當(dāng)你花35美元買到一部樹莓派(Raspberry Pi)計(jì)算機(jī)的時候，機(jī)器里面是沒有預(yù)裝操作系統(tǒng)(OS)的。這個時候你要自己下載一個OS到SD卡，插到樹莓派上重啟完成OS的安裝。這一切看起來很簡便，但你考慮過這個跟樹莓派兼容的OS是哪里來的嗎?

其實(shí)，樹莓派的操作系統(tǒng)Raspbian的來歷可不簡單。它誕生的前提是，每周60個小時的工作量，處理一大堆自建的ARM計(jì)算機(jī)以及重建19000組Linux軟件包。而這一切，都是由兩名志愿者完成的。他們是：麥克·湯姆森(Mike Thompson)和彼得·格林(Peter Green)。

正像樹莓派機(jī)器本身一樣，它的操作系統(tǒng)也是一次意外的成功

適合于樹莓派的OS有很多，盡管如此樹莓派基金會還是要為你指定一個最兼容的來用。當(dāng)一年前樹莓派誕生的時候，首選的OS是紅帽為ARM處理器特別訂制的Fedora;而幾個月后Fedora就失寵被Raspbian取代。

Raspbian的基礎(chǔ)是Debian操作系統(tǒng)。兩位志愿者針對樹莓派硬件對Debian進(jìn)行了專門的優(yōu)化和移植。而Raspbian不僅僅是一個OS，它附帶著35000個軟件包以及預(yù)編譯的軟件。

Raspbian項(xiàng)目的開展得益于麥克·湯姆森。他曾是Atomz公司的聯(lián)合創(chuàng)始人和CTO，在2005年該公司被WebSideStory收購，湯姆森獲得了450萬美元的分紅。之后他便帶著家人四處旅游。直到一年前，湯姆森決定回歸科技領(lǐng)域再創(chuàng)一番事業(yè)，并把目光投向了機(jī)器人科學(xué)。而樹莓派看起來像是一個不錯的發(fā)展平臺;它價格足夠低廉，體積足夠輕便，特別適合嵌入到其他大的系統(tǒng)中?？上漭蓻]有一個針對其浮點(diǎn)單元(Floating-point Unit，又稱浮點(diǎn)運(yùn)算器)全面優(yōu)化的OS;而浮點(diǎn)單元在機(jī)器人技術(shù)以及其他需要大量數(shù)學(xué)計(jì)算的應(yīng)用中都是至關(guān)重要的。

“當(dāng)我第一次聽說樹莓派的時候，我感到很失望。因?yàn)樗羞m用于該機(jī)器的Linux發(fā)行版中，沒有現(xiàn)在樹莓派上具備的浮點(diǎn)單元。”湯姆森說道，“做為一個長期的Debian用戶，我更希望看到Debian(而不是Fedora)運(yùn)行在樹莓派上。而我也希望看到一個能支持浮點(diǎn)單元的OS”。

Debian系統(tǒng)為ARMv7處理器添加了浮點(diǎn)單元支持，但對于樹莓派使用的ARMv6處理器則沒有。“Debian這時看起來不像是能在樹莓派上運(yùn)行的系統(tǒng);即便ARMv6處理器具備運(yùn)行浮點(diǎn)單元的能力，但Debian就是不支持。”湯姆森回憶道，“這樣一來，Debian上成千上萬的軟件包(Software Package)在樹莓派上就沒有了用武之地”。

就好比一個GPU能快速處理圖像編譯工作一樣，“一個浮點(diǎn)單元同樣能進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)計(jì)算，”湯姆森稱，“它不是一臺計(jì)算機(jī)必備的附件，但當(dāng)它運(yùn)作的時候你就想把它的功能發(fā)揮到最大”?，F(xiàn)在浮點(diǎn)單元是樹莓派片上系統(tǒng)(SoC)Broadcom BCM2835的一部分。

“如果你不讓硬件上的浮點(diǎn)單元發(fā)揮最大計(jì)算水平，那么很多的數(shù)學(xué)運(yùn)算都要交給軟件處理。這就延長了樹莓派執(zhí)行任務(wù)的時間。這在機(jī)器人技術(shù)很重要，因?yàn)橐幚韥碜韵袷菙z像頭、傳感以及馬達(dá)等設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以控制精度和速度。”湯姆森說道。同時浮點(diǎn)單元的計(jì)算能力對于多媒體數(shù)據(jù)處理也很重要，比如解碼音樂文件和進(jìn)行物理模擬，或者是“任何需要大量計(jì)算的操作”。

一次富有成效的合作

擺在湯姆森面前的路十分清晰：重建Debian系統(tǒng)，以讓其能在樹莓派上運(yùn)行。但這需要從Debian上移植19000組軟件包至Raspbian上，工作量十分龐大。

為此，湯姆森在樹莓派論壇開設(shè)了一個帖子，召集對于將Debian移植到樹莓派感興趣的人。而這個帖子引起了彼得·格林的注意。彼得·格林是一個Debian系統(tǒng)開發(fā)者，英國的PhD，同時也是論壇中的“plugwash”(他的ID)。

“我覺得我是在論壇中討論將Debian變成Raspbian的人中，唯一一具備足夠的Debian知識、能讓項(xiàng)目成功的人。”格林說道，“我想其他Debian開發(fā)者如果足夠執(zhí)著和瘋狂，他們也能完成Raspbian這項(xiàng)工作”。

