在树莓派上安装aarch64架构的Ubuntu Server

Update 2019/09

时隔一年，现在Ubuntu Server官方已经有预安装的镜像了，直接刷入镜像启动就可以了，也没有了本文遇到的各种奇怪的问题，没有必要进行以下操作了。但博客内容还是保留以作参考。官方镜像使用的是linux-raspi2内核（而不是generic内核）。最新操作指南请参见官方网站

以下是博客原文

树莓派真是个神奇的玩意，我手上的树莓派3B，小小身材却搭载了一颗64位的ARM-v8架构处理器，Wi-Fi、蓝牙、以太网、USB啥都不少。但可惜的是官方提供的Raspbian系统却只有32位的版本。本着极客的精神，当然要让手头的硬件发挥出它最大的实力啦。我找了一下，发现Ubuntu的wiki上有相关的内容，于是我就选择安装Ubuntu Server版本啦。

以下大部分信息来自wiki、论坛。

准备安装SD卡

本次安装我只使用了SD卡，一来是方便，不用额外准备安装U盘了，二来，树莓派的USB启动我搞了一下午也没搞定😟。绝大多数文件将会在安装过程中从网上下载。

以下操作建议在Linux系统中完成，本人使用的是虚拟机中的Ubuntu Desktop 18.04.1版本。

以下操作将清除SD卡中的全部数据

分区

首先，使用GParted对SD卡进行分区，新建一个msdos分区表（树莓派似乎不能启动GPT分区表的SD卡），然后新建一个128MB的FAT32分区，并设置boot标志。这个分区将用来放置树莓派的bootloader，u-boot和Ubuntu网络安装程序，安装完成后，这个分区将作为系统的EFI启动分区使用。其他的空间保持空闲即可。

以下假设新的FAT32分区挂载于/mnt 。

安装树莓派的bootloader文件

wget http://archive.raspberrypi.org/debian/pool/main/r/raspberrypi-firmware/raspberrypi-bootloader_1.20180817-1_armhf.deb
dpkg-deb -x raspberrypi-bootloader_1.20180817-1_armhf.deb pi-bootloader
sudo cp pi-bootloader/boot/* /mnt

在安装时可视情况选择最新版本的bootloader安装。

编译并安装u-boot

sudo apt-get install build-essential bc gcc-aarch64-linux-gnu
wget ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-2018.07.tar.bz2
tar -axf u-boot-2018.07.tar.bz2
cd u-boot-2018.07
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make rpi_3_defconfig
make all
sudo cp u-boot.bin /mnt/kernel8.img
cd ..

在安装时可视情况选择最新版本的u-boot安装。我们把编译好的镜像命名为kernel8.img，这样上一步安装的bootloader就会自动以64位模式运行这个文件。

安装dtb文件（device tree blob）

wget http://ports.ubuntu.com/dists/bionic/main/installer-arm64/current/images/device-tree/bcm2837-rpi-3-b.dtb
sudo mkdir -p /mnt/dtb/broadcom/
sudo cp bcm2837-rpi-3-b.dtb /mnt/dtb/broadcom

u-boot应该会在启动的时候自动识别这是树莓派3B，然后自动加载这个文件的。（未经证实）

安装Ubuntu网络安装程序

去 https://www.ubuntu.com/download/server/arm 下载网络安装程序的iso文件，直接将iso文件里的所有文件复制到SD卡上，别漏了隐藏的.disk文件夹。

恰好iso文件里boot/grub/efi.img镜像内的文件可以用于启动这个网络安装程序（我也不知道为何）。挂载这个镜像，然后把efi文件夹复制到SD卡根目录即可。

以下为命令行操作流程。

mkdir /tmp/mini-iso
sudo mount -o loop mini.iso /tmp/mini-iso
sudo cp -rT /tmp/mini-iso /mnt

mkdir /tmp/efi-img
sudo mount -o loop /tmp/mini-iso/boot/grub/efi.img /tmp/efi-img
sudo cp -rT /tmp/efi-img /mnt
sync
sudo umount /tmp/efi-img
sudo umount /tmp/mini-iso
sudo umount /mnt

