寫在前面
最近因為移動感知與智能計算的課程作業需要，翻箱倒櫃找出本科時老師送我的一枚樹莓派4b開始了緊張的開發過程。雖然以前開發過AT89C51、CC2530、STM32、MSP430，但是對樹莓派完全不熟悉，這幾天經過耐心嘗試略有收獲，在此記錄一下，以不斷完善我的技術棧。
樹莓派是嵌入式開發中一款性價比高、體積小、可編程的微型電腦。比起上述微控制器，樹莓派的效能更強大，可以直接執行作業系統，上手學習也比較容易，但是直接部署的執行效率肯定不如底層專用器材強大，所以一直在學術界和工業界被認為是一款玩具。樹莓派的第四代與第三代相比，板子上的配置有了較大調整。首先是主頻提升到1.5GHz，記憶體上限也提升到8GB，電源介面變為了Type-C，原來的HDMI口也被替換成了雙Micro HDMI口，參考樹莓派4B效能評測報告及各版本效能比對。現在它大概長這個樣子：
我沒有購買顯示器也沒有配置鍵鼠，面對這麽一塊赤裸裸的板子，多少有點束手無措。那麽如何為樹莓派註入靈魂讓它「活」過來呢？
開發流程
你可以沒有輸入輸出的外設，但不能沒有SD卡。我購買了一塊SanDisk的64GB的SD卡，作為樹莓派的「硬碟」。盡量買16GB以上的，不然連系統本身可能都施展不開。當然你還需要讀卡器和轉接頭（我使用的上位機是一台 MacBook Pro。
首先去樹莓派官網下載樹莓派官方作業系統Raspberry Pi OS。它以前叫Raspbian，有些網誌裏會看到這個名字，可能是Debian系統改造過來的，命令和Debian差不多。我這裏選擇的是Raspberry Pi OS Lite這個輕量級的系統，它只有442MB大小。因為我們沒有螢幕，自然也就對桌面界面沒什麽要求。下載之後是一個zip壓縮包，解壓可以得到img映像檔，大概2GB。
2021-03-04-raspios-buster-armhf-lite.img
我們把SD卡透過讀卡器和轉接頭插到電腦上，然後在命令列中檢視已掛載的卷
df -h
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Filesystem Size Used Avail Capacity iused ifree %iused Mounted on
/dev/disk1s1s1 466Gi 14Gi 327Gi 5% 568975 4881883905 0% /
devfs 193Ki 193Ki 0Bi 100% 668 0 100% /dev
/dev/disk1s5 466Gi 20Ki 327Gi 1% 0 4882452880 0% /System/Volumes/VM
/dev/disk1s3 466Gi 379Mi 327Gi 1% 1583 4882451297 0% /System/Volumes/Preboot
/dev/disk1s6 466Gi 2.1Mi 327Gi 1% 14 4882452866 0% /System/Volumes/Update
/dev/disk1s2 466Gi 124Gi 327Gi 28% 1456661 4880996219 0% /System/Volumes/Data
map auto_home 0Bi 0Bi 0Bi 100% 0 0 100% /System/Volumes/Data/home
/dev/disk2s1 255Mi 119Mi 136Mi 47% 512 0 100% /Volumes/system-boot
我們看到桌面多出來的那個磁盤的圖示名字叫system-boot，所以上面結果中最後一行是新掛載的卷。接下來我們擦除SD卡的所有內容（有時候買SD卡的時候會有預裝的映像。
diskutil eraseVolume HFS+ system-boot /dev/disk2s1
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Started erase on disk2s1 (system-boot)
Unmounting disk
Erasing
Initialized /dev/rdisk2s1 as a 255 MB case-insensitive HFS Plus volume
Mounting disk
Finished erase on disk2s1 (system-boot)
這裏system-boot是卷[volume]名，而/dev/disk2s1是分區位置。接下來將該分區解除安裝。
diskutil unmount /dev/disk2s1
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Volume system-boot on disk2s1 unmounted
然後我們使用dd命令將系統映像寫入到SD卡中
