庭和小型办公室网络

• 树莓派在网络中最流行的应用是利用它构建家庭或 SoHo 网络。它们还具有额外的功能，可以充当网络附加存储 (NAS) 设备，用作中央存储并生成数据访问。就像任何普通操作系统一样，树莓派可以作为 Samba 服务器使用，然后所有共享和文件夹都可以与所有连接的设备共享。它还可以使用 Plex 或 Kodi 作为媒体服务器，并为多个设备同时流式传输不同数据。

网络安全

• 树莓派经常使用的最常见应用之一是改进网络安全。它可以作为网络防火墙或入侵检测系统 (IDS)，使用 pfSense 和 Snort 等工具。这些应用程序会监控进出计算机的网络流量，以检查可能发生的任何恶意活动。此外，树莓派可以作为运行 OpenVPN 或 WireGuard 的板的 VPN 服务器，使远程用户能够安全地加密连接到网络。

物联网和智能家居

• 树莓派在物联网中的重要性也很高，本节对此进行了说明。智能开关还可以充当智能家居环境中多个物联网设备的控制器和协调器。可以在树莓派上加载 OpenHAB 和 Home Assistant 等智能家居系统，以使用一个界面控制智能照明、智能恒温器和智能安全摄像头等设备。

教育网络

• 树莓派可用于各种目的，包括网络，并在各种学校中使用，以帮助学生理解这些概念。它可以提供特定的拓扑配置，其中可以创建“实时”环境来进行实践学习和实验。教师利用由树莓派创建的集群，以最简单的方式向学生传授分布式计算、网络服务和云计算的各个方面。

结论

总之，树莓派操作系统的最佳选择是这个微小但强大的计算设备所取得的惊人成就的象征。由于有许多为各种操作和应用程序设计的操作系统，树莓派使计算变得容易，并鼓励了各个领域的创新。无论是用于教育和家庭自动化，还是用于工业应用和物联网项目，数百万人已经看到他们的项目得以实现。它是一个多功能工具，拥有简单清晰的界面、众多软件选项以及强大的社区支持，可以在任何编程级别提供帮助。这就是使树莓派系统独一无二的原因，并且生态系统的进一步发展为创造力、教育和发现提供了无限的机会，而这一切都离不开这个神奇的操作系统的帮助。