18.1 树莓派 FreeBSD 安装
树莓派概述
树莓派的技术背景
当前消费电子领域的主流设备，包括安卓（Android）智能手机、苹果（Apple）MacBook 系列笔记本电脑以及各类网络电视机顶盒，其核心计算单元均基于 ARM（进阶精简指令集机器，Advanced RISC Machine）架构处理器。ARM 架构凭借其低功耗、高集成度的特性，在嵌入式与移动计算领域占据主导地位。
树莓派（Raspberry Pi）是一款基于 ARM 架构的单板计算机（Single-Board Computer，SBC），其设计特点是接口丰富，可支持多种外设扩展。标准接口包括：HDMI 视频输出、I²C 串行总线、USB 2.0/3.0 主机接口、I²S 音频接口、CSI 相机接口、GPIO（通用输入输出）引脚、UART 串口、RTC（实时时钟）接口、PWM（脉冲宽度调制）风扇控制、DSI 显示接口、PCIe 高速接口（需转接板实现）以及 POE（以太网供电）模块接口等。在计算性能方面，树莓派的综合性能大致与同期的千元级智能手机（如采用高通处理器的红米系列）相当。
树莓派的应用领域
树莓派的应用场景十分广泛：在移动设备可实现的功能范围内，树莓派通常均可实现；而在移动设备难以涉足的领域，树莓派凭借其开放性和可扩展性，往往能够提供解决方案。从应用场景来看，树莓派主要应用于嵌入式系统开发领域，典型案例包括机器人控制、家庭路由器构建以及视频监控系统搭建等。
在流行文化领域，美剧《黑客军团》（Mr. Robot）中曾将树莓派作为渗透测试工具使用。然而需要明确的是，上述应用场景并非树莓派的设计初衷——树莓派的原始定位是由英国树莓派基金会（Raspberry Pi Foundation）开发的计算机教育产品，旨在降低计算机学习的门槛。
树莓派的起源
根据相关记载，树莓派项目的最初动机与剑桥大学计算机科学与技术系的教学困境密切相关。经过分析，教学主管部门得出结论：当时青少年群体缺乏价格低廉且架构开放的计算设备用于学习实践，是导致相关问题的主要原因。
“为了守护我们最爱的院系——我们所能做的，就是开发一块每个人都买得起的电路板！！”
尽管《LoveLive!》以失败告终，但树莓派取得了巨大成功！
存储介质性能测试与选择
测试 U 盘/存储卡 4K 读写速度的必要性
在系统安装前，建议对拟使用的 U 盘或存储卡进行 4K 随机读写性能测试，具体测试方法可参考本书存储介质性能测试相关章节。性能测试是确保系统后续运行流畅的前置条件。
自树莓派 3B+ 型号起，系统原生支持从 U 盘启动，无需额外硬件或软件修改。根据实际测试结果，FreeBSD 12、13、14 版本均支持该功能，但启动速度相对较慢。其性能瓶颈主要源于两方面因素：一是树莓派硬件本身受总线速率限制，接口性能存在上限——树莓派 5 才开始支持 SDR104（UHS-I）高速模式，而此前的老款型号最高仅支持 SDR50（UHS-I）模式；二是部分 U 盘产品的实际性能与标称值存在较大差距。
存储介质选择的关键指标
树莓派的 SD 卡接口对存储卡的传输速率存在硬件层面的限制，因此使用标称连续读写速度超过 100MB/s 的存储卡并不会带来显著的用户体验提升。需要指出的是，厂商标称的连续读写速度在实际使用场景中意义有限——除非使用经过专门设计的超频读卡器，否则消费级设备几乎无法达到标称的连续读写速率。
对于树莓派这类嵌入式系统而言，4K 随机读写性能才是影响系统响应速度的关键指标。在选择存储卡时，建议优先考虑达到 A2 性能级别 备份的产品，该级别的性能标准为：随机读取不低于 4000 IOPS，随机写入不低于 2000 IOPS。
典型 U 盘性能案例分析
部分 U 盘产品的 4K 随机写入性能可能甚至低于普通 A2 级别存储卡，这一现象在实际测试中时有发现。
一个具有代表性的案例是金士顿（Kingston）DataTraveler 100 G3 USB 3.0 闪存盘（市场简称 DT100G3）。根据实测数据，该产品的 4K 随机写入速度仅为 0 IOPS，这将导致系统使用过程中出现严重的卡顿现象。
参考文献
Raspberry Pi 树莓派中文文档 备份。提供树莓派日常安装、配置与使用指南。
【教學/基礎】實測 Raspberry Pi 5 上的 SD 卡效能。实测树莓派 5 不同 SD 卡的读写性能表现与差异。
