嵌入式 FreeBSD：打造自己的镜像
最后更新于
最后更新于
原文链接：
作者：Christopher R. Bowman
在上一卷中，我粗略提及了我用的开发板，Digilent 的 。在本卷，我将讨论如何制作自己的镜像。到某个时候，你可能会需要一个与现有镜像略有差异的镜像，因此你可能想从源代码开始构建、创建镜像来写入 SD 卡。
首先，让我们了解一下 如何启动。 是一本宝贵的技术信息来源，第 6 章讲述了芯片及所有 Zynq 主板的启动过程。这里有很多技术细节，但根据默认配置的跳线设置，ARTYZ7 是从 SD 卡启动的。你可能已经下载看了我在上一卷中提供的镜像。如果查看过，你会发现它是以 MBR 模式格式化的，首先是 FAT 分区，第二个 MBR 分区上是一个带有 UFS 的 FreeBSD 切片。处理器将查找 MBR，并寻找 FAT16/FAT32 分区。它会在 FAT 分区中查找文件 boot.bin。若找到，它会将其加载到内存中，开始执行。如果你想要直接编程到裸机，可以将你的应用程序写入，命名为 boot.bin。对我来说这有些复杂。因此，当启动 FreeBSD 时，我们使用了一个第一阶段引导加载程序，像许多嵌入式开发板一样，我们使用 。U-Boot 是一款由社区维护的开源引导加载程序。在我们的用例中，使用了两回 U-Boot。首先，U-Boot 被编译为最小的第一阶段引导加载程序（FSBL），它设置硬件查找第二阶段引导加载程序，第二阶段引导加载程序也是 U-Boot，但功能更加丰富。在我们的使用中，第二阶段的 U-Boot 位于 FAT 分区中的名为 U-boot.img 的文件中。这个 U-Boot 第二阶段加载程序会从 FAT 分区中的 EFI/BOOT/bootarm.efi 文件加载 lua 加载器。然后，lua 加载器会将内核等文件加载到内存中再执行。
所以，如果我们要构建镜像，我们需要创建分区，再把 U-Boot 和 FreeBSD 安装到 SD 卡上。
构建 U-Boot 相对直接。虽然有许多 U-Boot 的移植版本用于各种板子，但 ARTYZ7 并没有现成的移植版本。我已经创建了一个移植版本，你能在找到。虽然我还没有把它纳入 FreeBSD 的 ports 中，但你可以直接将其放入最新的 ports 目录 /usr/ports/sysutils 下。 提供了非常详细的安装和构建 ports 的说明。你将该 port 添加到你的 ports 中后，在 sysinstall/u-boot-artyz7 目录下简单地运行 make，应该就能自动下载构建 U-Boot。运行 make install 后，文件 boot.bin 和 U-boot.img 应该会出现在目录 /usr/local/share/U-boot/U-boot-artyz7 下。注意：我以前可以使用较大的“-j”值来让 make 使用多个核心进行构建，但在最新的 ports（2024Q3）中，似乎无法正常工作。
从源代码构建也在 FreeBSD 手册中有很好的文档。在 中，你将找到有关下载 FreeBSD 源代码和从中构建的详细信息。如果你已经在 /usr/src 安装了 FreeBSD 源代码，你可以直接进入该目录并运行以下命令：
虽然这些命令应该能在 ARTYZ7 板上正常工作，毕竟它有完整的 FreeBSD 安装，但你应该做好准备，它会花费很长时间。由于 PC 硬件变得非常强大且价格低廉，我使用一台 AMD64 系统来托管所有文件、开发环境，并进行所有构建。FreeBSD 对交叉编译和构建提供了内置支持。在我的 PC 上，我使用以下命令让我的 PC 为基于 ARM 的 ARTYZ7 卡板进行源代码构建：
这将从 AMD64 构建一个交叉编译器到 ARMv7，并使用这个编译器来构建所有内容。
对于内核配置文件，我已将 src/sys/arm/conf/ZEDBOARD 中的 ZEDBOARD 配置文件复制到 src/sys/arm/conf/ARTYZ7 并在其中修改了名称以匹配。参数 -j32 使得编译过程可以使用最多 32 个进程来进行构建。在一台搭载高速固态硬盘的 AMD 5950x PC 上，构建世界大约需要 10 分钟，构建内核大约需要 60 秒。我无法想象在 ARTYZ7 上需要多少天来完成这个过程。
