课程1：昉·星光开发板使用基础和GPIO点灯
昉·星光开发板搭载RISC-V SiFive U74双核64位RV64GC ISA的芯片平台(SoC)及4GB LPDDR4 RAM，具有丰富的外设I/O接口，如USB3.0、40-Pin GPIO Header、千兆以太网、MicroSD卡插槽等，为开发者提供了一个完善的创新应用平台。
本次课程为昉·星光开发板IoT开发系列课程的第一讲，将带领同学们了解昉·星光开发板的硬件情况，那装Ubuntu官方提供的RISC-V版本Ubuntu系统并学习基础使用，然后在通过板载的GPIO接口控制LED。
一、学习目标
- 了解昉·星光开发板硬件
- 学习昉·星光开发板安装RISC-V版本Ubuntu系统
- 学习昉·星光开发板通过GPIO控制LED
二、准备工作
在开始本次课程的实际操作之前，同学们需要做好一些准备工作，课程中涉及到的硬件如下：
- 开发板：昉·星光开发板
- LED：
- 单色LED模块
- 双色LED模块
- 红绿灯模块
- LED：
- 存储卡：闪迪32G高速存储卡
- USB2TTL模块：CP2102 USB转串口模块
- Type-C数据线：1条
- 杜邦线：若干
除了以上的需要的准备的硬件外，我们还需要一台电脑连接到昉·星光开发板进行操作和编程。昉·星光开发板也支持通过HDMI连接到显示器进行操作，但本课程的内容，主要为通过电脑进行远程操作。
三、了解昉·星光开发板硬件
通过《昉·星光单板计算机快速入门指南》，我们可以了解到昉·星光开发板的具体规格，以及各组成部分：
要进行IoT开发，我们关注的主要重点为40 Pin GPIO Header(以下简称40Pin)，其具体的定义如下：
在上图中，所有的GPIO引脚都可以配置为不同的功能，包括但不限于SDIO、Audio、SPI、I2C、UART和PWM。请注意每个GPIO引脚的最大安全电流为39mA，但是当多个GPIO同时使用时，总电流应小于100mA，超过最大值将损坏引脚。
本次课程，将会用到40Pin中的GPIO13(UART RX)、GPIO14(UART TX)、GPIO0、GPIO2、GPIO4、GND。
四、昉·星光开发板安装RISC-V版本Ubuntu系统
拿到昉·星光开发板之后，第一件事情，就是安装系统。在官方社区，提供了多种系统可供选择，我们这里选择Ubuntu官方提供支持的RISC-V版本Ubuntu。
4.1. 下载RISC-V版本Ubuntu系统
下载地址：Download Ubuntu for RISC-V Platforms | Ubuntu
下载的具体文件如下：
注意：下载的文件名中，需要包含 visionfive，才表示是专门适配昉·星光开发板的版本。
4.2、安装RISC-V版本Ubuntu系统
因为Ubuntu官方提供的适配版本是preinstalled-server的镜像文件，所以只需要将该镜像，写入到MicroSD卡上，就可以使用了。
将MicroSD卡插入读卡器，连接到电脑上，然后参考下面的步骤进行操作。
4.2.1 Linux或macOS电脑
在Linux系统或macOS系统上，不需要额外的工具，使用系统提供的xz和dd命令即可。
- Linux系统安装：
# 请在读卡器插入前后，分别执行一次，查看新增的存储设备(如/dev/sdb)，执行dd命令的时候需要使用；切勿选择错误
sudo fdisk -l
# 根据上一部的结果，卸载挂载的分区，具体数量，根据上一部结果而定
sudo umount /dev/sdb1 /dev/sdb2 /dev/sdb3 /dev/sdb4
# 解压镜像文件压缩包
xz -d ubuntu-22.04.1-preinstalled-server-riscv64+visionfive.img.xz
# 写入镜像到MicroSD卡
sudo dd if=ubuntu-22.04.1-preinstalled-server-riscv64+visionfive.img of=/dev/sdb bs=1m status=progress
- macOS系统安装：
# 请在读卡器插入前后，分别执行一次，查看新增的存储设备(如/dev/disk2)，执行dd命令的时候需要使用；切勿选择错误
sudo diskutil list
# 根据上一部的结果，卸载挂载的分区
sudo diskutil unmountDisk /dev/disk2
# 解压镜像文件压缩包
xz -d ubuntu-22.04.1-preinstalled-server-riscv64+visionfive.img.xz
# 写入镜像到MicroSD卡
dd if=ubuntu-22.04.1-preinstalled-server-riscv64+visionfive.img bs=1m | pv -s 5G | sudo dd of=/dev/disk2 bs=1m
4.2.2 Windows电脑
在Windows电脑上，可以使用Win32 Disk Imager工具来将镜像文件写入MicroSD卡，操作步骤如下：
- 解压下载的镜像文件压缩包
