1.2　樹莓派硬件

1.2.1　板載芯片

自從最初的樹莓派A/B型單片機計算機發布以來，樹莓派基金會陸續推出了多款針對不同應用場景和具體用例所研發的單片機微型計算機，比如Raspberry Pi Zero，就是常規樹莓派系列的“縮小版”，為了達到更小的體積，而移除了多余的USB口及有線網口，最終效果是可以做到接近綠箭口香糖的體積，功耗更是低至0.5W，僅為傳統版本的1/6。圖1-3所示為樹莓派Zero跟一枚25美分硬幣的大小比較。

雖然其功耗和性能成正比，但是樹莓派的各種系列都有一個共同的特點，就是其兼容性特別好，在某一款樹莓派上編寫的軟件，拿到其他版本上可以照常運行，因為所有樹莓派使用同一款系統鏡像，哪怕是2012年推出的最古老的樹莓派，依然可以運行2018年發布的最新樹莓派官方操作系統鏡像。雖然速度可能會非常慢，但是我們使用單片機計算機時，速度并不是首要考量的，便攜、低功耗、快速批量部署才是我們的首選考慮，不是嗎？

接下來，我們觀察一下樹莓派單片機計算機。跟我們平時司空見慣的計算機將電路板包裹得嚴嚴實實不同，樹莓派為了實現低成本，將計算機原本的樣子毫無遮掩地暴露在工程師面前，甚至連個殼子都沒有，可見為了成本極盡所能。樹莓派板子上密密麻麻地分布著各種元器件和接口，由于其裸露在外的特性，肉眼即可分辨出哪些是CPU、內存、GPIO針腳，以及什么接口要接什么樣的設備。當然，我們可以肯定的一點是，必須接上一些外圍設備，才能點亮這塊單片機。至少也得有TF卡、鍵盤、鼠標和顯示器吧。

我們開始上手把玩樹莓派的時候，盡量保證樹莓派為如圖1-4所示的方向，這樣后續學習的過程中，做GPIO針腳拔插部分的實驗時，會易于分辨方向。接下來的介紹就是以這個視角進行的。

和傳統計算機的組成方式一樣，樹莓派也是由各種各樣的零部件組成的。首先我們來看樹莓派的“大腦”——博通Broadcom BCM2837B0型號SoC（system-on-chip），它位于樹莓派板子的“心臟”位置，蓋著金屬片的就是，如果把這塊金屬蓋板拿掉，就可以看到內部的芯片，該SoC內部已經包含中央處理器（CPU）和圖形處理芯片（GPU）。

計算機三大部件——CPU、內存和硬盤，內存是系統運行的載體。內存在哪里呢？在樹莓派的反面，有且僅有一塊小的黑色塑料方塊，那里就是樹莓派的隨機存取器（RAM），也就是我們常說的運行時內存，系統和軟件運行在內存中，只有需要保存的文件和資料（系統和軟件本身也是文件）才會存儲在硬盤中，樹莓派沒有內置硬盤，樹莓派的硬盤就是我們刷寫鏡像時的TF卡。

在樹莓派板子的右上方，有一塊由印著樹莓派LOGO的金屬板覆蓋的元器件，那里是樹莓派的無線傳輸模塊。樹莓派的無線傳輸模塊由兩部分組成，一部分是WIFI模組，可以連接路由器上網，也可以運行在host模式下，自身作為熱點組建路由器；另一部分是藍牙模組，這個大家也很熟悉，例如平時我們用的藍牙音箱、耳機，甚至可以與藍牙手機、計算機通信，發射和接收藍牙文件，也可以作為智能家居的Hub，控制其他帶有藍牙功能的智能家居設備。

在頂部還有一塊黑色塑料片一樣的芯片，這是樹莓派的網絡和USB控制器，負責控制網口和USB口的數據。還有一塊更小的綠豆一樣大的黑色芯片在它旁邊，那是電源管理芯片（PMIC），負責穩定MicroUSB輸送進來的電壓和電流。講這些芯片并不是說我們要全部掌握這些芯片的內部原理，了解一下即可，使用樹莓派并不需要理解硬件的工作方式。

1.2.2　板載接口

跟我們正常遇到的臺式機一樣，樹莓派也有多個擴展接口，如圖1-5所示。我們先來看平時用到最多的USB接口。USB接口全稱為通用串行總線（Universal Serial Bus），樹莓派一口氣配了4個，相當豪爽，一般臺式機主板上也就配4個，我們把U盤、鍵盤、鼠標、攝像頭全部接上都夠用了。有些可惜的是，這4個USB接口都是2.0的，不過說實話，我們使用樹莓派的目的也不是為了它超高速的IO。

跟USB口并列的是以太網網口，可以用這個端口來連接家庭路由器、局域網等有線網絡，配套接口為RJ45水晶頭網線端口。這個網口配有數據傳輸LED燈，在進行IO和數據吞吐的時候，LED燈保持閃爍，跟臺式機主板相同。而且該板載網卡的規格已經支持最高千兆，為10/100/1000MB自適應有線網卡。

