Raspberry_PI_cz8.pdf

(1088 KB) Pobierz

Na warsztacie

SZKOŁA

Poziom tekstu: średnio trudny

Zastanawialiście się kiedyś, jak właściwie startuje Raspberry? Proces ten nie

jest aż tak skomplikowany. Zrozumienie go pomoże Wam diagnozować różne

problemy, jakie czasami pojawiają się podczas uruchamiania RPi.

Raspberry Pi

tajemnice startu

Tajemnica 1: uszkodzona karta

Zanim zagłębimy się w szczegóły startu RPi, przyj-

rzyjmy się sposobowi partycjonowania karty SD

z zainstalowanym Raspbianem. Używam jego

ostatniej wersji, z 24 grudnia 2014 r. Świeżo

wypaloną kartę (stworzoną z użyciem

programu

Win32 Disk Imager

i obrazem

2014-12-24-wheezy-raspbian.img)

po-

dzielono na dwie partycje:

• startową

(ang.

boot),

o rozmiarze ok.

56 MB i systemie plików FAT;

• główną

(ang.

root,

„/”), o rozmiarze ok.

3,2 GB i linuksowym systemie plików ext4.

Powyższy podział jest ściśle związany ze spo-

sobem, w jaki startuje Raspberry. Z drugiej strony

powoduje, że po włożeniu takiej karty do czytnika

komputera zarządzanego przez Windows, system

zgłosi nam jej uszkodzenie. Co więcej, zapro-

ponuje, że może ją naprawić. Nie róbcie tego.

Karta wcale nie jest uszkodzona. Windows potrafi

zamontować mniejszą z partycji (w końcu to FAT,

do niedawna natywny dla Microsoftu), ale nie ro-

zumie drugiej – dlatego sygnalizuje problemy. Taki

podział można zobaczyć w Microsoftowej aplikacji

do zarządzania dyskami. Dla Windows 8.1 uru-

chomicie ją, klikając prawym klawiszem myszy

na „Start” i wybierając pozycję „Zarządzanie

dyskami” (1).

Program „Zarządzanie dyskami” dodatkowo

pokaże, że na karcie znajduje się jeszcze 4,2 GB

nieprzydzielonego miejsca. Jest to różnica między

rozmiarem karty (użyłem 8 GB) a wielkością

obrazu Raspbiana (ok. 3,2 GB). Po zalogowaniu

do Raspberry możecie odzyskać to miejsce, roz-

szerzając partycję główną za pomocą programu

raspi-config

(opcja

Expand Filesystem,

ilustracja

4).

Szczegóły partycjonowania łatwiej zobaczyć,

używając aplikacji

GParted

pod Raspbianem (2).

GParted

pokazuje nam znacznie więcej szczegółów.

Rozumie też system ext4.

Ilustracja 3

prezentuje wygląd karty po roz-

szerzeniu partycji do rozmiaru karty SD.

GParted

możecie zainstalować poleceniem „sudo apt-get in-

stall gparted”. Musi być uruchomiony z konta

root.

więcej bitów, tym więcej klastrów można

zaadresować (czyli większe dyski można

obsłużyć). Powstał też VirtualFAT (VFAT),

który obsługuje długie nazwy i znaki na-

rodowe. FAT wykorzystywał np. MS-DOS

(jeżeli ktoś z Was go jeszcze pamięta)

i starsze wersje systemu Microsoft Win-

dows (ostatnio NTFS). Obecnie (głównie

FAT32) jest nadal stosowany na kartach

flash, pendrivach USB itp.

ext4

– najpopularniejszy system plików

dla Linuksa. Miał swoją premierę

Słowniczek

FAT (ang.

File Allocation Table)

Poniżej znajdziecie wytłumaczenie

kilku kluczowych pojęć, które poja-

wiają się dalej w tekście (w kolejności

występowania).

Partycja

– wydzielony, logiczny obszar

dysku. Jeden dysk może zawierać wiele

partycji – podstawowych, rozszerzonych

czy logicznych. Każdą z nich można

sformatować z innym systemem plików.

Windows montuje je zazwyczaj jako

kolejne dyski.