當(dāng)湯姆森和格林開始Raspbian項(xiàng)目的時候，樹莓派的機(jī)器其實(shí)還沒有成型。即便成型、量產(chǎn)了，也未必有足夠的時間去重建Debian系統(tǒng)。為此，湯姆森用8個飛思卡爾iMX53快速啟動主板，每個配備1G內(nèi)存和1GHz ARMv7處理器，以及SATA硬盤組建了一臺試驗(yàn)機(jī)。這臺機(jī)器花費(fèi)了湯姆森近3000美元，不過好來通過募捐填補(bǔ)了這部分花銷。除了這套單片機(jī)ARM系統(tǒng)外，還有一臺Linux PC用來當(dāng)服務(wù)器，作為Raspbian的存儲庫(Repository )。這臺服務(wù)器從Debian的存儲庫中檢索資源包，為飛思卡爾系統(tǒng)分配任務(wù)，并收集二進(jìn)制軟件包。“重建好的軟件包都被放在存儲庫中，然后同步到www.raspbian.org服務(wù)器上的外部存儲庫中，供用戶抽取軟件包”。湯姆森解釋道。

起初，湯姆森采用了基于ARM的惠普Media Vault MV5150 來當(dāng)軟件存儲庫，但后來當(dāng)存儲需求上升時便升級到了基于英特爾的系統(tǒng)。盡管每塊飛思卡爾主板都有自己的硬盤用來存儲構(gòu)建中的軟件包，但是主要的存儲任務(wù)還是交給了服務(wù)器上的500G硬盤來處理(目前已用完2/3的空間了)。下圖是湯姆森組建的這臺試驗(yàn)機(jī)。

當(dāng)然，湯姆森和格林并非是從零開始。Debian已經(jīng)成為了應(yīng)用范圍很廣的Linux OS，它對ARMv7的支持為研發(fā)工作提供了一個堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。“我們充分利用了Debian項(xiàng)目組之前在ARMv7上運(yùn)行浮點(diǎn)單元所得到的成果。”湯姆森說道，“除了要重建19000組軟件包以外，其實(shí)對于在樹莓派上運(yùn)行Debian的工程，Debian項(xiàng)目組已經(jīng)完成了95%”。當(dāng)然這并不是說湯姆森和格林把ARMv6及浮點(diǎn)單元帶到Debian上是徒勞無功的。對此，湯姆森解釋道：[!--empirenews.page--]

Debian系統(tǒng)中的編譯器有內(nèi)置的默認(rèn)設(shè)置。這些默認(rèn)設(shè)置設(shè)定了CPU單元、CPU最低需求以及應(yīng)用二進(jìn)制界面(ABI)等。而大部分軟件包并不受這些設(shè)定控制。我們在ARMv6上對編譯包進(jìn)行了改良，減少了默認(rèn)設(shè)置的數(shù)量。

大部分的原始工作都是人工的，不過格林最終創(chuàng)建了一個自動構(gòu)建器軟件來完成所有的軟件包構(gòu)建工作。這個基于Chroot環(huán)境的構(gòu)建器至今仍在運(yùn)行，它能及時地把Debian存儲庫中的新軟件包自動轉(zhuǎn)譯到Raspbian中。同時，這些自動構(gòu)建器還能監(jiān)測到各種阻礙自動轉(zhuǎn)譯程序的問題。2012年4月20日，Raspbian的限制版開放下載，只包含了5%的Debian軟件包。

重建19000個軟件包

Debian ARM版中有36000個軟件包需要進(jìn)行移植。幸運(yùn)的是，有17000個不包含任何可執(zhí)行代碼，因此直接轉(zhuǎn)移到Raspbian上即可。這些軟件包包括諸如幫助文件、說明書、軟件包文檔、字體等不可執(zhí)行的東西。而其余19000個軟件包則包含可執(zhí)行代碼，龐大的工作量直到去年6月初才全部完成。對于湯姆森來說，這簡直就是3個月的全職工作，“有幾周我的工作時間達(dá)到了60至80個小時”。

湯姆森估計(jì)約有5%的Debian軟件包無法成功地通過自動構(gòu)建器進(jìn)行編譯。這意味著他和格林要手動改寫任何專門為ARMv7設(shè)計(jì)的代碼，并將其重建以適應(yīng)ARMv6處理器。此外，大約有50至100個軟件包是壓根不能轉(zhuǎn)譯的。“這些軟件包是諸如調(diào)試器等專門給ARMv7處理器設(shè)計(jì)的東西。有一些甚至在樹莓派上根本沒有存在的意義。”湯姆森解釋道。

Raspbian的用戶界面其實(shí)是可有可無的。由于樹莓派主要用于編程教學(xué)，它的默認(rèn)用戶界面包含了一個Python開發(fā)環(huán)境。下圖是Raspbian的默認(rèn)界面。

Raspbian取代了Fedora——而且還會繼續(xù)改進(jìn)

上文提到過，樹莓派起初采用的是一款基于ARM的Fedora OS。然而Fedora對內(nèi)存的需求成了絆腳石——樹莓派的初版只有256M內(nèi)容(現(xiàn)在新版的有512M內(nèi)存)。樹莓派的創(chuàng)始人Eben Upton表示，他們在2012年5月份放棄了Fedora，然后又向用戶推薦Debian系統(tǒng)，“當(dāng)Raspbian在8月份誕生時又轉(zhuǎn)而推薦這款OS”。

較小的內(nèi)存占用、易用性以及對浮點(diǎn)單元的支持成為了Raspbian制勝的關(guān)鍵因素。目前針對樹莓派的Fedora系統(tǒng)仍然在研發(fā)中，不過樹莓派官方的下載頁面只推薦了Raspbian、Arch Linux ARM和RISC OS。