Default Setting for the UHSMODE? 备份。讨论树莓派 SD 卡 UHS 模式的默认配置与性能优化。
DataTraveler 100 G3 USB 3.0 Flash Drive - 技术支持 备份。金士顿 DT100G3 U 盘的技术规格与支持文档。
IOPS-MB 在线转换器：IOPS, MB/s, GB/day Converter。提供 IOPS 与 MB/s 等存储性能单位的在线转换工具。
ARM 架构支持
FreeBSD 对不同硬件体系结构的支持采用等级划分机制。截至目前，ARM 架构被归类为 一级架构 备份，这意味着该架构获得了 FreeBSD 项目的核心支持。然而需要客观指出的是，在软件生态的完整性方面，ARM 架构仍略逊于 AMD64（x86-64）架构，部分软件包目前尚无法通过 FreeBSD Ports 以源码形式成功构建。
系统安装前的准备工作
硬件与软件准备清单
在开始安装过程前，需准备以下硬件设备和软件工具：
硬件设备：
一块树莓派开发板（具体型号不限）；
一根标准网线，用于网络连接；
一张符合性能要求的存储卡（建议 A2 级别）；
一根 CH340 芯片的 USB 转串口线，或一台分辨率不低于 1080P 的显示器（二者选其一，用于系统监控与调试）；
一台普通家用路由器（互联网连接非必需，仅用于局域网内设备互联）。
软件工具（Windows 10/11 环境下）：
XShell：SSH 终端模拟软件，用于远程登录；
WinSCP：SFTP 文件传输软件，用于文件管理。
基本安装流程概述
安装步骤概览
在树莓派上安装 FreeBSD 系统的基本操作流程如下：
访问 FreeBSD 官方网站，下载与树莓派硬件型号匹配的 FreeBSD 系统镜像；
下载完成后，对镜像文件进行解压缩操作；
完成必要的硬件连接：接入 USB 以太网卡并连接网线，接入 HDMI 显示器（如使用视频输出方式）；
将制作好的存储卡插入树莓派的存储卡插槽；
接通电源，等待系统完成初始化过程（通常约需五分钟）；
登录路由器管理后台，查看树莓派获取的 IP 地址；
通过 SSH 协议远程连接到树莓派 FreeBSD 系统。
注意
刻录完成后，需要挂载 FAT 分区并替换里面的所有文件，否则会出现启动花屏问题。替换的文件路径为：
FreeBSD ZFS 与树莓派（基于树莓派 4，但 5 亦通用）
本节介绍如何在树莓派上使用 ZFS（Zettabyte File System）文件系统。如果固件不是最新的，建议先使用树莓派官方系统更新固件。
注意
FreeBSD 默认提供的 IMG 镜像使用 UFS 文件系统。想使用 ZFS 的用户可先在存储卡上刻录好 img 镜像并正常启动，再插入 U 盘，加载 ZFS 模块，运行命令
bsdinstall进行安装（安装位置选择 U 盘）即可。在bsdinstall界面中，需选择目标磁盘、设置分区方案并配置 ZFS 池。如果想在存储卡上使用 ZFS，可反过来用 U 盘作为启动盘进行安装。
安装前说明：
mmcsd0 为存储卡，da0 为 U 盘。
以下操作将创建一个使用 ZFS 的树莓派 FreeBSD 系统到 U 盘。使用正常镜像写入存储卡，启动后再插上空白 U 盘，U 盘保持 FAT32 文件系统和 MBR 分区表即可。
查看系统磁盘分区表信息：
一定要先加载 ZFS 模块，否则会出现类似 sysctl: unknown oid 'vfs.zfs.min_auto_ashift' 的分区错误。
启动 FreeBSD 安装程序以开始安装 FreeBSD：
安装后需要从原启动介质的 FAT 分区复制固件文件到新系统的对应分区，复制时请注意不要覆盖 EFI 分区中的原有文件。固件文件可从 https://github.com/FreeBSD-Ask/FreeBSD-rpi4-firmware 获取。可使用 cp 命令在 FreeBSD 系统内完成文件复制操作。
安装完成后，再次显示系统磁盘分区表信息：
树莓派 5
本节介绍树莓派 5 的 FreeBSD 安装和配置经验。测试环境如下：
树莓派 5 8GB
FreeBSD 15.0-CURRENT
外接 RTL 8156B 网卡
