标题：探索技术边界：构建树莓派4的裸机操作系统

标题：探索技术边界：构建树莓派4的裸机操作系统

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开篇语

在科技CEO的角色中，我不再亲自编写代码。但最近，我意识到我是多么怀念那份编程的乐趣。在这个全球性的“封锁”时期，由于无需通勤，我多了许多时间，于是我决定追寻儿时的梦想——为商业硬件编写一个裸机操作系统，而选择的平台正是树莓派4（RPi4）。

裸机意味着什么？

当我们在新电脑或平板上首次开机时，会看到微软Windows、Mac OS、iOS、Android或Linux启动的画面。这些都是操作系统，它们让计算机芯片对普通人友好地工作。操作系统帮助我们在屏幕上显示图像，处理键盘和鼠标等设备的消息，连接网络，播放声音，还有更多功能。

世界各地的软件开发者会在这些操作系统的之上构建应用程序（app）。这些app通过操作系统与硬件交互，因此开发者不必一遍又一遍地重复复杂的底层代码。结果就是，即使对硬件了解不多，也能成为软件开发者！而正是操作系统完成了繁重的工作，让我们得以使用Facebook、Instagram、WhatsApp、TikTok等应用。

没有操作系统，计算机就无法执行任何有用的任务。而现在，是时候摆脱束缚，亲自来告诉计算机该做什么了。这就是裸机编程的魅力所在。

硬件选择：树莓派4

如果想要控制一台计算机，首先需要对硬件感兴趣。其中的核心部件叫做CPU（中央处理器），它是每台计算机的心脏。多年来，很多公司设计出了CPU，如Intel和Arm，它们各有优势。如今，大多数智能手机都运行着基于Arm设计的芯片，而多数装有微软Windows的笔记本则采用Intel芯片。最终，你需要理解这两种不同的架构。在这个项目中，我选择了Arm架构的设备——树莓派4。

全新的树莓派4 Model B搭载了一个1.5 GHz 64位四核Arm Cortex-A72处理器，它是一个低成本且广泛应用的小型计算机。能为其编写裸机系统非常令人兴奋，想象一下，有一天别人可能会使用你的操作系统！此外，RPi4还配备了一些辅助硬件，方便我们进行开发。

入门硬件需求

要开始编写操作系统，你需要以下硬件：

• 树莓派4及专用电源和HDMI线
• 通过HDMI连接到树莓派4的显示器/电视
• 用于引导树莓派4的micro-SD卡
• 用于编写代码的电脑（开发机器）

确保你的开发机器可以读写micro-SD卡。例如，我购买了SD卡适配器，因为我的笔记本电脑的插槽太小。你也可能需要USB SD卡读卡器，如果电脑没有内置的话。

另外，一些必备的实用硬件：

• 镊子（我从妻子那里借用的）——插入/移除微小的micro-SD卡非常有用
• USB到串行TTL电缆——在你能将信息写入屏幕之前，这将帮助你查看操作系统的状态

软件需求

如果你不能运行他人的操作系统，那么编写自己的操作系统也无从谈起。我首先用树莓派官方推荐的Raspbian系统闪存了SD卡，使用他们网站上的非常便捷的Imager工具完成这个步骤。

安装好树莓派4并确保其正常运行Raspbian，网上有很多资源可以帮助你解决问题。Raspbian的启动将测试你的硬件设置是否正确。注意：由于我的电视性能一般，我需要在SD卡上的_config.txt_文件中设置hdmi_safe参数为1，才能看到屏幕。如果没有设置，屏幕将是黑色的。如果有问题，请参考树莓派官网的其他视频选项。

只有在成功运行Raspbian之后，才能继续下一步！

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树莓派4使用的是Arm Cortex-A72处理器，而你的开发机器可能是Intel处理器。因此，你需要一种名为交叉编译器的软件，它能帮你为不同架构编译代码。

使用Arm的Linux编译器

下载并解压Arm的gcc编译器。由于我在Windows 10中使用WSL模拟Ubuntu，所以我下载了x86_64 Linux主机的跨编译器。还要安装GNU make，很快你就会需要它。对于使用WSL的我来说，只需输入sudo apt install make和密码即可。

在Mac OS X（Apple Silicon或Intel）上使用clang

从App Store下载并安装Xcode，它免费提供了大量开发者工具，包括make。

推荐使用Homebrew安装LLVM。对于我来说，已经安装了Homebrew，所以只需输入brew install llvm。

LLVM将提供你在Mac上为树莓派裸金属编译所需的一切。即使是M1 MacBook Pro这样的Apple Silicon设备，也可以运行ARM处理器，同样适用。

直接在树莓派4上构建

关于如何直接在树莓派上构建，你可以阅读RPI-BUILD.md了解更多。

致谢

这里展示的并非全是我原创的作品，而是集成了众多优秀贡献者的想法和技术。

感谢：

• Zoltan Baldaszti的"Bare metal Raspberry Pi 3教程"(github)

如果你也希望被提及，欢迎与我联系！

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现在，你已准备好开始编写自己的操作系统！前往part1-bootstrapping >开始这段激动人心的旅程吧。

在这次开源项目中，你将亲手打造一个操作系统，体验从零开始的创造乐趣，掌握Arm架构的底层知识，并充分利用树莓派4的功能。无论你是技术爱好者还是专业的开发者，这都将是一段富有挑战性和满足感的探索之旅。一起加入吧，让我们在裸机编程的世界里，释放无限的创造力！