在網卡上方的是3.5毫米AV音視頻接口，這個接口首先可以用來連接耳機，因為它本身就是一個耳機孔，當然如果你連接外放的話，音效其實也是很不錯的，值得推薦。其次，這個接口里還集成了視頻輸出功能，支持將視頻輸出到老式的電視機上，還記得小時候家里的DVD都是這種AV線嗎？樹莓派也支持這個功能（見圖1-6）。

在3.5毫米AV音視頻接口上方的條狀的帶蓋子的黑色接口是樹莓派的攝像頭接口（Camera Serial Interface，CSI），可以連接一些專為樹莓派設計的攝像頭，攝像頭在當今社會被廣泛應用到社區、學校、街道、商店等各個角落，隨著學習的深入，接下來我們會學習攝像頭、圖像，甚至視頻的更多知識。

在攝像頭接口上方則是我們用的比較多的HDMI（High-Definition MultiMedia Interface），全稱為高清晰度多媒體接口。這個接口現在已經普及得非常好了，一般機頂盒、游戲機、電視機、顯示器等已經普及了這個接口。從名字就看得出來，高清晰度意味著高質量，多媒體意味音頻視頻都支持。我們在日常使用樹莓派的過程中，也是使用的HDMI接口，可以連接到電視機、顯示器或者投影儀等任何支持HDMI接口的設備。

再往上是Micro-USB電源接口，樹莓派相比其他開源硬件的一個優勢是通常使用已經完美普及的接口，比如采用和手機相同的Micro-USB接口，肯定比采用路由器的那種圓孔電源接口要好很多，很容易找到一根USB轉Micro-USB的電源線，然后連接起來，插到計算機上就可以開機了。一般情況下，連接5V 2.5A的標準USB輸出即可滿足供電，但是外接USB設備過多的情況下，可能要適當增加電壓。

最后，在最上方有一塊很像攝像頭接口的條狀帶蓋子的接口，其實這并不是攝像頭接口，這是樹莓派的顯示接口（Display Serial Interface），用來連接樹莓派觸摸屏顯示器。

在樹莓派的右上方，可以看到由40個引腳排成兩排組成的GPIO（General Purpose Input/Output，通用輸入輸出）接口，該接口就是樹莓派從軟件到硬件轉化過程中的關鍵組件，樹莓派通過控制該接口的電壓／電平來控制LED、開關、舵機、傳感器、手柄等硬件設備。后面我們會詳細學習有關該接口的知識。在GPIO接口的下方，有一個由4個引腳組成的POE接口，該接口用來從以太網設備中獲得供電，當然使用該功能需要一個外接設備模塊，以及相應的網絡設備的支持。

最后我們把板子翻過來，可以看到在最上方有一個TF卡的卡槽，這里就是樹莓派的“硬盤”，樹莓派文件系統、軟件、資料、系統分區等都存放在TF卡中，插在這個卡槽內。我們刷寫好鏡像之后，將TF卡插到這個卡槽內，就可以引導和啟動系統。當然，在最新的樹莓派3B+上，插在USB口的U盤也是可以引導系統的。不過個人覺得TF卡不占空間，會美觀很多。

1.2.3　專用拓展

前面學習到，樹莓派是無法獨立工作的，這就好比買回一個臺式機主機，還需要配顯示器、鍵鼠、音箱一樣的道理。樹莓派至少需要TF卡（或U盤）、5V/2.5A的電源、顯示器、鍵鼠才能開始正常的工作，至于音箱、局域網等在需要時連接也沒有問題。

上面這些外設可以用任意一家品牌的，只要質量信得過即可，或者挑身邊正在用的就行。有一些外設是樹莓派官方出的，專門為樹莓派配套生產的，可以供用戶選購，比如官方的樹莓派外殼，用于保護樹莓派主板及元器件免受來自外界的傷害；樹莓派的官方攝像頭，可以直接插在攝像頭接口上，免驅直拍；樹莓派觸摸屏，可以插在觸摸屏接口上，提供視頻播放和觸摸控制的功能；傳感器擴展板，提供了加速計、氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等諸多功能，這些模塊都可以在樹莓派官方商城（見圖1-7）獲取詳細信息，然后在淘寶上采購。

除了樹莓派官方為樹莓派開發的外設之外，遍布全球的樹莓派愛好者也為樹莓派開發了形形色色的外設，從筆記本外殼、游戲機外殼到第三方聲卡、顯示器、網卡以及各種傳感器和擴展板，數不勝數。在淘寶上搜索“樹莓派擴展”，可以得到2784個結果，可以說想要把這些擴展外設全都玩一遍是不可能的，所以我們還是關注想要使用樹莓派來做什么，達成什么樣的目的，這樣才能做到有的放矢、收放自如。