– rodzaj systemu plików, który powstał

już pod koniec lat 70. ub. wieku. Opiera

się na tablicy alokacji plików – specjal-

nej strukturze, która składuje w sobie

referencje do plików i zajmowanych przez

nie jednostek alokacji (klastrów). Możecie

spotkać wersje

FAT12

(adresuje dyski

do 16 MB),

FAT16

(maksymalnie do 4 GB),

FAT32

(2 TB) i najnowszy

exFAT/FAT64.

Liczby 12, 16, 32 oznaczają ilość bitów

używanych do adresowania klastrów. Im

m.technik – www.mt.com.pl – nr 3/2015

Skoro już Windowsowi udało się odczytać mniej-

szą z partycji, warto na nią spojrzeć. Zawiera wiele

ciekawych plików. Większością z nich zajmiemy

się później, w tym momencie przyjrzyjmy się tylko

trzem z nich:

• config.txt

• cmdline.txt

• kernel.img

Plik

„config.txt”

to jeden z plików konfiguracyj-

nych czytany jeszcze przed uruchomieniem CPU

(szczegóły poniżej). Zawiera wiele przydatnych

ustawień – jak overscan, tryby video itp. Jeżeli uży-

jecie

raspi-config

do zmiany podziału pamięci RAM

między CPU i GPU („Advanced Options>Memory

Split”), pojawi się tam wpis, np. „gpu_mem=64”

(możliwe wartości to 16/32/64/128/256; zobaczcie

„sudo cat /boot/config.txt | grep gpu”). Podział pa-

mięci można sprawdzić za pomocą (nieudokumento-

wanego) polecenia (parametr „arm” dla CPU i „gpu”

dla GPU; [6]):

1. Partycje karty SD z Raspbianem, widok pod Win-

dows

$ sudo vcgencmd get_mem gpu

gpu=64

$ sudo vcgencmd get_mem arm

arm=448

2. Partycje karty SD z Raspbianem pod Linuks

(GParted)

Dla konfiguracji wykorzystujących interfejs graficz-

ny, lepiej ustawić „gpu_mem=256”.

Drugi z plików – „cmdline.txt” – zawiera opcje

dla jądra linuksowego. W jednym z poprzednich

tekstów prezentowałem „ip=”. Opcja wymusza-

ła na interfejsie sieciowym przyjęcie podanego

adresu. Teraz jednak zwróćcie uwagę na parametry

„root=/dev/mmcblk0p2” oraz „rootfstype=ext4”.

Nazwa „mmcblk0p2” składa się z: „mmc”,

co jest skrótem od „MultiMediaCard”, „blk0”,

które pochodzi od pierwszego znalezionego

3. Partycje karty SD z Raspbianem pod Linuks

– po rozszerzeniu partycji głównej programem

raspi-config (GParted)

w 2008 r. Obsługuje dyski do 1 eks-

bibajta (EiB). Zawiera wiele funkcji

niedostępnych dla FAT/NTFS, jednak

domyślnie nie jest wspierany przez

Windows.

root

– linuksowe konto uprzywilejowa-

nego użytkownika, który ma pełną kon-

trolę nad systemem. Zazwyczaj – nawet

do administracji systemem – wystarczy

korzystać z „sudo”.

Montowanie

– proces polegający

na przyporządkowaniu dysku lub

4. Program raspi-config, wywołanie: „sudo raspi-

-config”

Mogło to dotyczyć nawet 3% po-

wierzchni. To działanie niepożądane

w erze telewizji cyfrowej, ale nadal

często automatycznie wykonywane

przez odbiorniki. Może to pogorszyć

jakość obrazu – scena jest rozciągana

do wielkości wyświetlacza, żeby przy-

kryć obcięty obszar.

Jądro Linuksa (ang.

kernel)

– central-

na część systemu operacyjnego Linuks

odpowiedzialna za kontrolowanie

sprzętu (za pomocą sterowników).

partycji konkretnego miejsca w systemie

plików. Zauważcie, że w przypadku

Windows jest to litera dysku („C:”, „E:”).

Zasoby w Linuksie montowane są tak,

że stają się częścią hierarchii katalogów.

Użytkownik często nawet nie wie, że za-

czął używać osobnej partycji czy dysku.