若你从源代码构建了所有内容，过程可能会有所不同，具体有以下几种方式：
你可以将 SD 卡挂载到主机开发系统，并直接从主机安装到 SD 卡上。
你可以使用 命令创建一个基于文件的内存设备。这使你可以将一个文件当作块设备来处理。你可以使用所有标准的 FreeBSD 工具来分区设备，并将分区挂载到文件系统中。从那里，你可以像操作物理设备一样进行安装，最终得到适合使用 复制到 SD 卡或提供给其他人的文件。
最后一种方法，也是我正在使用并将在这里讨论的方法，是先在主机 PC 上的某个目录中进行安装，然后使用 和 从主机目录构建一个镜像，该镜像同样适合使用 复制到 SD 卡上。
接下来，我们更详细地考察方法 3。我通常会创建 msdos 目录和 ufs 目录，来表示我需要在 SD 卡上的两个分区：
接下来，我在 ufs 目录上进行安装：
你还需要运行分发目标，该目标会在 /etc 中创建所有默认的配置文件。当你对一个工作系统进行源代码升级时，通常不会运行这个命令，因为它会覆盖你的配置文件，但在从零开始构建系统时，你确实需要默认的配置文件：
此时，我已经在 ufs 目录下完成了完整的安装，并可以对镜像进行一些自定义。例如，我可以定制 ufs/etc/rc.conf，以便自动启动以太网接口 cgem0 上的 DHCP 获取 IP 地址。我可以将 ssh 密钥安装到 ufs/etc/ssh 中，这样系统每次启动时都会使用相同的 ssh 密钥，而非在首次启动时生成新的密钥。由于我使用主机系统来进行所有构建并托管我的文件，我还喜欢配置 /etc/fstab 以通过 NFS 挂载我的主目录。
我发现创建一个用户账户非常方便，这样我可以立即登录：
pw 命令的参数 -R 使得 pw 会编辑 ufs/etc 中的密码文件，而不是我主机系统中的文件。参数 -H0 能让我使用 echo 将密码通过管道传输给 pw，而无需交互式输入（你需要使用你主机系统中的编码密码替代 xxxx）。你也可以觉得修改 root 账户的密码更加方便，避免没有密码的情况。
现在，既然我已经按照希望的方式定制了 ufs 目录，我们就来关注一下 FAT 分区。
我需要安装 boot.bin 和 U-boot.img：
boot.bin 会加载 U-boot.img，而 U-boot.img 模拟了 FreeBSD 加载器的 EFI 固件。EFI 系统会在 FAT 分区上查找一个名为 EFI/BOOT/bootarm.efi 的文件，因此我们需要将 FreeBSD 的 lua 加载器复制到该位置：
注意，我复制的是我们构建的 ARM 版本，而不是主机版本（后者是 AMD64 代码）。
现在，我们已经有了两个目录 msdos 和 ufs，它们包含了我们想要写入 SD 卡的文件。接下来我们只需要创建镜像文件。这是一个 4 步的过程：
第一个命令从 msdos 目录构建文件系统镜像文件 (efi.part)。第二个命令从 ufs 目录构建文件系统镜像文件 (rootfs.ufs)。第三个命令将 rootfs.ufs 文件组合成一个包含 1GB 交换分区的 FreeBSD 切片。最后一个命令将我们的 efi.part 和 freebsd.part 文件打包成一个单一的镜像文件 (selfbuilt.img)。
到此为止，剩下的工作就是将 SD 卡插入 ARTYZ7 板卡，按下重置（reset）按钮，观察精彩的启动过程。由于我在 ufs 分区中的配置，我能够在启动完成后立即通过 ssh 登录到我的板卡，并且已经通过 NFS 挂载我的主目录。现在，要么征服世界，要么喝杯啤酒——反正啤酒什么时候都合适。
Christopher R. Bowman 自 1989 年开始使用 BSD，当时他在约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的地下二层工作。后来，在 90 年代中期，他在马里兰大学使用 FreeBSD 设计了自己的第一款 2 微米 CMOS 芯片。从那时起，他一直是 FreeBSD 用户，并对硬件设计及其驱动软件非常感兴趣。他在过去 20 年里一直从事半导体设计自动化行业工作。
如果我将 SD 卡插入主机，我会看到一个 /dev/da0 设备，并使用简单的 命令将镜像复制到 SD 卡：