启动盘为 256GB NVMe SSD
UEFI：rpi5-uefi v0.3 备份
警告
本文不适用于 D0 款以及 16GB 内存款。具体可参考 https://rpicn.bsdcn.org。若使用新款固件，你可能需要降级才能使用本文方法。
经过测试，树莓派 5 8GB 使用 UEFI 备份 和 FreeBSD 15.0（测试镜像 FreeBSD-15.0-CURRENT-arm64-aarch64-20240628-14fee5324a9b-270986-memstick.img.xz）可以从存储卡、USB 设备或 M.2 扩展板（微雪的 PCIe_TO_M.2_HAT+ 备份）的 M.2 NVMe SSD 启动，后者亦兼容 PCIe 3.0 速度。
但是内置网卡等硬件没有驱动（可使用 USB 网卡，具体型号参考第一章相关内容）。风扇由固件控制，因此默认会一直转动，不会停止。HDMI 显示正常，USB 2.0 和 3.0 接口均正常工作。经过测试，KDE 5 桌面环境可以正常输出到 HDMI 显示器上。
树莓派 5 与 HAT+
目前市场上出售的树莓派 5 扩展板，请确认其是否符合 HAT+ 标准。如果不符合，通常它只能通过 PCIe FPC 获取电源。为符合相关规范，扩展板电力需求应为 5V 2A，即 10W。
树莓派 5 提供的并非标准 PCIe 接口，而是自行设计的 FPC 接口，因此需要使用转接器才能将 PCIe 设备连接到树莓派 5。
根据树莓派 5 的排线规范，该接口最多只能提供 5V 1A，即最多 5W 的电力。因此，树莓派的 HAT+ 规范要求扩展板还需从 GPIO 接口获取电源。
树莓派 5 8G 编译安装世界和内核
示例采用：FreeBSD 15.0-CURRENT 备份，且均使用默认参数。
显示当前 Git 仓库 freebsd-src 的提交哈希值：
编译世界（用户空间）约用时 6 小时。
编译内核约用时 26 分钟。
故障排除与未竟事宜
newfs_msdos /dev/gpt/efiboot0: operation not permitted
该问题主要出现在使用 ZFS 存储卡安装系统到 U 盘时，目前尚无解决方案，只能使用另一块采用 UFS 文件系统的 U 盘启动盘来安装 U 盘系统。
可能用到的命令：gpart destroy -F da2，用于销毁此步骤错误创建的文件系统，以防止系统无法识别。
附录：使用串口线
建议外接显示器或使用 CH340 USB 串口线，以防系统卡住时无法判断状态。
如使用 USB 串口线，请务必购买采用 CH340 芯片的型号，否则可能出现卡住、无输出、无法输入、驱动安装失败或与 Windows 10 不兼容等问题。
如果使用显示器，屏幕分辨率应不低于 1080P（1920 x 1080），屏幕尺寸不应小于 8 英寸。否则即使接入显示器，也仅能看到屏幕亮起，但无法清晰查看文字。
如果接入了显示器，请尽量确保树莓派和显示器同时通电。显示器可晚于树莓派通电，但不应过晚。
附 CH340 USB 转串口官方驱动下载地址：https://www.wch.cn/download/CH341SER_EXE.html
附录：FreeBSD 与树莓派 4B 8GB 启动失败问题（变通方案）
如果出现彩虹屏导致无法启动，请下载 FreeBSD 14 镜像写入存储卡后，将 FAT 分区内容替换即可。在 Windows 系统中，默认分区为隐藏分区，可使用 DiskGenius 等工具激活并分配盘符后进行访问；在 FreeBSD 系统中，可使用 mount_msdosfs 命令直接挂载 FAT 分区。
固件文件可从 https://github.com/FreeBSD-Ask/FreeBSD-rpi4-firmware 获取。
修改 config.txt 为以下内容：
课后习题
查找树莓派 5 ZFS 安装过程的完整步骤，补充从 UFS 存储卡启动盘直接将 ZFS 系统安装到另一张存储卡上的详细流程，并验证系统可正常启动。
将 FreeBSD 系统支持加入树莓派官方启动盘制作工具。
为树莓派 5 移植更多驱动到 FreeBSD。
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