Overscan

– wobec różnic między

możliwościami wyświetlania przez

różne odbiorniki (monitory, telewizory),

zewnętrzne marginesy obrazu były

obcinane, żeby uniknąć zniekształceń.

Na warsztacie

partycji (5), jedynie 60 MB. Ale to zazwyczaj w zu-

pełności wystarcza. Oczywiście zawsze możecie

użyć polecenia „wget”.

Ostatni ze wspomnianych plików – „kernel.img”

– to jądro (ang.

kernel)

Linuksa. Zauważcie, jakie jest

małe – niewiele ponad 3 MB. Tyle wystarczy, żeby

wystartować system i najważniejsze komponenty

(dyski, zarządzanie mocą). Reszta modułów znajduje

się w katalogu głównym, który kernel montuje

zgodnie ze wskazaniami parametru „root=” z pliku

„cmdline.txt”.

Poziom tekstu: średnio trudny

SZKOŁA

Tajemnica 2: start sprzętu

5. Właściwości FAT-owej partycji pod Windows.

Zwróćcie uwagę, że Windows pokazuje FAT32,

a Raspbian FAT16

urządzenia blokowego i „p2” – drugiej partycji

(„p1” to ta mniejsza, którą widzimy pod Windows,

zobacz [5]). Porównajcie wartość „root=” z ilustra-

cjami 2 i 3. Od razu zauważycie, że „dev/mmcbl-

k0p2” (system plików ext4) odnosi się do partycji

głównej i po starcie Raspbiana zostanie podmon-

towany jako katalog główny „/”. Mniejszą partycję

FAT („/dev/mmcblk0p1”) znajdziecie za to w ka-

talogu „/boot”. Możecie to wszystko wyświetlić

na Raspberry poleceniem „lsblk”:

$ lsblk

NAME MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT

mmcblk0 179:0 0 7.3G 0 disk

├─mmcblk0p1 179:1 0 56M 0 part /boot

└─mmcblk0p2 179:2 0 7.2G 0 part /

Nawiasem mówiąc, taka właściwość może się cza-

sami okazać bardzo przydatna. Zdarza mi się używać

partycję FAT do przenoszenia plików na Raspberry.

Kopiuję je pod Windowsem, a po uruchomieniu

Raspberry pliki mam w katalogu „/boot”. Nie ma

na niej zbyt wiele miejsca – jak pokazują właściwości

Oryginalnie stworzone przez Linusa

Torvaldsa światło dzienne ujrzało

w 1991 r. Szybko wsparte przez narzę-

dzia GNU (Richard Stallman), obrosło

w liczne aplikacje i powłoki graficzne,

powoli wyrosło w dystrybucje takie jak

Ubuntu, Fedora czy najpopularniejszy

na Raspberry Pi – Raspbian (wywodzący

się z Debiana).

SoC (ang.

System On a Chip)

– SoC

to dość szeroki termin. Najczęściej

Jak wspomniałem powyżej, Raspberry Pi napędza

SoC Broadcoma, zwany BCM2835. W przypad-

ku Pi składa się on (m.in.) z: procesora głównego

ARM1176JZF-S (CPU), jednostki wspomagającej

grafikę VideoCore IV (GPU), pamięci nieulotnej ROM

oraz przyklejonej nad nimi (PoP) pamięci operacyj-

nej RAM (konkretnie SDRAM, 512 MB dla wersji

B). Start tych układów przebiega w następujących

etapach (na podstawie [1][2][3]):

1. Zaraz po zasileniu RPi uruchamiany jest GPU;

na ten moment CPU i RAM pozostają jeszcze

nieaktywne (w stanie „reset”).

2. Wyspecjalizowany, dodatkowy procesor wczytuje

z ROM i wykonuje bootloadera pierwszego etapu

(ang.

1st stage bootloader).

Kod ten jest wpisywa-

ny do ROMu w czasie produkcji układu.

3. Bootloader pierwszego etapu montuje partycję

startową FAT karty SD (tę mniejszą), wczytuje

zawartość pliku „bootcode.bin” do pamięci pod-

ręcznej L2 procesora GPU (ang.

L2 cache)

i wyko-

nuje go (CPU i RAM nadal w stanie resetu).

4. Kod „bootcode.bin” to tzw. bootloader drugiego

etapu (ang.

2nd stage bootloader).