安装Ubuntu系统

OK，将SD卡插入树莓派，然后启动。不出意外的话，根据提示一步一步安装就好了。安装时，不要改变一开始创建的FAT32分区，并在空闲空间里创建EXT4分区安装系统。在安装引导程序的时候应该会失败，没关系，我们后面会手动解决这个问题。这里选择不安装引导程序并继续。这时系统就安装好了，虽然不能自动引导启动。

手动引导系统

再次启动树莓派，这次不要选择安装，而是按c进入shell。如果你的分区和我一样的话，输入set root=(hd0,msdos3)来设置根目录位置，否则，你应该使用ls命令来找出合适的分区。如果设置正确的话，输入ls \应该你会看到Linux根目录的典型结构 (/var, /root, /usr, /bin, /etc, ...)

接下来使用以下命令引导系统启动。（你可能需要视情况修改root参数）

linux /boot/vmlinuz root=/dev/mmcblk0p2
initrd /boot/initrd.img
boot

我输入initrd指令之后好像等了很久，boot我也不知道我到底有没有输入进去，总之我是成功启动了。

构建自动引导

之后，我们打算将一开始创建的FAT32分区改造成EFI启动分区使用，首先要将那个分区挂载到/boot/efi下。

sudo mkdir /boot/efi
sudo mount /dev/mmcblk0p1 /boot/efi

然后修改/etc/fstab文件好让Linux在启动时自动挂载这个分区。

之后，我们之前网络安装程序放在FAT32分区里的文件就没啥用了，你可以删掉，但不删也没啥问题。

sudo grub-install --no-nvram
sudo update-grub

这样Ubuntu就帮我们设置好了grub引导程序了，并且会在更新系统内核时自动更新引导，十分方便。

终于！这样我们就有了一个基本可用的Ubuntu Server了。重启试试吧。

疑难杂症

• Wi-Fi

  刚刚安装好的系统，Wi-Fi似乎还是不太好使，更新以下相关的驱动程序即可。

  # Pi 3B
  wget https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm/brcmfmac43430-sdio.bin
  wget https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm/brcmfmac43430-sdio.txt
  # Pi 3B+
  # wget https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm/brcmfmac43455-sdio.bin
  # wget https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm/brcmfmac43455-sdio.clm_blob
  # wget https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm/brcmfmac43455-sdio.txt 
  sudo cp *sdio* /lib/firmware/brcm/
  

  之后需要使用dpkg-divert来防止linux-firmware包更新的时候覆盖我们手动下载的文件。重启一下，Wi-Fi就可用了。顺带一提，在Ubuntu 18.04下，使用netplan来设置Wi-Fi是比较方便的。

• 引导启动时的键盘失灵

  我在u-boot和grub启动阶段，我的键盘都没法使用。经过多次尝试，发现只有使用我舍友的键盘，插再我的显示器上，再把显示器的USB线插在树莓派上才行（神奇）。如果你也遇到这样的问题并没法解决的话，可以改一下grub.cfg文件，加入一个set timeout=10 。这样10秒后如果没有操作，它就会自动启动默认选项了。

• 奇怪的显示器黑屏

  在使用的过程中，时常会出现黑屏的现象。我总结规律后发现，此时总是树莓派的红色电源指示灯会闪一下，屏幕右上角会出现一个闪电⚡的标志，这是电压不足的表现。这时只要切换一下tty就可以恢复正常。事后查看系统日志也未发现任何异常，而官方的操作系统则不会有这个现象，非常奇怪。目前解决方法就是，换一个更好的电源适配器为树莓派供电。