- 下载win32diskimager-1.0.0-binary.zip并解压
- 使用Win32 Disk Imager写入镜像：
注意：选择的镜像文件后解压后的ubuntu-22.04.1-preinstalled-server-riscv64+visionfive.img文件。
写入完成后，取下读卡器和MicroSD卡，但先不要插入到昉·星光开发板的MicroSD卡插槽中。
五、RISC-V版本Ubuntu系统基础使用
在系统启动时，为了方便查看到启动过程，可以使用HDMI将昉·星光开发板连接到显示器查看。
既然是搞IoT开发，那这里就使用USB2TTL模块连接开发板，进入串口终端查看启动过程，并进行操作。
待网络设置好以后，后续就可以通过ssh远程连接到昉·星光开发板进行操作了。
5.1 连接昉·星光开发板串口
参考下图，将USB2TTL模块与昉·星光开发板做好连接，然后接入到电脑：
实物连接如下：
5.2 连接串口终端
- Linux或macOS系统：
# 请在USB2TTL模块插入前后，分别执行一次，查看新增的串口设备，如tty.usbserial-0001
ls -l /dev/ | grep -Ei "tty.*usb"
# 安装minicom，请根据系统实际情况使用包管理命令安装
# 如Ubuntu: sudo apt install minicom
# 如macOS: brew install minicom
# 连接到串口终端
minicom -c on -b 115200 -D /dev/tty.usbserial-0001
# 如果要退出minicom，可以按Esc+Z，再按X
-
Windows系统：
-
先通过系统设备管理器查看连接到的串口设备：
-
再使用Putty连接串口终端：
- Putty下载地址：https://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/putty/latest.html，下载【64-bit x86: putty.zip】
- 下载解压后，运行其中的putty.exe打开连接设置界面，进行设置连接：
-
-
连接成功后，将昉·星光开发板上电，就可以看到启动信息了；如果没有看到，请检查USB2TTL与昉·星光开发板的连线是否松动，并按RST按键重启，检查是否有启动信息输出。
5.3 启动Ubuntu系统
将昉·星光开发板断电，将MicroSD卡插入MicroSD卡插槽，然后上电，就能再次看到启动信息，并启动MicroSD卡上的Ubuntu系统了。
首次启动时，Ubuntu系统需要进行一些初始化，才能进行登录，所以请稍等一会，待出现以下提示信息后：
再使用默认用户ubuntu和默认密码ubuntu进行登录。首次登录时，会提示修改密码：
注意：后续的命令行操作，如非特别说明，默认情况下，都指通过ssh连接到昉·星光开发板进行操作。
5.4 Ubuntu系统基础设置
登录到Ubuntu系统之后，我们需要进行一些基础的设置，以便系统更好用，相关的指令如下：
# 设置系统时区：
sudo tzselect
# 依次输入Asia、China、Beijing Time、Yes 选项所对应的数值并回车即可
# 当前环境生效
echo "TZ='Asia/Shanghai'; export TZ" >> ~/.profile
. ~/.profile
# 查看当前时间
date
# 输出类似：Tue Jun 28 02:45:05 CST 2022，时区为CST表示设置正确，但是时间不对，后面将安装ntp进行同步
# 设置WiFi网络
ls /sys/class/net
# 输出：eth0 lo wlan0，其中wlan0表示WiFi接口
# 查看网络配置：
ls /etc/netplan/
# 输出：50-cloud-init.yaml，表示云连接初始化配置文件
# 修改云连接初始化配置文件
sudoedit /etc/netplan/50-cloud-init.yaml
# 按照如下格式，添加wifis及其后的wlan0部分，注意保持缩进关系
# 要退出，请按界面提示信息，按Ctrl+X，然后根据提示回车保存文件再退出
# 查看配置，应确保输入格式正确
cat /etc/netplan/50-cloud-init.yaml
# 修改好以后，应用新的配置
sudo netplan apply
# 查看网络配置：
ip addr show wlan0
从上面的信息可以查看到，WiFi连接成功，获得了192.168.1.117的IP地址。
注意：要连接到网络，也可以直接使用网线，将昉·星光开发板连接到路由器，将自动获得IP地址。为了更方便使用，首选无线网络连接。
为了方便后续的操作，建议在无线路由器中，参考看如下设置，进行昉·星光开发板WiFi Mac地址绑定：
后续的操作，都将使用在其他电脑上，通过ssh连接该ip地址到昉·星光开发板来进行。
到这里，就可以不再使用USB2TTL来进行串口连接了，除非后续遇到问题，系统无法正常启动联网，需要再次试用串口终端进行问题排查。
