BeagleBone Black 上的 FreeBSD 入门
作者：Tim Kientzle
BeagleBone Black（BBB）是一款售价 45 美元、可放进 Altoids 薄荷糖铁盒的 PC。它采用与早期 BeagleBone（白色电路板）相同的德州仪器“Sitara”芯片，但价格更低、性能大幅提升。
从 BeagleBoard.org 网站可以看到，BeagleBone Black 的潜力巨大。下方侧栏列出了若干可能的应用场景。最棒的是，BBB 可以运行标准的 FreeBSD 系统，并配备你所期望的全部工具和支持。
可能的应用场景
微型服务器：1GHz ARM Cortex A8 处理器、512MB 内存、10/100 以太网和 2GB 闪存，足以运行个人或小型办公室的 Web 或邮件服务器。
嵌入式：BBB 提供丰富的 GPIO 和硬件扩展支持，基本运行功耗仅 2.5 瓦。（USB 需要额外供电。）
教育：低廉的价格和可扩展性使 BBB 成为学习软硬件开发的好选择。
FreeBSD 在 BBB 上的现状
BeagleBone 和树莓派等新兴 ARM 系统引发了开发者对 FreeBSD/ARM 的浓厚兴趣。过去一年中，FreeBSD 的大部分组件——引导加载器、内核、工具链、驱动、用户态和 Ports——在 ARM 平台上都有显著改进。
目前，FreeBSD 开发分支对 BBB 的支持相当完善：
串口控制台（需要类似 Adafruit #954 的适配线缆）。
完整的 FreeBSD 引导加载器，包括启动时模块加载和 Forth 脚本。
基于设备树的内核。
Micro-SD 和 eMMC 支持。
USB 主机支持。
实验性 USB 客户端支持（BBB 可作为 USB 设备使用）。
10/100 以太网。
FreeBSD/ARM 现在使用 clang 作为默认编译器。
FreeBSD/ARM 现在使用 EABI 调用约定，性能略好且与其他编译器兼容性更佳；如果你有此变更前编译的二进制或库，需要重新编译。
FreeBSD 可以在 BBB 上原生重新构建和升级。
越来越多的 Ports 可在 BBB 上构建和运行。
作者提醒：本文基于 2013 年 9 月时 FreeBSD 开发分支的状态撰写。到 FreeBSD 10 最终发布时，许多内容可能发生变化。如需最新信息，请到 FreeBSD/ARM 或 FreeBSD current 邮件列表询问。
不过，仍有若干领域需要改进：
FreeBSD 打包团队计划建立公开的 ARM 软件包仓库，但目前尚未就绪。
视频和音频驱动尚未编写。
不支持扩展 cape。
你的第一次 FreeBSD 启动
要启动 FreeBSD，首先需要构建一张装有 FreeBSD 的存储卡，然后从该卡启动 BBB。
需要准备：
BeagleBone Black。
5V 电源或 Mini-USB 线。
4GB 或更大容量的存储卡。
串口线缆，如 Adafruit #954 或 FTDI TTL-232R-3V3（可选但强烈建议）。
1. 构建或下载 FreeBSD 镜像
下面将介绍如何自行构建 FreeBSD 镜像。要快速上手，可从 FreeBSD.org 网站下载镜像：
注意：“快照”镜像是用当时 FreeBSD 开发分支中的源码构建的。FreeBSD 10 最终确定后（预计 2013 年底前），会发布稳定镜像。下载的镜像通常是压缩的，需要先解压才能写入 micro-SD 卡。
2. 写入 Micro-SD 卡
dd 工具用于原始数据复制，比如从原始镜像初始化磁盘。首先需要将 SD 卡连接到电脑（可能需要某种适配器），并识别正确的设备名。
最简单的做法是先在连接 SD 卡之前执行：
然后连接 SD 卡后再执行一次：
新增的条目应一目了然。
