写在前面
最近因为移动感知与智能计算的课程作业需要，翻箱倒柜找出本科时老师送我的一枚树莓派4b开始了紧张的开发过程。虽然以前开发过AT89C51、CC2530、STM32、MSP430，但是对树莓派完全不熟悉，这几天经过耐心尝试略有收获，在此记录一下，以不断完善我的技术栈。
树莓派是嵌入式开发中一款性价比高、体积小、可编程的微型计算机。比起上述微控制器，树莓派的性能更强大，可以直接运行操作系统，上手学习也比较容易，但是直接部署的运行效率肯定不如底层专用设备强大，所以一直在学术界和工业界被认为是一款玩具。树莓派的第四代与第三代相比，板子上的配置有了较大调整。首先是主频提升到1.5GHz，内存上限也提升到8GB，电源接口变为了Type-C，原来的HDMI口也被替换成了双Micro HDMI口，参考树莓派4B性能评测报告及各版本性能比对。现在它大概长这个样子：
我没有购买显示屏也没有配置键鼠，面对这么一块赤裸裸的板子，多少有点束手无措。那么如何为树莓派注入灵魂让它「活」过来呢？
开发流程
你可以没有输入输出的外设，但不能没有SD卡。我购买了一块闪迪的64GB的SD卡，作为树莓派的「硬盘」。尽量买16GB以上的，不然连系统本身可能都施展不开。当然你还需要读卡器和转接头（我使用的上位机是一台 MacBook Pro。
首先去树莓派官网下载树莓派官方操作系统Raspberry Pi OS。它以前叫Raspbian，有些博客里会看到这个名字，可能是Debian系统改造过来的，命令和Debian差不多。我这里选择的是Raspberry Pi OS Lite这个轻量级的系统，它只有442MB大小。因为我们没有屏幕，自然也就对桌面界面没什么要求。下载之后是一个zip压缩包，解压可以得到img镜像文件，大概2GB。
2021-03-04-raspios-buster-armhf-lite.img
我们把SD卡通过读卡器和转接头插到电脑上，然后在命令行中查看已挂载的卷
df -h
-----------------------------------------------------------------------------------------------
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
我们看到桌面多出来的那个磁盘的图标名字叫system-boot，所以上面结果中最后一行是新挂载的卷。接下来我们擦除SD卡的所有内容（有时候买SD卡的时候会有预装的镜像。
diskutil eraseVolume HFS+ system-boot /dev/disk2s1
----------------------------------------------------------------------
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)
这里system-boot是卷[volume]名，而/dev/disk2s1是分区位置。接下来将该分区卸载。
diskutil unmount /dev/disk2s1
---------------------------------------
Volume system-boot on disk2s1 unmounted
然后我们使用dd命令将系统镜像写入到SD卡中
sudo dd if=Downloads/2021-03-04-raspios-buster-armhf-lite.img of=/dev/disk2 bs=4m
-----------------------------------------------------------------------------
445+0 records in
445+0 records out
1866465280 bytes transferred in 180.176146 secs (10359114 bytes/sec)
这里if后面是刚刚下载的系统镜像文件的路径，of后面是分区的位置，注意这里我写的是disk2而不是disk2s1，因为我猜disk2s1是disk2的子分区，而后者空间更大一些。这个过程比较慢，需要等一段时间。成功之后我们查看桌面，发现挂载的硬盘的名字变成了boot，打开可以看到里面有一堆文件。
ls /Volumes/boot
--------------------------------------------------------------
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
这时系统写入完成，但不要着急推出硬盘，我们还需要一个关键操作来启动ssh连接服务：在boot文件夹中新建一个空的ssh文件！
touch /Volumes/boot/ssh
这时树莓派在启动时就会自动开启ssh服务了，我仅仅尝试过这一版系统，但听说有些系统这么做没用。除此之外，我还修改了一处配置，我不敢保证不设置它不会出错。
由于树莓派没有传统意义上的BIOS，所以各种系统配置参数通常被存在boot的config.txt这个文本文件中。我们找到下面这行配置，并打开注释。
hdmi_force_hotplug=1
这使得树莓派启动后，即使不接显示器，依然认为有显示器信号输入，也就是相当于骗过了系统。接下来我们推出硬盘，将树莓派的网口使用网线连接到一个有权限访问的路由器上，然后使用电源线给树莓派供电。这个连接网线和上电的顺序很重要！
还好前一阵子给实验室修理网络，对所有路由器了如指掌。我实验室的主路由器是思科的，登录路由器管理界面，在里面的DHCP status一栏可以找到路由器为接入的设备分配的局域网IP。当然你也可以使用其他的局域网扫描工具，只要找到树莓派的IP即可。
raspberrypi 192.168.1.146 dc:a6:32:c4:a7:e9 23 Hours, 57 Minutes, 1 Seconds
因为学长把DHCP的过期时间设置成一天了，所以看到了诸多名为raspberrypi的设备，我挨个ping了一遍，发现上面的是可以ping通的。然后我们通过ssh登录它的默认用户pi。
默认密码是raspberry。至此，我们成功为树莓派注入灵魂，并且可以和它通话了。正如我上面所说，树莓派操作系统和Debian很像，或者说和Ubuntu很像，所以命令多数都兼容。大家想hello world也可以，来
root@raspberrypi:~# echo "hello world"
--------------------------------------
hello world
虽然说硬件一般不流行Hello world，流行呼吸灯什么的 ...
大家可能注意到上面的pi用户是普通用户，总是sudo用起来不方便。如何解锁root用户，并实现ssh免密码登录树莓派，且听下回分解。