5.5 使用ssh连接到昉·星光开发板
- Linux或macOS系统：在Linux或macOS系统上，可以直接使用ssh命令进行连接：
ssh ubuntu@192.168.1.117
- Windows系统：在Windows系统上，可以使用连接串口终端的工具Putty进行连接：
ssh连接成成功后，可以尝试一下具体的操作：
# 更新apt索引
sudo apt update
# 更新系统
sudo apt upgrade -y
# 重启系统
sudo reboot
# 重启系统后，ssh需要重新连接
# 关闭默认时间同步服务
sudo timedatectl set-ntp no
# 安装ntp服务
sudo apt install ntp
# 查看ntpd可以连接到的服务器
ntpq -p
# 输出：为当前可以连接到的ntp服务器
# 查看当前时间
date
# 输出：Fri Oct 7 16:48:31 CST 2022 当前时间已经成功更新
# 以下操作更新系统的locales，以免ssh连接时出现以下错误：
# 登录成功后的错误提示：-bash: warning: setlocale: LC_ALL: cannot change locale (zh_CN.UTF-8)
sudo purge locales
sudo apt autoclean
sudo apt install locales
sudo /usr/share/locales/install-language-pack zh_CN.UTF-8
sudo dpkg-reconfigure locales
# 在设置界面中的每一步，都选择 zh_CN.UTF-8即可
# 设置完成后，使用ssh重新登录,将不会出现LC_ALL的错误提示，系统的locale也会自动设置
# ssh重新连接后查看当前系统时间：
date
# 输出：2022年 10月 07日 星期五 17:01:23 CST
六、通过GPIO控制LED模块
在前面的环节中，我们已经可以通过ssh连接到昉·星光开发板了，现在我们就可以开始通过GPIO控制LED模块了。
要在Ubuntu系统上操控GPIO，可以通过shell命令，也可以通过编程来实现，后续的课程中，我们使用的主要语言为Python。
6.1 单色LED模块的GPIO连线
单色LED模块只有两根线，一根接地，一根用于接收控制信号。
参考上图，将单色LED的【+】连接到40-GPIO0，【-】连接到39-GND，实物连线如下：
6.2 使用shell指令控制LED
连接后，我们通过如下的指令，就可以操控GPIO0，从而控制LED的亮灭：
# 进入系统gpio设备目录
cd /sys/class/gpio
# 启用GPIO0对应的GPIO设备
echo 448 | sudo tee export
# 设置输出方向
echo out | sudo tee gpio448/direction
# 输出1，点亮LED
echo 1 | sudo tee gpio448/value
# 输出0，熄灭LED
echo 0 | sudo tee gpio448/value
注意：在昉·星光开发板的Ubuntu系统中，GPIO0在系统中的GPIO设备号为448，GPIO1为449，其他均以此类推。
6.3 使用Python编程控制LED
要在Ubuntu上的Python中，操控GPIO，可以使用Python的gpio模块，需要先安装：
# 安装Python的包管理工具
sudo apt install python3-pip
# 安装Python的gpio包：https://github.com/vitiral/gpio https://test.pypi.org/project/gpio-test
sudo pip3 install -i https://test.pypi.org/simple/ gpio-test
安装完成以后，就可以编写程序控制GPIO了。
其他可供使用的Python的GPIO库：
- hankso/gpio4: Improved gpio module based on Sysfs and gpio3, drop-in replacement of RPi.GPIO (github.com)
- Python gpiod | loliot
6.3.3 控制单色LED模块
使用如下的指令编写Python程序：
# 建立专用目录
mkdir -p ~/projects/gpio
cd ~/projects/gpio
# 新建并编辑py脚本文件：
nano gpio_one_color.py
# 在上述界面，输入下面gpio_one_color.py的代码
# 要退出，请按界面提示信息，按Ctrl+X，然后根据提示回车保存文件再退出
gpio_one_color.py的代码：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/gpio/gpio_one_color.py
import time
# 引入GPIO模块
import gpio as GPIO