如果 SD 卡已经格式化，你会看到每个分区对应若干条目。由于我们要覆盖整张卡，需要识别基础设备名，通常是几个字母加单个数字（如 da7、mmc4 或 sdhci0）。
此任务需要为 dd 命令提供三个参数：输入文件（if）、输出设备（of）和复制时使用的块大小（bs）。块大小可以不指定，但默认值会导致操作非常慢。
例如，如果你的 micro-SD 连接为 da7，完整命令如下：
根据系统安全设置，你可能需要以 root 身份运行此命令。
3a.（可选但推荐）连接串口线缆
制作好 SD 卡后，就可以连接 BeagleBone Black 并启动 FreeBSD 了。由于 FreeBSD 尚不支持 BBB 的 HDMI 输出，建议使用串口线缆以便观察启动过程。没有串口线缆，只能等启动完成后再尝试通过 SSH 连接，出问题时难以诊断。
BBB 有低压串行接口，需要专用适配线缆。务必使用 3.3V 适配器，因为类似线缆还有 5V 和 1.8V 版本，与 BBB 不兼容（图 1）。
串口适配器由主机 USB 供电，只要插入 USB 就开始工作，即使 BBB 尚未通电。
在 FreeBSD 上使用 cu 工具，指定 115200 波特率和相应的 tty 设备：
当然，在真正通电之前你看不到任何输出。
3b. 打开终端窗口
4. 按住启动开关并通电
此时，BBB 不应连接任何电源。如果已经连接了 5V 电源或 mini-USB 线，请先拔掉，仔细阅读以下说明。（BBB 从 eMMC 还是 micro-SD 启动的具体逻辑略复杂。我多次因 BBB 从错误的源启动而困惑。）
“启动开关”决定 BBB 从 eMMC（默认）还是从 micro-SD 启动（图 2）。要可靠地从 micro-SD 启动，必须：
按住启动开关
通电
数到 3
释放启动开关
BBB 的电源芯片会记住启动开关状态，因此它会继续从 micro-SD 启动和重启，直到完全断开电源。
提示：如果需要重启，保持电源连接并轻按重置开关（图 3），它将从同一源重启。
提示：如果出现随机关机，且使用的是 mini-USB 线供电，尝试改用独立的 5V 电源。BBB 的功耗需求恰好在标准 USB 端口供电能力的边缘。
提示：如果看到四个 LED 快速闪烁，说明从 eMMC 启动了 Linux 镜像。断开电源，按住启动开关，再试一次。
启动时你会看到什么
如果你熟悉 FreeBSD 在 i386 或 amd64 PC 上的启动过程，BBB 的启动流程会非常眼熟，只是略有不同。最明显的区别是初始启动阶段由“U-Boot”处理——一个支持多种硬件的 GPL 引导加载器项目。
1. MLO/SPL：U-Boot 第一阶段
当 TI Sitara 芯片首次初始化时，它无法访问主内存。因此，第一启动阶段必须装入 128K 的片内内存。
U-Boot 提供一个名为 SPL 的小程序，TI Sitara 芯片从名为“MLO”的文件加载它。这个程序刚好够初始化 DRAM 芯片并从 micro-SD 卡加载主 U-Boot 程序。
2. U-Boot 主加载器
U-Boot 是 GPL 许可的引导加载器，支持多种硬件。尽管最初为 Linux 开发，U-Boot 强健的硬件支持、可脚本化和活跃的社区使其也是引导 FreeBSD 的好选择。
U-Boot 首先初始化 USB、网络和 MMC/SD 接口。一旦 MMC/SD 初始化完成，它将三个文件读入内存：
bb-uEnv.txt：默认为空，但你可以编辑此文件以重新定义 U-Boot 的启动函数。bbubldr：下一步将运行的 FreeBSD 引导加载器。bboneblk.dtb：下文介绍的 DTB 文件。
3. 关于 DTB 文件
面向新款嵌入式处理器的操作系统越来越多地使用“设备树”文件——有时称为“扁平设备树”（fdt）——来初始化内核。该文件列出所有外设，帮助内核决定启用哪些驱动。设备树需编译：源码版本称为 DTS，编译后的二进制版本称为 DTB 文件。
U-Boot 初始化时会检查当前运行的硬件，然后将对应的 DTB 文件加载到内存。此数据并不直接由 U-Boot 或 ubldr 使用，但最终会传递给 FreeBSD 内核。此安排的关键优势：完全相同的内核既能运行在 BeagleBone 上，也能运行在 BeagleBone Black 上，因为 RAM 数量、驱动器数量等关键配置由 DTB 提供。最终，FreeBSD/ARM 开发者希望用一个 GENERIC 内核引导多种主板。这需要内核方面更多工作，确保各种主板支持例程能共存；也需要引导加载器方面更多工作，确保所有加载器都正确向内核提供 DTB 文件。
4. FreeBSD Ubldr
U-Boot 对 BBB 硬件了如指掌并知道如何初始化，但对 FreeBSD 内核和模块一无所知。因此 BBB 使用 U-Boot 加载“ubldr”。它本质上与用于在 i386/amd64 上引导 FreeBSD 的“BTX loader”相同，只是做了若干修改以适配 U-Boot 而非 PC BIOS（因此得名“ubldr”，即“U-Boot 兼容 LoaDeR”）。
5. 加载 loader.rc、loader.conf
Ubldr 拉入大量标准 FreeBSD 配置。具体而言，它读取 loader.conf 和可能的 loader.rc。这些可用于将内核模块加载到内存，使其在内核首次启动时可用。
6. 加载 FreeBSD 内核
Ubldr 此时可以加载 FreeBSD 内核本体。
7. 启动 FreeBSD 内核
一切就绪后，ubldr 实际启动 FreeBSD 内核。ubldr 打印的最后几行表明它将如何启动内核：
8. 初始化 FreeBSD 内核
与严重依赖 U-Boot 的 ubldr 不同，FreeBSD 内核完全独立运行。因此它必须先建立自己的内存管理和控制台处理。完成后，内核可以显示第一条消息：
内核随后使用设备树数据识别每个需要初始化的系统。
9. 启动 FreeBSD 用户态
FreeBSD 内核完成所有初始化后，挂载根文件系统，以便从 SD 文件系统加载第一批程序。以下是内核打印的最后几条消息：
（此处的警告是预期的，因为 BBB 没有电池供电的 RTC。）
如果你用过 FreeBSD、Linux 或任何类似系统，剩余的启动步骤应当相当熟悉：rc 系统运行一组脚本以配置各种标准系统，包括 SSHd 和 NTPd 等网络服务。首次启动可能需要一些时间，因为某些服务需要建立其初始配置。最明显的是，SSHd 服务需要为此特定机器创建加密密钥。
最后，系统准备就绪，可接受登录：
大多数 BBB 镜像会自动配置以太网端口并启动 sshd。因此此时你也可以通过 SSH 远程连接。
在 BeagleBone Black 上使用 FreeBSD
BBB 运行完全标准的 FreeBSD 系统，如果你熟悉 i386 或 amd64 上的 FreeBSD，会觉得如鱼得水。以下是一些入门提示：
以太网：网络接口是 cpsw0。你可以用 ifconfig 命令配置它，或编辑 /etc/rc.conf 让它在每次启动时设置。大多数 FreeBSD 镜像默认启用 DHCP。
时间：由于 BBB 没有电池供电时钟，你需要在启动时手动设置时间，或使用 NTP 从网络获取时间。
磁盘：外部 micro-SD 接口名为 mmcsd0。BBB 的标准 FreeBSD 镜像分两个分区：
mmcsd0s1是包含 U-Boot 和其他启动文件的 FAT 切片mmcsd0s2是 FreeBSD 使用的切片
mmcsd0s2a 上的根分区通常使用带日志的软更新（SU+J）格式化。SU+J 让系统在断电恢复后能快速重启。
eMMC：2GB 内置 eMMC 芯片可用作 mmcsd1。通过支持 8 位传输，它比 micro-SD 接口快得多。BBB 出厂时 eMMC 预装了 Linux 发行版，但你可以轻松重新格式化并用作 FreeBSD 的额外驱动器。我们预计很快就能直接在 eMMC 上安装并启动 FreeBSD。
SU+J：BBB 没有关机按钮；通常直接断电。如果在断电时有软件正在运行，这会导致数据丢失。使用“UFS 带日志的软更新”（UFS SU+J）虽不能防止数据丢失，但似乎能很好地避免致命的文件系统损坏。
Swap：虽然 512MB 内存足以应对许多用途，但你可能希望启用一些 swap。出于多种原因，人们通常在根分区上使用 swap 文件而非单独的 swap 分区。可用 swapctl -l 查看你使用的镜像是否已配置 swap。若未配置，添加 swap 文件很简单：
创建文件：
在 /etc/fstab 中添加以下行并重启：
Ports：如果有网络访问，安装 Ports 树相当简单：
然后就可以像往常一样构建并安装 Ports。例如，安装 Apache Web 服务器：
软件包：FreeBSD 打包团队计划提供与新打包管理工具 pkg 兼容的 ARM 软件包。截至 2013 年 9 月，此功能尚未实现。许多人成功使用 Poudriere 自动构建自己的软件包集。
USB：USB 在 BBB 上通常工作良好。USB 驱动器、USB 网络适配器和打印机均成功使用。但有一个注意点：除非 BBB 连接了独立电源，否则不要插入任何 USB 外设。如果通过 mini-USB 线供电并连接任何 USB 设备，BBB 很可能会关机。
更新 FreeBSD
一旦 FreeBSD 运行起来，你可以下载 FreeBSD 源代码并在 BBB 上直接重新构建。
注意：
BBB 上完整系统重新构建可能需要多达两天时间，取决于若干因素。
完整源代码检出超过 2G，无法放入 eMMC。
FreeBSD-CURRENT（也称
head分支）是当前开发分支；既有最新特性，也有最新 bug。
你可以使用 svnlite 命令（如今是 FreeBSD 的标准组件）从 FreeBSD 项目的 Subversion 仓库检出源代码：
阅读 /usr/src/UPDATING，尤其是末尾附近的概述信息，其中列出了常见的升级场景。通常，从源代码完整升级如下：
UPDATING 文件还说明了如何做部分更新、仅内核更新，以及若干部分升级技巧。
构建你自己的 FreeBSD 镜像
如果你熟悉从源代码构建和升级 FreeBSD 的流程，可以使用 Crochet 工具在快速的 i386 或 amd64 机器上构建自定义 BBB 镜像。这尤其便于跟踪 FreeBSD 对 BBB 支持的最新改进。
详细说明见：https://github.com/kientzle/crochet-freebsd。以下是简要概述：
获取 Crochet。你需要安装
devel/git软件包，然后获取 Crochet 脚本副本：
要更新，在源目录内使用 git pull 命令。
创建配置文件
beagleblack.sh，内容如下：
此处的 option 行会在 /usr/src 预装完整 FreeBSD 源代码树，在 /usr/ports 预装完整 Ports 树。省略这些行会得到更小的镜像。
构建镜像：
脚本首先检查你是否拥有所有必需的源代码和工具。如有缺失，会打印获取它们的说明。一旦备齐所有组件，快速 PC 可在大约一小时内编译完整的 FreeBSD 系统并组装镜像。
Tim Kientzle 担任 FreeBSD 提交者 10 年，使用 FreeBSD 的时间更长。最近他在为 BeagleBone 和树莓派开发镜像构建工具和启动支持。
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