Uruchamia

pamięć RAM i wczytuje do GPU z karty SD

bootloader trzeciego etapu (ang.

3rd stage bo-

otloader),

zapisany w pliku „start.elf”. Kod „start.

elf” jest jednocześnie systemem operacyjnym

GPU (ang.

firmware),

który pozostanie w jego pa-

mięci i pomaga Linuksowi dostawać się do jego

zasobów. GPU jest uruchamiane.

5. GPU wczytuje plik konfiguracji RPi „config.txt”,

zawierający m.in. ustawienia częstotliwości

poszczególnych elementów SoC (np. CPU, GPU)

SoC charakteryzują się stosunkowo

dużą mocą i niewielkim zapotrzebowa-

niem na prąd. Ich domeną są urzą-

dzenia przenośne zasilane bateryjnie.

Raspberry Pi napędza SoC Broadcoma

BCM2835. Składa się na niego procesor

główny typu ARM1176JZF-S (CPU)

i procesor graficzny (GPU) Videocore IV.

Nad nimi przylutowano pamięć SDRAM

– 256 dla wersji A/A+ lub 512 MB dla

B/B+ (technologia PoP).

odnosi się do kategorii superukładów

elektronicznych, które zawierają w sobie

dostatecznie dużo komponentów,

żeby mogły działać jako autonomiczne

„komputery”. W przypadku typowej

płyty komputerowej, elementy takie jak

główny procesor (ang.

Central Proces-

sing Unit

– CPU), pamięć operacyjna czy

karta graficzna są rozproszone na różne

układy (często wymienialne). SoC inte-

gruje je w pojedynczy układ (ang.

chip).

m.technik – www.mt.com.pl – nr 3/2015

Tabela 1. Pliki na karcie SD Raspberry Pi

Plik

Funkcja

bootcode.bin

Bootloder 2-go etapu

start.elf

Bootloader 3-go etapu; firmware GPU; ładuje plik „config.txt” i jądro linuksowe (z parametrami zapisa-

nymi w „cmdline.txt”)

fixup.dat

Dzieli i inicjuje SDRAM między CPU i GPU

kernel.img

Jądro Linuksa; wczytywane do pamięci przez „start.elf”; wykonywane przez CPU

fixup_cd.dat, start_cd.elf Obcięte wersje plików dla GPUmem=16

fixup_x.dat, start_x.elf

Wersje testowe – np. dodatkowe kodeki; obsługa kamery

cmdline.txt

Parametry startu jądra linuksowego

config.txt

Plik konfiguracyjny czytany przez GPU. Zawiera ustawienia m.in. trybów video, overscanu, taktowania

procesorów i podziału pamięci między GPU i CPU

oraz podział pamięci RAM między CPU i GPU

(plik „fixup.dat”).

6. GPU wczytuje plik konfiguracyjny „cmdline.

txt”, zawierający parametry do startu jądra

Linuksowego.

7. GPU wczytuje do RAM „kernel.img” obraz jądra

Linuksa.

8. GPU zmienia stan CPU na aktywny.

9. CPU rozpoczyna wykonywanie kodu jądra

linuksowego.

Widzimy więc, że rola GPU nie ogranicza się

do wspomagania grafiki. Wykonuje on większość

pracy przy starcie systemu. Oprócz wymienionych

powyżej zidentyfikujmy inne pliki znajdujące się

na karcie SD RPi, a związane ze startem sprzętu:

• „fixup.dat”: konfiguruje podział SDRAM między

GPU i CPU;

• „fixup_cd.dat” i „start_cd.elf”: wersje plików uży-

wane dla pamięci GPU zmniejszonej do 16 MB

(ustawienie w „config.txt”);

• „fixup_x.dat”, „start_x.elf”: wersje eksperymen-

talne, często niestabilne, mogą też włączać nowe

funkcje;

• „kernel_emergency.img” (w starszych

Raspbianach): wersja „awaryjna” jądra, może być

używana w przypadku awarii systemu plików.

jedynie diody PWR i ACT, a dla B+ sygnalizację sieci

przesunięto na wtyk Ethernetowy. W Internecie (np.

