树莓派(Raspberry Pi)修改系统镜像(img)

树莓派修改系统镜像

讨论如何使用通过loop设备映射文件，挂载树莓派img中的分区，然后像普通的文件系统那样修改镜像分区中的文件。

有2个关键点

• 如何确认分区的起始位置，以及分区的范围。
• 不同版本的losetup支持的参数不一样，如果支持-P参数特性，则可以直接加载分区，无需再手动计算偏移量，可以像挂载普通硬盘一样直接生成分区块设备

准备工作

• 需要一个支持linux设备，已经root了的termux，或者，一个普通的linux发行版均可。
• 需要用到的关键命令losetup,fdisk,tun2fs,mount,请检查是否都有。
• 大部分操作均需要root权限。
• 去源内下载一份镜像文件。

第一步:下载镜像

首先，下载一个可以用于写入树莓派的img镜像，国内可以在清华的镜像站中下载。

清华源的地址:https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspberry-pi-os-images/raspbian/images/raspbian-2020-02-14/

我下载的是2020-02-13-raspbian-buster.zip，解压后得到2020-02-13-raspbian-buster.img，img文件可以直接烧录到内存卡，它实际上是个包含了mbr分区表的磁盘映像。

第二步:使用losetup命令把img文件映射成块设备

首先我们先确认losetup支持的选项，有没有-P选项:

#这是我手机版本的losetup
$losetup --help
usage: losetup [-cdrs] [-o OFFSET] [-S SIZE] {-d DEVICE...|-j FILE|-af|{DEVICE FILE}}

Associate a loopback device with a file, or show current file (if any)
associated with a loop device.

Instead of a device:
-a      Iterate through all loopback devices
-f      Find first unused loop device (may create one)
-j      Iterate through all loopback devices associated with FILE

existing:
-c      Check capacity (file size changed)
-d      Detach loopback device

new:
-s      Show device name (alias --show)
-o      Start assocation at OFFSET into FILE
-r      Read only
-S      Limit SIZE of loopback association (alias --sizelimit)

看帮助信息，它不支持-P参数，直接加载一个多分区的img文件，它不会生成/dev/loop0p1这样的分区块设备。

如果losetup支持-P参数，那么，可以这样让他/dev生成分区的块设备loop0p1

#losetup -f -P ./2020-02-13-raspbian-buster.img

再查看/dev下loop有没有生成对应分区的块设备，如果额外生成/dev/loop0p2这样的文件，则直接挂载这个设备。如果没有，继续以下步骤，手动计算分区的起始位置和大小。

注意，linux发行版的losetup如果没有-S参数，请看看是否是--sizelimit参数，没有-o的话，则看看--offset,先通过losetup --help查看

第三步：确认分区数量和分区的位置

上面的losetup有两个很重要的参数

• -S Limit SIZE of loopback association

• • 指定映射的文件部分内容(可以用来设定分区的大小)

• -o Start assocation at OFFSET into FILE

• • 跳过多少个字节(用这个参数可以指定分区的起始位置)

不同版本的可能losetup相关的参数有细微的不同，要以实际为准。

那么需要确定分区的起始和结束位置。先尝试把整个img映射，注意，这需要root权限

加载当前文件夹的2020-02-13-raspbian-buster.img

#losetup -f ./2020-02-13-raspbian-buster.img

映射后通过losetup命令(不带参数)得知，文件映射到了/dev/loop0这个设备

因为img包含了mbr分区表信息，我可以使用fdisk来读取分区表,获取分区信息。

#fdisk -l  /dev/loop0
Disk /dev/loop0：3.5 GiB，3787456512 字节，7397376 个扇区
单元：扇区 / 1 * 512 = 512 字节
扇区大小(逻辑/物理)：512 字节 / 512 字节
I/O 大小(最小/最佳)：512 字节 / 512 字节
磁盘标签类型：dos
磁盘标识符：0xea7d04d6

设备         启动   起点    末尾    扇区  大小 Id 类型
/dev/loop0p1        8192  532479  524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/loop0p2      532480 7397375 6864896  3.3G 83 Linux

通过分区表，我获得了一些信息。

• 这个是个3.5G的映像。
• 这个img有2个分区，一个是fat32分区（/dev/loop0p1），一个是linux的ext分区。(/dev/loop0p2)
• 分区的具体物理位置（起点、末尾），分区大小（扇区）
• 这个磁盘镜像每个扇区是512字节

