Embedded Linux mit dem Raspberry Pi

Bereits durch die Ankündigung, mit dem Raspberry Pi einen Linux-Rechner für weniger als 35 an den Markt zu bringen, wurde ein regelrechter Hype ausgelöst. Im Sommer 2012 konnte das scheckkartengrosse ARM-basierende Mikrocontrollerboard bestellt und auch geliefert werden und lädt seither zum Experimentieren ein. Neben dem Raspberry Pi gibt es weitere Boards, die auch im Wesentlichen auf ARM-Technologie basieren, nicht ganz so kostengünstig, dafür allerdings meist etwas leistungsfähiger sind. Der Untertitel "für Ein- und Umsteiger soll gleichzeitig verdeutlichen, an wen bei dieser Thematik hier primär gedacht ist. Hier geht es nicht um Linux als alternatives Betriebssystem für den PC, sondern den Einsatz von Linux in einem Embedded System und um das Embedded System selbst. Der Schwerpunkt der Betrachtungen liegt dabei ganz klar auf dem Raspberry Pi. Die Komplexität heutiger Anforderungen an Elektronikkomponenten ist an vielen Stellen mit den klassischen Konzepten um Mikrocontroller, wie den mittlerweile etwas betagten aber in seinen unterschiedlichen Derivaten immer noch verbreiteten 8051, die breite Palette der Atmel- und PIC-Controller bzw. die Controller von deren Mitbewerbern, wie Texas Instruments, Renesas und vielen anderen, kaum umsetzbar. Hinzu kommt der Preiszerfall in diesem Sektor, der für den Einsatz leistungsfähiger 32-Bit-Mikrocontroller, wie ARM- oder Cortex-Derivate, spricht. Während die leistungsschwächeren (8-Bit-) Mikrocontroller meist ohne Betriebssystem betrieben wurden, kommt man bei den 32-Bit-Mikrocontrollern kaum noch um den Einsatz eines Betriebssystems herum. Das Betriebssystem bietet Schnittstellentreiber, Dateisystem, Multi-Threading u.a. und übernimmt damit wiederkehrenden Aufgaben, für die stabile Softwarekomponenten zur Verfügung stehen. Leistungsfähige und schlanke Linux-Derivate können heute auch auf einfacheren Prozessoren eingesetzt werden und sind frei verfügbar. Dem gegenüber stehen auch kommerzielle Linux-Systeme, bei denen der Anwender dann auch die entsprechende Betreuung durch den Lieferanten erfährt. Welchen Weg man irgendwann mal einschlägt, ob kommerzielles oder freies Linux, wird durch eine Vielzahl von Bedingungen beeinflusst, die hier erst mal nicht im Vordergrund stehen. Wir wollen uns hier vorrangig mit Embedded Linux auf dem Raspberry Pi befassen. Die verwendete Linux-Distribution stellt einen grafischen Desktop zur Verfügung, der hier aber nicht von primärem Interesse ist. Unser primäres Userinterface hier ist klassisch die Kommandozeile, wie sie vielen Mikrocontroller-Programmierern aus deren Projekten als Terminal-Schnittstelle bekannt ist. Ein grafisches Userinterface ist für viele geschlossene Embedded Systems (deeply embedded) ohnehin nicht erforderlich, oder kann durch ein Web-Interface ersetzt werden. Der heimische Router ist dafür ein sehr gutes Beispiel. Mit dem Einsatz von Linux in einem Embedded System kommt eine Reihe von neuen Ansätzen auf den Umsteiger aus der konventionellen Mikrocontrollerwelt zu, mit denen wir uns hier erst einmal auseinandersetzen werden. Alle gelisteten Quelltexte und einige Erläuterungen sind unter SourceForge abgelegt (http://sourceforge.net/projects/raspberrypisnip/). Zum Buch existiert außerdem eine Webseite. Neben der hier vorliegenden Print-Version gibt es zu diesem Buch auch eine eBook-Version (ISBN 978-3-907857-xx-x), bei der die im Text vorhandenen Hyperlinks direkt zu den verlinkten Stellen führen. Alle im Buch vorhandenen Links wurden im Sommer 2013 auf ihre Richtigkeit hin überprüft. Da sich das Internet kontinuierlich wandelt, kann nicht sichergestellt werden, dass diese Links zu einem späteren Zeitpunkt noch zum Ziel führen oder noch dieselben Inhalte besitzen, wie zum Zeitpunkt der Aufnahme. Altendorf, im Sommer 2013 Claus Kühnel

Autorentext

Dr. Claus Kühnel studierte und promovierte an der Technischen Universität Dresden (D) im Bereich der Informationselektronik. Es folgte eine Ausbildung in Biomedizintechnik.Heute ist er verantwortlich für die Entwicklung von elektronischer Hardware und hardwarenaher Software für Laborgeräte.Zusätzlich zu diesen beruflichen Aufgaben hat er zahlreiche Artikel und Bücher über Mikrocontroller-Themen veröffentlicht.Der Beitrag "Arduino & Co - Die semiprofessionelle Entwicklungs- und Experimentierplattform wird immer professioneller" ist in der Zeitschrift Elektronik embedded 2011 erschienen und wurde von der Redaktion der Zeitschrift ELEKTRONIK als Artikel des Jahres 2011 ausgezeichnet.