• 安装期间的网络

  现在越来越多人都一直在用无线联网了，可是在树莓派的Wi-Fi可用之前，有不少操作都需要网络，如果这时手头又没有网线/路由器之类的设备，就很令人头大了。感谢电信学院的师兄提供的线索，我们可以用手机的USB网络共享功能，非常方便，手机用USB线连接树莓派后开启此功能，树莓派就可以上网了，完全不用配置。但这带来了另一个问题，树莓派由于要给手机充电，它的供电就更加不稳定了。所以，可能的话，先给手机充满电吧。

  

• 键盘上的大写锁定灯不会亮，不知道什么问题，不过不影响使用，大写锁定还是能正常开启的。

• 调整分区大小带来的问题

  这事简直太神奇了，我一开始安装的时候，给FAT32分区分了1G空间，发现太大了，想弄小一点。但是GParted对FAT32的支持不是很好，我实用了一些非常规的操作。我先把FAT32分区所有文件备份，然后格式化为EXT4，然后再调整分区大小为128M，同时把安装系统的分区向左移动并扩大，最后把128M的分区重新格式化为FAT32并把文件复制回去。看上去好像还好，可是却出了一堆问题。。

  首先，它没法启动了，显示了一点内核输出的日志，然后就卡住了，也没见错误信息。好吧，我把存储卡挂载回电脑上，并使用qemu+chroot尝试运行存储卡里的程序，可是，就算是ls这样简单的指令也会报错，加载一个libselinux.so.1文件时报invalid ELF header，起初我还以为是动态链接器的缓存问题（之前遇到过），但是file查看这个文件，竟然报告是data（正常应该是shared object啥的）， 看上去这个文件是的确损坏了。好吧，我去Linux的安装包里把这个文件拉出来替换上去，顺便用grub-install重新安装了一下引导（GParted提示我了可能会损坏引导）。

  再次尝试启动，进入了emergency mode。看了一堆日志以后，看到文件系统检查发现FAT32分区损坏。我也不知道为啥。。dosfsck程序帮我修复了这个问题，空闲块汇总信息不对。

  再试一次，还是emergency mode。。好吧，由于重新格式化了分区，UUID变了，改下fstab文件就好了吧。

  OK，再来，终于进入系统了，而且没看到啥报错。但是之前有那个so文件损坏了，我估计肯定还有其他文件损坏吧，于是我用debsums检查了一遍，果然又找出了五、六个损坏的文件，我用apt把受到影响的包重新安装了，看上去是没有啥问题了。但最初这些文件为何会损坏还是不得而知（GParted的bug吗？）。

• linux-raspi2内核

  Ubuntu有个包叫linux-raspi2，似乎这是一个专门为树莓派设计的内核呢，我当然要实验一下。可是，安装了这个包之后，就没法启动了，似乎这个内核还不支持grub？附带吐槽一下写各个报错信息的同学“回滚启动项”五个字写错了两个。

  

  但我任然不死心，那我就不用grub试试咯。Ubuntu还有个叫flash-kernel的包，它负责写入必要的文件到固件中。这个包的数据库里有树莓派的记载，flash-kernel将会把内核，内存盘，以及一个一个uboot的脚本写入/boot/firmware。于是，我把我的FAT32分区挂载到这里，并运行flash-kernel，但是并没有办法启动，有好多错误，包括magic number不正确，未知的bootz命令。我在编译时手动加入了bootz支持，但magic number不正确的错误依然无法解决，实在不知为何，难道要用特制的u-boot才能启动吗？最后我放弃了这个实验。

• flash-kernel带来的麻烦

  正是由于flash-kernel的数据库里有树莓派，即使你用grub启动的，并不需要它，它也会在内核更新时插一手，反而还会因为找不到一些文件而导致内核更新失败。这时我们就要告诉flash-kernel不需要它了，使用echo -n none | sudo tee /etc/flash-kernel/machine，就能达到这个目的。

结束语

弄了这么多，我要用这个新系统来干什么呢？我也没想好😞。不过，搞这个的目的也许并不在于结果，而就在于折腾的本身吧。在折腾的过程中，我对系统各个组件的了解都有所加深了呢。

或许，我可以做一个校园网内网访问，速度非常快的收作业系统？