Raspberry Pi3に外部USBデバイスで起動するARM64版Ubuntu 18.04環境を構築した際の記録．主にARM/RaspberryPi - Ubuntu Wikiを参考に作業した．
準備するもの
- Raspberry Pi3 Model B（USB Bootモードをオンにしたもの．参考：Raspberry Pi3 USBデバイスからブートする方法 | ある計算機屋さんの手帳）
- Ubuntuインストール用イメージ（ubuntu-18.04-server-arm64.iso）を焼いたUSBメモリ（以後「インストール用USBメディア」と呼ぶ）
- インストール時の起動用microSDカード
- システムをインストールするUSBデバイス（USB接続の128GB SSDを利用）
- 作業用Linuxマシン
起動用microSDカードの作成
Linuxでの作業
microSDカードをパーティションテーブルmsdos (MBR)，ファイルシステムfat16またはfat32でフォーマットする（カード全体でも先頭の一部分でもOK）．
適当な場所にマウント：
$ sudo mount /dev/XXX1 /mnt
GPUファームウェアとブートローダをダウンロード，展開してコピー：
$ wget https://github.com/raspberrypi/firmware/archive/master.zip
$ unzip master.zip
$ sudo cp -r firmware-master/boot/* /mnt
ここで展開したファイルは後で使うのでまだ消さない．
U-bootをコンパイルしてコピー：
$ sudo apt install git make gcc gcc-aarch64-linux-gnu bison flex
$ git clone --depth 1 git://git.denx.de/u-boot.git
$ cd u-boot
$ make rpi_3_defconfig
$ make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
$ cd ..
$ sudo cp u-boot/u-boot.bin /mnt/kernel8.img
ここでコンパイルしたファイルは後で使うのでまだ消さない．
デバイスツリーblobをコピー：
$ 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/
アンマウント：
$ sudo umount /mnt
インストール
Pi3での作業
起動用microSDカードとインストール用USBメディアをPi3に差して起動する．
起動が始まってからシステムをインストールするUSBデバイスを繋ぐ．
GRUBメニューが現れたらInstall Ubuntu Serverが選ばれた状態でeでエディットモードに入る．
linuxで始まる行の末尾のあたり（---の直前）にpartman-partitioning/default_label=msdosと追記（カーソルが表示されないがカーソルキーでインサートポイントが動くので手探りで適切な場所を探す）してCtrl-xでブート．インストーラが起動する．
言語，キーボード，ネットワーク，アカウントなどの設定は適当に．以下では日本語を選択したものとして説明する．
ディスクのパーティショニングのダイアログが現れたら，手動を選択．システムをインストールするUSBデバイスを確認し，以下の手順でパーティションを作成する：
- 該当デバイス（おそらく大抵の場合
sdb）自体を選択しEnter．新しい空のパーティションテーブルを作成． - 該当デバイスすぐ下の空き領域を選択し
Enter．新しいパーティションの作成→64MB〜128MB程度を指定→基本パーティション→先頭→利用方法をEFIシステムパーティションに変更，起動フラグがオンになっているのを確認してパーティションのセットアップを終了． - 該当デバイスの残りの空き領域を選択し
Enter．新しいパーティションの作成→max→論理パーティション→マウントポイント/，ファイルシステムext4になっていることを確認してパーティションのセットアップを終了． -
パーティショニングの終了とディスクへの変更の書き込みを選択．
ハードディスクへのGRUBブートローダのインストールに失敗するので，続けるで一度インストールプロセスから抜けて，ブートローダなしで続けるを選択し，インストールを続行．
インストールが終了し，再起動がかかったら一旦電源オフ．インストール用USBメディアとシステムをインストールしたUSBデバイスをPi3から外す．
EFIパーティションのフラグを変更
Linuxでの作業
システムをインストールしたUSBデバイスをLinuxに繋いで，先頭パーティションのespフラグを外す．デバイスのパーティションテーブルがmsdosになっていることを確認．
GRUBのインストール
Pi3での作業
起動用microSDカードとシステムをインストールしたUSBデバイスをPi3に差して起動する．GRUBのプロンプトが表示されるので以下を実行（デバイスの番号が違っていたら適宜読み替えてください）：
grub> ls
（パーティションのリストが返る．おそらく(hd0,msdos5)がUSBデバイスのルートパーティション）
grub> set root=(hd0,msdos5)
grub> linux /boot/vmlinuz root=/dev/sda5
grub> initrd /boot/initrd.img
grub> boot
（initrd /boot/initrd.imgのところでエラーが出た．もう一度この行を繰り返しても同様だった．そこで，USBデバイスをMBR/FAT32で一度まっさらにフォーマットして，再度システムのインストールからやり直したら成功した．原因は不明）
システムが起動したらログインして以下を実行：
$ sudo grub-install --no-nvram
$ sudo update-grub
$ sudo shutdown -h now
電源を切って，起動用microSDカードを外す．
ファームウェア他のコピー
Linuxでの作業
システムをインストールしたUSBデバイスのブート領域にGPUファームウェア，ブートローダ，U-bootをコピー（上で起動用microSDに行ったのと同じ作業）：
$ sudo mount /dev/XXX1 /mnt
$ sudo cp -r firmware-master/boot/* /mnt
$ sudo cp u-boot/u-boot.bin /mnt/kernel8.img
$ sudo umount /mnt
システム起動
Pi3での作業
システムをインストールしたUSBデバイスだけをPi3に接続して電源オン．うまく起動すれば成功．
あとはデスクトップ環境をインストールするなり，LAMPサーバにするなりよしなにどうぞ．
起動後の話
最初にsudo apt upgradeした際に
Couldn't find DTB bcm2710-rpi-3-b.dtb ...
というエラーが発生し，upgradeが完了しなかった．/etc/flash-kernel/dtbs/にbcm2710-rpi-3-b.dtbが見当たらない，という意味に読めたので
$ wget https://github.com/raspberrypi/firmware/blob/master/boot/bcm2710-rpi-3-b.dtb
$ sudo cp bcm2710-rpi-3-b.dtb /etc/flash-kernel/dtbs/
を実行．
改めてupgradeすると，今度は
mv: cannot move ...
とエラー．
$ sudo mkdir /boot/firmware
してupgradeするとエラーが消えた．
（このような対処で適切なのかどうか不明．よくわかっていません）
（2019.7.2追記．他のモデルのRaspberryPiの場合は https://github.com/raspberrypi/firmware/blob/master/boot/ から適切なdtbファイルを取得して使ってください）