Klappentext

"Embedded Linux mit dem Raspberry Pi" zeigt den Einsatz von Linux auf der populären Hardware-Plattform Raspberry Pi. Der Untertitel für Ein- und Umsteiger soll gleichzeitig verdeutlichen, an wen als Leser mit diesem Buch primär gedacht ist. Hier geht es nicht um Linux als alternatives Betriebssystem für den PC, sondern den Einsatz von Linux in einem Embedded System und um das Embedded System selbst. Die Komplexität heutiger Anforderungen an Elektronikkomponenten ist an vielen Stellen mit den klassischen Konzepten um Mikrocontroller kaum umsetzbar. Hinzu kommt der Preiszerfall in diesem Sektor, der für den Einsatz leistungsfähiger 32-Bit-Mikrocontroller, wie ARM- oder Cortex-Derivate, spricht. Während die leistungsschwächeren (8-Bit-) Mikrocontroller meist ohne Betriebssystem betrieben wurden, kommt man bei den 32-Bit-Mikrocontrollern kaum noch um den Einsatz eines Betriebssystems herum. Das Betriebssystem bietet Schnittstellentreiber, Dateisystem, Multi-Threading u.a. und übernimmt damit wiederkehrenden Aufgaben, für die stabile Softwarekomponenten zur Verfügung stehen. Leistungsfähige und schlanke Linux-Derivate können heute auch auf einfacheren Prozessoren eingesetzt werden und sind frei verfügbar. Die verwendete Linux-Distribution Raspbian stellt einen grafischen Desktop zur Verfügung, der hier aber nicht von primärem Interesse ist. Unser primäres Userinterface hier ist klassisch die Kommandozeile, wie sie vielen Mikrocontroller-Programmierern aus deren Projekten als Terminal-Schnittstelle bekannt ist. Ein grafisches Userinterface ist für viele geschlossene Embedded Systems (deeply embedded) ohnehin nicht erforderlich, oder kann durch ein Web-Interface ersetzt werden. Mit dem Einsatz von Linux in einem Embedded System kommt eine Reihe von neuen Ansätzen auf den Umsteiger aus der konventionellen Mikrocontrollerwelt zu, mit denen wir uns hier erst einmal auseinandersetzen werden. Alle gelisteten Quelltexte und einige Erläuterungen sind unter SourceForge abgelegt (http://sourceforge.net/projects/raspberrypisnip/). Zum Buch existiert ausserdem eine Webseite http://www.ckuehnel.ch/Raspi-Buch.html.

Inhalt
Inhalt 1. Raspberry Pi 11 2. Linux als Betriebssystem 12 3. Lizenzen 14 4. Linux-Features 17 4.1 User-Interface 17 4.2 Linux Architektur 19 4.3 Kernelspace vs. Userspace 20 4.4 Ein-/Ausgabe 21 4.5 Board Support Package (BSP) 22 4.6 Zugriffsrechte 22 4.7 Filesysteme 28 4.8 Filesystem Hierarchy Standard (FHS) 29 4.9 Shell 30 4.9.1 Shell Typen 30 4.9.2 Shell Scripts 31 4.10 Daemons 32 5. Linux-PC 33 6. Raspberry Pi Betriebssystem 41 6.1 Vorbereitung der SD-Card 42 6.2 Raspberry Pi Bootprozess 43 6.3 Konfigurationstool raspi-config 44 6.4 Update Upgrade 53 6.5 Raspberry Pi Applikationen 53 6.5.1 Installierte Applikationen 53 6.5.2 Installation & Deinstallation von Software-Paketen 53 6.6 Programmentwicklung auf dem Raspberry Pi 55 6.6.1 Editoren 55 6.6.2 Compilation und Debugging 61 6.6.3 Adafruit WebIDE 63 7. Entwicklungsumgebung für Embedded Linux 64 7.1 Raspberry Pi im Netzwerk 65 7.2 Zugriff von einem Netzwerk-PC 67 7.2.1 Zugriff über LAN 68 7.2.2 Zugriff über WLAN 70 7.3 Zugriff von einem Android Device 72 7.4 Zugriff über VNC 79 7.5 Web Interface 83 8. CPU Boards 87 8.1 Raspberry Pi 87 8.2 Alternative Linux Boards 92 9. Hinweise zur Inbetriebnahme 94 10. Anwendungen 98 10.1 [Shell] - BoardInfo 99 10.2 System Informationen 104 10.2.1 …