[4] lub w poprzednich artykułach tej serii) znaj-

dziecie kilka przepisów mówiących o sygnalizacji

podstawowych problemów przy starcie. Określona

liczba mrugnięć ACT – 3, 4, 7 – sygnalizuje, z jakim

problemem mamy do czynienia. Niestety, jest

to jedna z tych funkcji, która z wersji na wersję dość

dynamicznie się zmienia. W rzeczywistości zaufać

można jedynie zachowaniu diody PWR. Jeżeli za-

cznie mrugać, przygasać i podobne – problem wiąże

się z zasilaniem. Zakładając, że Wasza ładowarka

działa poprawnie i ma wydajność powyżej 500 mA,

z wersją B nie powinno być żadnych problemów.

Trochę gorzej to wygląda dla B+. Zauważyłem,

że z ładowarką działającą z B (ok. 750 mA), B+ (bez

dołączonych żadnych akcesoriów) potrafi „oszaleć”.

Problemy znikają po zastosowaniu zasilacza 2 A (np.

od tabletu).

Wracając do diody ACT. Do doświadczeń uży-

łem trzech różnych Raspberry: B (rev2), B+ i A+

z ostatnim Raspbianem usuwając lub uszkadzając

(wymazane przypadkowe fragmenty plików) kolejne

pliki startowe. Okazało się, że każde z urządzeń za-

chowuje się trochę inaczej (zob.

tabela 2).

Generalnie

najbardziej „rozmowna” okazała się najnowsza A+.

Sygnalizowała każdą z możliwych sytuacji, tak braku

jak i uszkodzenia pliku startowego. Najmniej mrugała

najstarsza B – tylko brak „start.elf” lub jądra „kernel.

img”. B+ zachowuje się pośrednio między B i A+.

Niestety, nie mam do dyspozycji wersji A, a rezultaty

uruchamianiem i zatrzymywaniem

procesów użytkownika w Linuksie

– ma PID=1.

Link symboliczny (ang.

symlink)

Tajemnica 3: przebłyski

Raspberry Pi B ma na swojej płytce pięć diód: PWR,

ACT i trzy dodatkowe związane z połączeniem

sieciowym – LNK, FDX i 100. Wersje A/A+ mają

Bootloader

– program rozruchowy.

Zależnie od potrzeb jego zadaniem

jest inicjacja układów, ich począt-

kowa konfiguracja, uruchomienie

podstawowych usług, załadowanie

i przekazanie kontroli do innych

programów. Często używa się całego

łańcuszka bootloaderów, z których

każdy uruchamia następny, bardziej

skomplikowany i realizujący coraz

więcej funkcji. Taki system nazywamy

rozruchem wieloetapowym (ang.

multi-stage bootloader).

Firmware

– specyficzny rodzaj

oprogramowania wbudowanego

w urządzenie, zapewnia jego inicjację,

dostarcza podstawowe procedury

obsługi.

PID (ang.

Process Identifier)

– w systemie operacyjnym: unikato-

wy identyfikator procesu. Na przy-

kład „init” – proces zarządzający

– specyficzny rodzaj zasobu, który wska-

zuje na plik lub katalog. Na poziomie

programów odwołanie jest praktycznie

przezroczyste i zachowuje się dokład-

nie tak, jak w przypadku właściwego

obiektu. Użyjcie komendy „ls -l”, żeby

zobaczyć, na co takie linki wskazują.

Na warsztacie

Tabela 2. Dioda ACT i popularne problemy dla Raspberry B, B+ i A+

Usunięty

Uszkodzony

Bootcode.bin B: ACT nie mruga

ACT nie mruga

A+: ACT świeci ciągle

B+: ACT świeci ciągle

start.elf

B: 4

B: ACT nie mruga

B+: 4

B+: ACT nie mruga

A+: ACT świeci ciągle

fixup.dat

Startuje, ale...

kernel.img

B, B+, A+: 7 błysków ACT

B, B+, A+: ACT mruga podczas ładowania jądra, proces się nie kończy,

ze względu na błąd dekompresji (wyświetlany na konsoli)

mogłyby być całkiem interesujące. Najlepiej jednak

po prostu pamiętać o robieniu kopii zapasowej.

Pewne wątpliwości mogą dotyczyć plików

„fixup.*”. Generalnie wszystkie źródła podają,

że są one konieczne do uruchomienia urządzenia.

