Raspberry Pi：透過序列埠登入系統

Raspberry Pi系統出問題時，若畫面上黑漆漆一片什麼都沒有，便很難找出問題所在，不過Raspberry Pi有Serial（序列）傳輸介面，只要加上「USB轉Serial」能力，便可連接個人電腦，我們就可以登入系統，觀看Raspberry Pi開機初期的訊息，分析可能有問題的地方。

註：若不清楚TTL、UART、Serial的意思，請參考我寫的「Arduino與AVR微控制器相關詞彙」。

我們需要一個叫做USB轉換器的東西，其作用就是在「USB」與「Serial/TTL/UART/RS-232/RS-485」之間做轉換，現今個人電腦大概都沒有RS-232與RS-485，所以這一篇不討論，而Serial/TTL/UART在此其實代表相同的意義，只不過詞彙並未統一、常常混用，也就是說，我們需要的是「USB轉Serial」，但也常以「USB轉TTL」、「USB轉TTL Serial」、「USB轉UART」、「USB轉序列埠」稱呼。

總結而言，從個人電腦，透過USB埠， 中間經由「USB轉Serial」，最後接到Raspberry Pi的序列埠，而Raspbian預設會開啟此序列埠、並啟動主控台，所以連線後便可以看到開機訊息，也可以輸入帳號密碼登入系統，如同實體連接的螢幕鍵盤。

擁有此功能的產品大概分為兩大類，一類含有USB轉換功能晶片的電路板，以下簡稱為轉接卡，另一種則是內建USB轉換功能晶片的線材，以下我簡稱為轉接線。

轉接卡，產品很多。


轉接線，產品也很多。


轉接線的USB頭比一般的還大，打開後便可看見裡頭的晶片與電路板。


不管是哪一類，其核心便是一顆負責USB轉換功能的晶片，譬如FTDI的FT323RL，非常有名，但也昂貴，另外台灣IC設計廠商旺玖科技（Prolific）也有USB介面橋接晶片的產品，此外還有Silicon Labs的CP2102。如果到網路上、拍賣網站上搜尋，便可以找到各家以這些晶片製出來的USB轉換電路板或線材，也可以知道價位。

序列傳輸介面最基本需要四條線路：電源、接地、傳送、接收，但較好的產品，其針腳或連接線數目較多，可能有RTS/CTS流量控制、DTR/DSR、等等，都是一些較為進階的功能，本篇不會使用。

另外要注意轉接產品訊號線路的電壓準位，雖然都可稱為TTL Serial，但有些是5V，有些是3.3V，而Raspberry Pi的GPIO針腳所能承受的電壓為3.3V，所以要注意。

我買了兩項產品，《icshopping_com》USB轉TTL線以及Adafruit的FTDI Friend。

轉接線，無名，就是USB轉Serial線，非常便宜，大概是因其內部晶片已經停產了。


轉接卡，產品名叫FTDI Friend，非常貴的USB轉TTL Serial電路板，使用FTDI FT232RL晶片。


FTDI Friend只有電路板，其USB埠為Mini USB，還要準備一條USB-Mini USB的線。


接下來，先安裝「USB轉TTL Serial」產品的驅動程式，主要作用就是將USB埠虛擬成一個序列埠，在Windows裡又稱為COM埠。

我這條轉接線，用的是Prolific的晶片PL2303，所以到Prolific官方網站下載驅動程式，我下載的是PL2303_Prolific_DriverInstaller_v1.8.19.zip，解壓縮後，裡頭有一支PL2303_Prolific_DriverInstaller_v1.8.19.exe檔案，執行便可安裝驅動程式，然後把線插入電腦，將會自動辨識，再到裝置管理員裡確認序列埠號。

找到了「Prolific USB-to-Serial Comm Port (COM4)」，埠號是COM4。當然啦，你的會跟我的不同。


剛剛解壓縮的目錄裡，還有一支執行檔checkChipVersion_v1006.exe，執行後可得到如下畫面，不僅可得知埠號，也可查出產品裡的晶片型號，如下圖，我這條轉接線的晶片是PL-2303 XA / HXA，上網查詢後，發現此晶片已停產，很舊，所以會有相容性問題，網路上常有人抱怨這條轉接線無法用於Win7 、Win8或Android，還好我的Win XP電腦更舊，搭配的剛剛好，呵呵。


至於轉接卡FTDI Friend使用的是FTDI的晶片FT232RL，先到FTDI官方網站下載驅動程式，根據作業系統下載相對應的檔案，我需要的是給32位元的Windows版，所以下載了CDM 2.08.30 WHQL Certified.zip，解壓縮後裡面有支CDM v2.08.30 WHQL Certified.zip，再解壓縮，裡頭便是驅動程式了。