sudo dd if=Downloads/2021-03-04-raspios-buster-armhf-lite.img of=/dev/disk2 bs=4m
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445+0 records in
445+0 records out
1866465280 bytes transferred in 180.176146 secs (10359114 bytes/sec)
這裏if後面是剛剛下載的系統映像檔的路徑，of後面是分區的位置，註意這裏我寫的是disk2而不是disk2s1，因為我猜disk2s1是disk2的子分區，而後者空間更大一些。這個過程比較慢，需要等一段時間。成功之後我們檢視桌面，發現掛載的硬碟的名字變成了boot，開啟可以看到裏面有一堆檔。
ls /Volumes/boot
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COPYING.linux bcm2711-rpi-400.dtb kernel.img
LICENCE.broadcom bcm2711-rpi-cm4.dtb kernel7.img
bcm2708-rpi-b-plus.dtb bootcode.bin kernel7l.img
bcm2708-rpi-b-rev1.dtb cmdline.txt kernel8.img
bcm2708-rpi-b.dtb config.txt overlays
bcm2708-rpi-cm.dtb fixup.dat start.elf
bcm2708-rpi-zero-w.dtb fixup4.dat start4.elf
bcm2708-rpi-zero.dtb fixup4cd.dat start4cd.elf
bcm2709-rpi-2-b.dtb fixup4db.dat start4db.elf
bcm2710-rpi-2-b.dtb fixup4x.dat start4x.elf
bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb fixup_cd.dat start_cd.elf
bcm2710-rpi-3-b.dtb fixup_db.dat start_db.elf
bcm2710-rpi-cm3.dtb fixup_x.dat start_x.elf
bcm2711-rpi-4-b.dtb issue.txt
這時系統寫入完成，但不要著急推出硬碟，我們還需要一個關鍵操作來啟動ssh連線服務：在boot資料夾中新建一個空的ssh檔！
touch /Volumes/boot/ssh
這時樹莓派在啟動時就會自動開啟ssh服務了，我僅僅嘗試過這一版系統，但聽說有些系統這麽做沒用。除此之外，我還修改了一處配置，我不敢保證不設定它不會出錯。
由於樹莓派沒有傳統意義上的BIOS，所以各種系統設定參數通常被存在boot的config.txt這個文字檔案中。我們找到下面這行配置，並開啟註釋。
hdmi_force_hotplug=1
這使得樹莓派啟動後，即使不接顯視器，依然認為有顯視器訊號輸入，也就是相當於騙過了系統。接下來我們推出硬碟，將樹莓派的網口使用網線連線到一個有許可權存取的路由器上，然後使用電源線給樹莓派供電。這個連線網線和上電的順序很重要！
還好前一陣子給實驗室修理網絡，對所有路由器了如指掌。我實驗室的主路由器是思科的，登入路由器管理界面，在裏面的DHCP status一欄可以找到路由器為接入的器材分配的區域網路IP。當然你也可以使用其他的區域網路掃描工具，只要找到樹莓派的IP即可。
raspberrypi 192.168.1.146 dc:a6:32:c4:a7:e9 23 Hours, 57 Minutes, 1 Seconds
因為學長把DHCP的過期時間設定成一天了，所以看到了諸多名為raspberrypi的器材，我挨個ping了一遍，發現上面的是可以ping通的。然後我們透過ssh登入它的預設使用者pi。
預設密碼是raspberry。至此，我們成功為樹莓派註入靈魂，並且可以和它通話了。正如我上面所說，樹莓派作業系統和Debian很像，或者說和Ubuntu很像，所以命令多數都相容。大家想hello world也可以，來
root@raspberrypi:~# echo "hello world"
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hello world
雖然說硬件一般不流行Hello world，流行呼吸燈什麽的 ...
大家可能註意到上面的pi使用者是普通使用者，總是sudo用起來不方便。如何解鎖root使用者，並實作ssh免密碼登入樹莓派，且聽下回分解。