他虽然写了/dev/loop0p2这样的设备，但是实际上，可能/dev下根本没有loop0p1 loop0p2这两个块设备文件。

此时需要换一种方式，根据分区在文件内的位置，直接映射分区到loop设备，然后再挂载。

第3.5步：计算分区位置及大小

因为img文件包含一个mbr分区表，可以通过查看分区表确认分区数量和位置，通过以上fdisk读取的分区表信息可以得知，该img有2个分区。

fat32类型那个分区应该存放内核，config.txt之类的分区，也就是我们烧录后看到内存卡只有256m的原因。

linux类型分区是树莓派的根分区，也就是进系统后，挂载在/的根分区

此时我需要计算根分区的起始位置，如果我需要改动config.txt，则计算fat32分区的位置，以下以计算根分区为例。

逻辑扇区大小为512字节，分区大小为扇区数量的512倍字节，需要乘以扇区大小(下面换算分区大小同理)，根分区的起始位置则换算为

512 * 532480 = 272629760

它偏离文件起始的272629760字节，即用-o参数指定偏移的值。

分区的大小为

512  * 6864896 = 3514826752

使用-S参数限制映像文件的内容范围，记录下来以上信息后，卸载loop设备(此处为/dev/loop0)，然后再重新进行映射。

卸载设备

#losetup -d /dev/loop0

再次映射

#losetup -f -o 272629760 -S 3514826752 ./2020-02-13-raspbian-buster.img

此时，我们再次losetup看看映射的loop设备

#losetup
NAME        SIZELIMIT    OFFSET AUTOCLEAR RO BACK-FILE                                                      DIO LOG-SEC
/dev/loop0 3514826752 272629760         0  0 /home/xxx/raspbian/2020-02-13-raspbian-buster.img   0     512                                                                           0     512

可以看到sizelimit字段和offset字段都有了具体的值，和我们设置的一致。/dev/loop0映射到了映像文件的根分区范围内

这是一个ext分区，我们可以通过tun2fs来读取文件系统的超级块

#tun2fs -l /dev/loop0

可以看到以下内容

tune2fs 1.44.5 (15-Dec-2018)
Filesystem volume name:   rootfs
Last mounted on:          /mnt/raspbian
Filesystem UUID:          80571af6-21c9-48a0-9df5-cffb60cf79af
Filesystem magic number:  0xEF53
Filesystem revision #:    1 (dynamic)
Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype extent flex_bg sparse_super large_file dir_nlink extra_isize
Filesystem flags:         unsigned_directory_hash 
Default mount options:    user_xattr acl
Filesystem state:         clean
Errors behavior:          Continue
Filesystem OS type:       Linux
Inode count:              214704
Block count:              858112
Reserved block count:     42905
Free blocks:              133541
Free inodes:              108390
First block:              0
Block size:               4096
Fragment size:            4096
Reserved GDT blocks:      209
Blocks per group:         32768
Fragments per group:      32768
Inodes per group:         7952
Inode blocks per group:   497
Flex block group size:    16
Filesystem created:       Fri Feb 14 00:15:48 2020
Last mount time:          Sat Aug 15 04:54:28 2020
Last write time:          Sat Aug 15 05:22:08 2020
Mount count:              3
Maximum mount count:      -1
Last checked:             Fri Feb 14 00:15:48 2020
Check interval:           0 ()
Lifetime writes:          3052 MB
Reserved blocks uid:      0 (user root)
Reserved blocks gid:      0 (group root)
First inode:              11
Inode size:           256
Required extra isize:     32
Desired extra isize:      32
Journal inode:            8
Default directory hash:   half_md4
Directory Hash Seed:      6006b686-6f27-4ca7-b7ea-d1d803c3da46
Journal backup:           inode blocks

说明正确读出了该分区下文件系统的超级快。可以挂载。

第4步：挂载文件系统

在当前文件夹下新建一个root文件夹作为分区的挂载点。

#mkdir root

挂载

#mount -t ext4 -o rw /dev/loop0 root

挂载成功后，通过当前目录下root挂载点访问img中根分区的内容。需要修改什么内容就尽情修改吧！

修改完成后使用sync命令同步写入磁盘。

#sync
#sync
#sync

退出root文件夹后，卸载当前目录下root挂载点

#umount root

取消映射关系，分离

#losetup -d /dev/loop0

插入tf卡后，用dd指令把img文件写入,假设内存卡设备为/dev/sdc

dd if=./2020-02-13-raspbian-buster.img of=/dev/sdc

镜像比较大，而且tf卡性能较差的情况下，写入的速度比较慢，需要耐心等待。

写入成功后，sync同步，即可取出tf卡。树莓派系统刷写完毕。