以USB線連接FTDI Friend與電腦，出現新增硬體精靈的畫面，選擇剛剛解壓縮的目錄告知驅動程式在哪，進行安裝，總共需要安裝兩次，首先是USB Serial Converter，


然後才是USB Serial Port，


安裝成功後，便可在裝置管理員裡看到USB Serial Port(COM7)，埠號是COM7，當然啦，你的跟我的會不一樣。


以上便是電腦端的準備工作，接下來要連接「USB轉TTL Serial」產品與Raspberry Pi。

首先看看Raspberry Pi的部份，我們需要其中三個，分別是：實體針腳6（接地），實體針腳8（UART TXD），實體針腳10（UART RXD）。


要注意的是，Serial序列傳輸介面的兩端，其TXD與RXD必須跨接，意思是說：
Raspberry Pi的TXD必須接「USB轉TTL Serial」產品的RXD，
而Raspberry Pi的RXD必須接「USB轉TTL Serial」產品的TXD。

接下來要辨識哪條線路代表什麼功能，若是我買的那條轉接線，從顏色便可區別，紅色是電源，黑色是接地，白色是RXD，綠色是TXD。

若是轉接卡FTDI Friend，其板子上也都標示清楚了，共有GND、CTS、VCC、TX、RX、RTS六個針腳，先插入麵包板，並連接適當顏色的線，只需三條，如下。RX接白線，TX接綠線，GND接黑線。


然後連接到Raspberry Pi的針腳，請再次確認，白線（RXD）應接Raspberry Pi的TXD（實體針腳8），綠線（TXD）應接Raspberry Pi的RXD（實體針腳10）。


雖然有5V電源線，不過我不使用，因為USB 2.0規格限制最高只能輸出500mA，但Raspberry Pi Model B需要700mA。

線材都連接妥當後，讓Raspberry Pi開機。在Windows上我使用PieTTY（或PuTTY），將連線類型改成「Serial」，埠號輸入剛剛查出來的，速度則為115200，如下圖。


若需要詳細的序列傳輸設定，如下：

• Speed (baud rate): 115200
• Bits: 8
• Parity: None
• Stop Bits: 1
• Flow Control: None

然後便可看到訊息：
Uncompressing Linux... done, booting the kernel.
[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpu
[    0.000000] Linux version 3.6.11+ (dc4@dc4-arm-01) (gcc version 4.7.2 20120731 (prerelease) (crosstool-NG linaro-1.13.1+bzr2458 - Linaro GCC 2012.08) ) #474 PREEMPT Thu Jun 13 17:14:42 BST 2013
[    0.000000] CPU: ARMv6-compatible processor [410fb767] revision 7 (ARMv7), cr=00c5387d
[    0.000000] CPU: PIPT / VIPT nonaliasing data cache, VIPT nonaliasing instruction cache
[    0.000000] Machine: BCM2708
[    0.000000] cma: CMA: reserved 16 MiB at 1b000000
[    0.000000] Memory policy: ECC disabled, Data cache writeback

...刪除...

最後若開機成功，便會出現登入提示符號，
[    4.188972] udevd[154]: starting version 175
[   14.872503] EXT4-fs (mmcblk0p2): re-mounted. Opts: (null)
[   15.359861] EXT4-fs (mmcblk0p2): re-mounted. Opts: (null)
[   16.279010] bcm2708_rng_init=dc8da000
??
Raspbian GNU/Linux 7 raspberrypi ttyAMA0

raspberrypi login:

輸入帳號密碼後即可登入。即使下reboot重開機，這條連線也不會斷掉，不需重新登入。

看到主控台的畫面囉，耶。



參考資料：

• RPi Hub的RPi Serial Connection。
• Adafruit Learning System的Adafruit's Raspberry Pi Lesson 5. Using a Console Cable。
• Adafruit Learning System的FTDI Friend。
• 萬平公司的PL2303 歷代晶片(PL2303, PL2303H, PL2303HX, PL2303X, PL2303HXD等等)的介紹。
• Instructables的How to connect Raspberry Pi over Serial Port?，連接RS-232，使用晶片MAX3232。
• Clayton's Domain的Using the Raspberry Pi’s serial port，從Ubuntu連接Raspberry Pi的序列埠主控台。 
• LAVA: The Source for Ports - Serial Port Experts的Raspberry Pi serial interfacing、More on Raspberry Pi serial ports。
• 雄的Raspberry Pi : Serial Console、Raspberry PI : USB to TTL Console。