# 设置LED的GPIO设备号：GPIO设备号为448，GPIO1为449，其他均以此类推
LED = 448
# 设置该GPIO设备为输出
GPIO.setup(LED, GPIO.OUT)
# 死循环
while True:
# 输出高dmpk
GPIO.output(LED, GPIO.HIGH)
# 延时1s
time.sleep(1.0)
# 输出低电平
GPIO.output(LED, GPIO.LOW)
# 再次延时1s
time.sleep(1.0)
注意：编写Python程序的时候，代码的缩进就表示了程序逻辑的层级，需要严格对齐。通常情况下，应使用空格来进行缩进，而不要使用Tab制表符。
编写完上述的程序，使用如下的指令执行：
sudo python3 ./gpio_one_color.py
执行后，单色LED就会一秒一次，交替亮灭。
6.3.3 控制双色LED模块
在控制单色LED模块的基础上，我们再进行双色LED模块的控制。
单色LED模块有两个线，双色LED模块有三根线，一根为接地，另外两根分别用于控制两个颜色，实际上是控制其内部的两个LED。
参考上图，将双色LED模块的【-】连接到39-GND，将另外两脚bb别连接到40-GPIO0、38-GPIO2，实物；连接如下：
然后编写参考编写 gpio_one_color.py 的指令，编写 gpio_two_color.py 程序，具体代码如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/gpio/gpio_two_color.py
import time
import gpio as GPIO
LED1 = 448
LED2 = 450
GPIO.setup(LED1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(LED2, GPIO.OUT)
while True:
GPIO.output(LED1, GPIO.HIGH)
GPIO.output(LED2, GPIO.LOW)
time.sleep(1.0)
GPIO.output(LED1, GPIO.LOW)
GPIO.output(LED2, GPIO.HIGH)
time.sleep(1.0)
代码的基本逻辑，为交替输出高低电平，从而控制双色LED模块内部两种颜色对应的LED的亮灭。
编写完毕，使用下面的命令执行：
sudo python3 gpio_two_color.py
程序运行后，双色LED灯的两种颜色，就会交替点亮：
6.3.3 控制交通灯模块
单色LED模块有两根线，双色LED模块有三根线，交通灯模块有三个灯四根线，类似双色LED模块，一根线用于接地，另外三根线，用于控制红黄绿三种颜色。
参考上图，分别连接好交通灯模块的4根线，实物连接如下：
然后，编写如下的程序：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/gpio/gpio_traffic_led.py
import time
import gpio as GPIO
LED_R = 448
LED_Y = 450
LED_G = 452
GPIO.setup(LED_R, GPIO.OUT)
GPIO.setup(LED_Y, GPIO.OUT)
GPIO.setup(LED_G, GPIO.OUT)
while True:
GPIO.output(LED_R, GPIO.HIGH)
GPIO.output(LED_Y, GPIO.LOW)
GPIO.output(LED_G, GPIO.LOW)
time.sleep(1.0)
GPIO.output(LED_R, GPIO.LOW)
GPIO.output(LED_Y, GPIO.HIGH)
GPIO.output(LED_G, GPIO.LOW)
time.sleep(1.0)
GPIO.output(LED_R, GPIO.LOW)
GPIO.output(LED_Y, GPIO.LOW)
GPIO.output(LED_G, GPIO.HIGH)
time.sleep(1.0)
编写完毕，使用下面的命令执行：
sudo python3 gpio_traffic_led.py
程序运行后，交通灯模块的三种颜色的灯，就会依次点亮：
七、总结
在这次课程中，我们学习了昉·星光开发板的硬件，及RISC-V版本Ubuntu系统的安装和基础使用。然后，我们又学习了使用shell命令控制LED，使用Python程序控制LED。
学习IoT开发，点灯就是“Hello World”，点亮就是成功了一半！希望大家都能跟随本课程，学用结合，收获满满！
八、课后作业
- 了解 Python语言的语法：Python3 菜鸟教程 (https://www.runoob.com/python3/python3-tutorial.html)
- 找到7个LED，编写Python程序进行控制
- 找到一段单音节的简谱，结合LED控制和延时，实现LED跟随音符点亮