Ja usuwałem je z karty... i Raspberry startował.

Problemy pojawiały się jednak przy wykrywaniu

i dzieleniu pamięci. Bez „fixup.*”:

• B+: Raspberry wykrywał jedynie 256 MB całko-

witej pamięci (z 512 MB fizycznych);

• B+: podział pamięci nie odzwierciedlał ustawień

„/boot/config.txt” (oprócz „gpu_mem=16”);

• B: podobnie;

• A+: zachowywał się podobnie (A+ ma 256 MB

RAM).

Gdy system startowałem tylko z plikiem „fixup_cd.

dat” na karcie – jedynie dla „gpu_mem=16” konfi-

guracja pamięci wydawała się poprawna. Jego brak

(przy jednoczesnej obecności „fixup.dat”) sprawiał

problemy dla tego ustawienia. Wszystkie te ekspery-

menty obrazuje

tabela 3.

Oczywiście powyższe doświadczenia możemy

traktować jedynie w kategorii ciekawostek. Musicie

wziąć poprawkę na to, że w niestandardowych sy-

tuacjach narzędzia (takie jak „free” czy „vcgencmd”)

mogą zwracać zafałszowane rezultaty. Dodatkowo

przeprowadzałem jedynie testy uruchomienio-

we. Głębsza diagnostyka mogłaby wykazać więcej

problemów. Do czego więc te informacje mogą się

Wam przydać? Jeżeli zauważycie problemy z ilością

pamięci dostępnej dla Raspberry lub z jej podzia-

łem – upewnijcie się, że pliki „fixup.*” znajdują się

na karcie i są poprawne. Jeżeli to nic nie da – po-

nownie wypalcie kartę. To zresztą najlepsza rada

na większość bolączek.

Poziom tekstu: średnio trudny

SZKOŁA

Tajemnica 4: start Linuksa

Gdy „start.elf” załaduje jądro Linuksa do pamięci,

GPU ustawia CPU w stan aktywny. CPU rozpoczyna

wykonywanie kodu jądra zgodnie z parametrami

z „cmdline.txt”. Trzeba by obszernej książki, żeby

opisać wszystko, co się wtedy dzieje. Dość wspo-

mnieć, że inicjowane są urządzenia, ładowane

sterowniki dla nich, montowane systemy plików

(m.in. „/”) itd. Przeskoczymy do końca tej procedu-

ry, koncentrując się na domyślnym dla Raspbiana

sekwencyjnym sposobie inicjacji typu

SystemV.

Wprowadzimy teraz pojęcie poziomów uruchamia-

nia (ang.

runlevel;

[3], [7]):

• S – początkowy, inicjuje sprzęt;

• 0 – zamykanie systemu po komendzie „sudo

halt” lub „sudo shutdown now”;

• 1 (ang.

single-user)

– tryb pojedynczego użytkow-

nika przeznaczony do administracji systemem;

czasami możecie go doświadczyć w przypadku

uszkodzenia systemu plików;

• 2 – tryby dla wielu użytkowników (ang.

multiuser);

• 3, 4, 5 – dla Raspbiana identyczne z 2;

• 6 – restart systemu, po komendzie „sudo reboot”

lub „sudo shutdown -r now”.

Tabela 3. Doświadczenia z plikami „/boot/fixup*.dat”

gpu_mem

Bez fixup.*

Tylko fixup.dat

w config.txt

[gpu MB/cpu MB]

B+: 16 MB

16/240

Tylko 256 MB!

B+: 32/64/128/256

128/128

Zgodnie z ustawieniami, 512 MB – OK

Tylko 256 MB!

A+: 16 MB

16/240

OK?

A+: 32/64/128

128/128

Zgodnie z ustawieniami, 256 MB – OK

Niezgodnie

z ustawieniami

A+: 256 (eksperyment) 128/128

Ciekawe: 192/64

Tylko fixup_cd.dat

[gpu MB/cpu MB]

16/496

128/128

Tylko 256 MB!

16/240

128/128

Niezgodnie

z ustawieniami

128/128

m.technik – www.mt.com.pl – nr 3/2015

Plik z chomika:

sterownik1

Raspberry_PI_cz8.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: