创建您自己的自定义 Raspberry Pi 镜像

从零开始构建 Raspberry Pi 镜像，或将您正在运行的、已修改的 Raspberry Pi OS 转换回其他人可以使用的镜像。
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Vector, generic Raspberry Pi board

最近当我阅读了 Alan Formy-Duval 的文章 使用 Cockpit 管理您的 Raspberry Pi 后，我认为创建一个预装 Cockpit 的镜像会是个好主意。幸运的是，至少有两种方法可以完成这项任务：

  • 调整 Raspberry Pi OS 镜像构建工具链 pi-gen 的源代码，这使您能够从零开始构建 Raspberry Pi 镜像
  • 将您正在运行的、已修改的 Raspberry Pi OS 转换回其他人可以使用的镜像

本文涵盖了这两种方法。我将重点介绍每种技术的优缺点。

Pi-gen

让我们从 pi-gen 开始。在开始之前，您需要考虑一些先决条件。

先决条件

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为了成功运行构建过程，建议使用 32 位版本的 Debian Buster 或 Ubuntu Xenial。它也可能在其他系统上工作，但为了避免不必要的复杂性，我建议使用推荐的系统之一设置虚拟机。如果您不熟悉虚拟机，请查看我的文章 在任何操作系统上使用 VirtualBox 试用 Linux。当您完成所有设置并运行后，还要安装 仓库描述 中提到的依赖项。还要考虑到您需要在虚拟机中访问互联网，并有足够的可用磁盘空间。我将我的虚拟机设置为 40GB 硬盘，这似乎足够了。

为了遵循本文中的说明，请克隆 pi-gen 仓库，或者如果您想开始开发自己的镜像，请 fork 它。

仓库概览

整个构建过程分为多个阶段。每个阶段都表示为一个普通文件夹，并代表关于完整 Raspberry Pi OS 镜像的逻辑中间步骤。

  • 阶段 0：引导程序 — 创建一个可用的文件系统
  • 阶段 1：最小系统 — 创建一个绝对最小的系统
  • 阶段 2：精简系统 — 对应于 Raspberry Pi OS Lite
  • 阶段 3：桌面系统 — 安装 X11、LXDE、Web 浏览器等等
  • 阶段 4：对应于普通的 Raspberry Pi OS
  • 阶段 5：对应于 Raspberry Pi OS Full

各个阶段是相互构建的：不构建较低阶段就无法构建较高阶段。您也不能遗漏中间的任何阶段。例如，要构建 Raspberry Pi OS Lite，您必须构建阶段 0、1 和 2。要构建带有桌面的 Raspberry Pi OS，您必须构建阶段 0、1、2、3、4 和 5。

构建过程

构建过程由 build.sh 控制，可以在根仓库中找到它。如果您已经知道如何读写 bash 脚本，那么理解那里定义的过程不会有障碍。如果不是，阅读 build.sh 并尝试理解正在发生的事情是一个非常好的实践。但是即使没有 bash 脚本编写技能，您也能够创建自己的预装 Cockpit 的镜像。

一般来说，构建过程由几个嵌套的 for 循环组成。

  • stage-loop: 循环遍历所有阶段目录，按升序排列
    • 如果找到名为 SKIP 的文件，则跳过进一步处理
    • 运行脚本 prerun.sh
    • sub-loop: 循环遍历每个子目录，按升序排列，并处理以下文件（如果存在）
        • 00-run-sh：预先运行的任意指令
        • 00-run-chroot.sh：在镜像的 chroot 目录中运行此脚本
        • 00-debconfs：debconf-set-selection 的变量
        • 00-packages：要安装的软件包列表
        • 00-packages-nr：类似于 00-packages，不同之处在于这将导致使用 --no-install-recommends -y 参数进行 apt-get 安装
      • 00-patches：一个包含要应用的补丁文件的目录，使用 quilt
      • 回到 stage-loop，如果找到名为 EXPORT_IMAGE 的文件，则为此阶段生成镜像
      • 如果找到名为 SKIP_IMAGE 的文件，则跳过创建镜像

build.sh 还需一个名为 config 的文件，其中包含启动时读取的一些规范。

实践操作

首先，我们将创建一个基本的 Raspberry Pi OS Lite 镜像。Raspberry Pi OS Lite 镜像将作为我们自定义镜像的基础。创建一个名为 config 的空文件，并添加以下两行

IMG_NAME='Cockpit'
ENABLE_SSH=1

在目录 stage3、stage4 和 stage5 中创建一个名为 SKIP 的空文件。阶段 4 和 5 默认会生成镜像，因此在 stage4 和 stage5 中添加一个名为 SKIP_IMAGE 的空文件。

现在打开终端，通过输入 su 切换到 root 用户。导航到仓库的根目录，并通过输入 ./build.sh 启动构建脚本。

构建过程将需要一些时间。

构建过程完成后，您将在仓库的根目录中找到另外两个目录：work 和 deploy。work 文件夹包含一些中间输出。在 deploy 文件夹中，您应该找到压缩的镜像文件，已准备好部署。

如果整个构建过程成功，我们现在可以修改该过程，以便额外安装 Cockpit。

扩展构建过程

Raspberry Pi OS Lite 镜像充当我们安装 Cockpit 的基础。由于 Raspberry Pi OS Lite 镜像在 stage2 中已完成，我们将创建自己的 stage3，它将处理 Cockpit 的安装。

我们完全删除原始的 stage3，并创建一个新的、空的 stage3

rm -rf stage3 && mkdir stage3

在 stage3 中，我们创建一个用于安装 cockpit 的子阶段

mkdir stage3/00-cockpit

要在镜像上安装 cockpit，我们只需将其添加到软件包列表中

echo "cockpit" >> stage3/00-cockpit/00-packages

我们还希望配置新的 stage3 以输出镜像，因此我们只需在 stage3 目录中添加此文件

touch stage3/EXPORT_IMAGE

由于之前构建过程中已经存在中间镜像，我们可以通过在相关目录中添加 skip-files 来防止再次构建这些阶段

跳过 stage0 和 stage1 的构建过程

touch stage0/SKIP && touch stage1/SKIP

跳过 stage2 的构建过程，并跳过镜像创建

touch stage2/SKIP && touch stage2/SKIP_IMAGE

现在再次运行构建脚本

./build.sh

在 deployment 文件夹中，您现在应该找到一个压缩的镜像 <date>-Cockpit-lite.zip，它已准备好部署。

故障排除

如果您尝试应用更复杂的修改，那么使用 pi-gen 构建自己的 Raspberry Pi 镜像会涉及大量的尝试和错误。您肯定会遇到构建过程由于某种原因在中间停止的情况。由于构建过程中没有异常处理，因此如果过程停止，我们需要手动进行一些清理。

在过程停止后，chroot 文件系统很可能仍处于挂载状态。如果不卸载它，您将无法启动新的构建过程。如果它仍然挂载，请通过输入以下命令手动卸载它

umount work/<Build-date-&-image-name>/tmpimage/

我确定的另一个问题是，当 chroot 文件系统即将被卸载时，脚本停止了。在文件 scripts/qcow2_handling 中，您可以看到在尝试卸载之前直接调用了 sync。Sync 强制系统刷新写入缓冲区。当以虚拟机方式运行构建系统时，当调用 unmount 时，写入过程尚未准备就绪，因此脚本在此处停止。

为了解决这个问题，我只是在 sync 和 unmount 之间插入了一个 sleep，这解决了这个问题

Sleep in between sync and unmount - core dump example

（我知道 30 秒有点过分了，但由于整个构建过程需要 20 多分钟，30 秒只是沧海一粟）

修改现有镜像

与使用 pi-gen 构建镜像相反，您也可以直接在正在运行的 Raspberry Pi OS 上应用修改。在我们的场景中，只需登录并使用以下命令安装 Cockpit

sudo apt install cockpit

现在关闭您的 Raspberry Pi，取出 SD 卡，并将其连接到您的 PC。通过输入 lsblk -p 检查您的系统是否已自动挂载 SD 卡上的分区

Using lsblk -p to check mounting partitions

在上面的屏幕截图中，SD 卡是设备 /dev/sdc，并且 boot 和 rootfs 分区已自动挂载到提到的挂载点。在继续之前，请使用以下命令卸载它们

umount /dev/sdc1 && umount /dev/sdc2

现在我们将 SD 卡的内容复制到我们的文件系统中。确保您有足够的可用磁盘空间，因为镜像的大小将与 SD 卡相同。使用以下命令启动复制过程

dd if=/dev/sdc of=~/MyImage.img bs=32M

Copying image from the SD card

复制过程完成后，我们可以使用 PiShrink 缩小镜像。按照仓库中提到的安装说明进行操作，即

wget https://raw.githubusercontent.com/Drewsif/PiShrink/master/pishrink.sh
chmod +x pishrink.sh
sudo mv pishrink.sh /usr/local/bin

现在通过输入以下内容调用脚本

sudo pishrink.sh ~/MyImage.img

Invoking the pishrink.sh script

PiShrink 将镜像大小缩小了近十倍：从之前的 30GB 缩小到 3.5GB。您仍然可以通过在上传或共享之前对其进行压缩来优化大小。

就是这样，您现在可以共享和刷写此镜像了。

刷写镜像

如果您想使用 Linux 将您自己的自定义 Raspberry Pi 镜像刷写回 SD 卡，请按照以下步骤操作。

将 SD 卡插入您的 PC。如果之前已经安装过系统，您的系统很可能会自动挂载 SD 卡上的文件系统。您可以通过打开命令行并输入 lsblk -p 来检查这一点

Checking automatic mounting with lsblk -p

正如您在上面的屏幕截图中看到的，我的系统自动挂载了两个文件系统 boot 和 rootfs，因为此 SD 卡已包含 Raspberry Pi OS。在我们开始刷写 SD 卡之前，我们必须首先卸载文件系统，方法是输入

umount /dev/sdc1 && umount /dev/sdc2

lsblk -p 的输出应如下所示才能继续

Output of lsblk -p

现在您可以将镜像刷写到 SD 卡：打开命令行并输入

dd if=/path/to/image.img of=/dev/sdc bs=32M, conv=fsync

使用 bs=32M，您指定 SD 卡以 32 兆字节的块写入，conv=fsync 强制该过程物理写入每个块。

如果成功，您应该看到此输出

Successful output example

完成！您现在可以将 SD 卡放回 Raspberry Pi 并启动它。

总结

本文介绍的两种技术都有其优点和缺点。虽然使用 pi-gen 创建自己的自定义 Raspberry Pi 镜像比简单地修改现有镜像更容易出错，但如果您计划设置 CICD 管道，这是首选方法。我个人最喜欢的显然是修改现有镜像，因为您可以直接确保您应用的更改正在工作。

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Stephan Avenwedde
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Stephan 是一位技术爱好者，他欣赏开源，因为它能深入了解事物的工作原理。Stephan 在工业自动化软件这个主要为专有领域的行业担任全职支持工程师。如果可能，他会致力于他基于 Python 的开源项目、撰写文章或驾驶摩托车。
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