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Embedded SIG | 树莓派的UEFI支持和网络启动

openEuler2022-10-13运维Linux

混合部署的从核启停依赖 UEFI 第三方固件支持 PSCI 标准实现,本文介绍如何使树莓派 4B 支持 UEFI,并可通过 SD 卡或网络启动 openEuler Embedded。

使用 openEuler Embedded UEFI+GRUB 的树莓派镜像

openEuler Embedded 的树莓派镜像集成了基于树梅派 4B 的混合部署环境依赖,因此建议直接使用 openEuler Embedded UEFI+GRUB 的树莓派镜像,该镜像对齐 tiny 镜像的软件包配置,并集成 openssh 支持网络登录、混合部署 mcs 依赖库及混合部署 mcs 预留内存 mcsmem dtoverlay。

构建树梅派 openeuler-image-uefi 镜像和烧录

分支支持要求:openEuler-22.09 及之后的主线 master 分支。

环境准备流程参考前期发布的《openEuler Embedded 对树莓派 4B 的支持》内构建指导部分。

  • 构建命令示例:
su openeuler
source /usr1/openeuler/src/yocto-meta-openeuler/scripts/compile.sh raspberrypi4-64 /usr1/openeuler/src/build/build-raspberrypi4-64/
bitbake openeuler-image-uefi
  • 构建镜像生成示例:
openeuler-image-uefi-raspberrypi4-64-*.rootfs.rpi-sdimg
  • 将 openeuler-image-uefi-raspberrypi4-64-*.rpi-sdimg 烧录到 SD 卡。

  • openEuler 烧录参考《openEuler Embedded 对树莓派 4B 的支持》内镜像使用方法部分。

openeuler-image-uefi 启动使用指导

「步骤 1」:烧录后首次启动需修改 UEFI 配置,启动阶段按 ESC 进入 UEFI,按下图操作解锁 3G 内存限制并关闭 ACPI 选用 DEVICETREE,保存重启后再操作步骤 2。 123

4

5

「步骤 2」:更改 boot order 或手动选择 SD 卡启动,如下,最后选择 Commit Changes and Exit。

6789「步骤 3」:启动

10「注意:」

  • 此 UEFI 版本的固件默认使用 3G 内存 limit,可以在 UEFI 菜单中关闭 3G limit,否则系统启动后你看到的内存只有 3G(参考官方配置说明:https://github.com/pftf/RPi4/ )。

  • 该版本 UEFI+ACPI 部署方法有缺陷(HDMI 驱动异常),首次使用必须进入 UEFI 菜单,使用 DEVICETREE 模式。

手动刷新固件使树莓派 4B 支持 UEFI 引导

环境/工具准备

openEuler Embedded 标准镜像 + UEFI 固件下载和刷新方法

1 将 openEuler Embedded 树莓派镜像烧录到 SD 卡

如何获得 openEuler Embedded 树莓派镜像,参考前期发布的《openEuler Embedded 对树莓派 4B 的支持》。

# 假设镜像名 openeuler-image-raspberrypi4-64.rootfs.rpi-sdimg,SD卡识别为/dev/sda (linux环境)
sudo dd bs=4M if=openeuler-image-raspberrypi4-64.rootfs.rpi-sdimg of=/dev/sda

烧录完成后,将 SD 卡(boot 盘)根目录的 kernel8.img 文件压缩成 Image.gz:

# boot分区可能已经满了,移出kernel8.img再操作
mv SDbootVolumes/kernel8.img /tmp/Image
gzip -c /tmp/Image > SDbootVolumes/Image.gz

2 下载树莓派 UEFI 固件

以 v1.33 版本为例,通过https://github.com/pftf/RPi4/releases/download/v1.33/RPi4_UEFI_Firmware_v1.33.zip下载树莓派 UEFI 固件,下载固件后解压,将除了bcm2711-rpi-4-b.dtb之外的所有文件拷贝到 SD 卡(boot 盘)根目录(覆盖之前的文件):

# 备份bcm2711-rpi-4-b.dtb
cp SDbootVolumes/bcm2711-rpi-4-b.dtb /bakdir/bcm2711-rpi-4-b.dtb
cp -rf /xxx/RPi4_UEFI_Firmware_v1.33/* SDbootVolumes/
# 恢复使用备份的openEuler Embedded的dtb
cp /bakdir/bcm2711-rpi-4-b.dtb SDbootVolumes/

「注意:」

  • 3G 内存解锁和关闭 ACPI 使能 DEVICETREE 请参考上述“openeuler-image-uefi 启动使用指导”章节

  • kernel8.img 不再需要,请务必删除,否则将影响启动。

3 制作 grub 并选择启动方式

  • SD 卡启动参考本文章节:树莓派 UEFI 之手动制作 grub 并通过 SD 卡启动 openEuler Embedded

  • 网络卡启动参考本文章节:树莓派 UEFI 之手动制作 grub 并通过网络启动 openEuler Embedded

树莓派 UEFI 之手动制作 grub 并通过 SD 卡启动 openEuler Embedded

grub 准备(编译+制作 grub 启动组件)

「grub 源码获取」

下载地址:https://github.com/coreos/grub/releases/tag/grub-2.02

「grub 组件编译」

解压源码包并进入根目录,准备开始构建 arm64-efi(交叉编译)的 grub 库,注意此时交叉编译工具已经配置完毕,按如下步骤执行:

./autogen.sh
./configure --prefix=/xxx/grub-2.02/build --with-platform=efi --disable-werror --target=aarch64-openeuler-linux-gnu
make

构建成功后,在当前目录会生成对应的二进制和 grub 组件依赖库,其中 grub-core 即制作 grub-efi 需要的工具库,grub-mkimage 即制作板子 grub.efi 引导的 host-tool。

「制作引导程序」

接下来制作板子引导 grub 程序,下例输出名为 bootaa64.efi,生成后请放置到 SD 卡 boot 分区的对应目录(/EFI/BOOT/bootaa64.efi):

./grub-mkimage -d ./grub-core -O arm64-efi -o bootaa64.efi -p '' ls grub-core/*.mod | cut -d "." -f 1
mkdir -p SDbootVolumes/EFI/BOOT
cp ./bootaa64.efi SDbootVolumes/EFI/BOOT/

「说明:」 xxxxx 目录中请不要带“.”,否则请适配上述语法。

「制作引导配置文件」

最后,编辑 grub.cfg 配置文件,grub.cfg 配置文件同 bootaa64.efi 放在一起(/EFI/BOOT/grub.cfg),就绪后在 UEFI 菜单中选择 SD 卡启动即可。grub.cfg 示例内容如下(后面是 cmdline 内容,linux gz 压缩的内核,使用 SD 卡分区,不需要 initrd):

insmod gzio
set timeout=0

menuentry 'Start OpenEuler' {
echo "openEuler test."
linux /Image.gz coherent_pool=1M 8250.nr_uarts=1 snd_bcm2835.enable_compat_alsa=0 snd_bcm2835.enable_hdmi=1 bcm2708_fb.fbwidth=1824 bcm2708_fb.fbheight=984 bcm2708_fb.fbswap=1 smsc95xx.macaddr=E4:5F:01:38:E2:E2 vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000  dwc_otg.lpm_enable=0 console=tty1 console=ttyS0,115200 console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 rootwait
}

「说明:」

上述内容需配合 openEuler Embedded 构建的树莓派镜像,并在 UEFI 非 ACPI(DEVICETREE)下使用,dtb 使用 openEuler Embedded 镜像中的内容。其中 Image.gz 即内核 Image 的 gzip 压缩,可通过gzip -c kernel8.img > Image.gz获得(若使用 openEuler Embedded 镜像),kernel8.img 不再需要,请务必删除,否则将影响启动。

树莓派 UEFI 之手动制作 grub 并通过网络启动 openEuler Embedded

1 准备 PXE 部署服务器

以 ubunutu 14.04 为例,dhcp 中指定的 filename 就是 grub 的 efi 引导文件名。

假设服务器网段为 192.168.10.x,服务器 IP 为 192.168.10.1,网卡 eth0 用于 dhcp 服务,初始化服务器 IP 示例:

sudo ifconfig eth0 192.168.10.1 up

2 使能 DHCP 服务

安装 DHCP 软件:

sudo apt-get install isc-dhcp-server

编辑/etc/dhcp/dhcpd.conf 文件,例如:

allow booting;
allow bootp;
option domain-name "example.org";
default-lease-time 600;
max-lease-time 7200;
ddns-update-style none;

subnet 192.168.10.0 netmask 255.255.255.0 {
range 192.168.10.100 192.168.10.200;
filename "mygrub.efi"; #默认下载的grub文件名,和3中制作的efi引导程序名字需匹配
option routers 192.168.10.1;
next-server 192.168.10.1; #tftp服务器IP,PXE必须,HTTPBOOT可选
option broadcast-address 192.168.10.255;
}

配置 DHCP 服务网络接口,编辑文件/etc/default/isc-dhcp-server增加/修改字段:

INTERFACES=”eth0” #dhcp使用的网卡 启动 DHCP 服务:

sudo /etc/init.d/isc-dhcp-server restart

3 使能 TFTP 服务

安装 TFTP 服务器软件:

sudo apt-get install tftpd-hpa

配置 TFTP 服务,编辑/etc/default/tftpd-hpa文件,例如:

TFTP_USERNAME="tftp"
TFTP_ADDRESS=":69"
TFTP_DIRECTORY="/var/lib/tftpboot/"
TFTP_OPTIONS="--secure -l -c -s"

启动 TFTP 服务:

sudo /etc/init.d/tftpd-hpa restart

4 grub 准备(编译+制作 grub 启动组件)

  • 「grub 源码获取」

下载地址:https://github.com/coreos/grub/releases/tag/grub-2.02

  • 「grub 组件编译」

解压源码包并进入根目录,准备开始构建 arm64-efi(交叉编译)的 grub 库,注意此时交叉编译工具已经配置完毕,按如下步骤执行:

./autogen.sh
./configure --prefix=/xxx/grub-2.02/build --with-platform=efi --disable-werror --target=aarch64-openeuler-linux-gnu
make

构建成功后,在当前目录会生成对应的二进制和 grub 组件依赖库,其中,grub-core 即制作 grub-efi 需要的工具库,grub-mkimage 即制作板子 grub.efi 引导的 host-tool。

  • 「制作引导程序」

接下来制作板子引导 grub 程序,下例输出名为 mygrub.efi:

./grub-mkimage -d ./grub-core -O arm64-efi -o mygrub.efi -p '' ls grub-core/*.mod | cut -d "." -f 1

「说明:」

xxxxx 目录中请不要带“.“,否则请适配上述语法。

  • 「制作引导配置文件」

最后,编辑 grub.cfg 配置文件,grub.cfg 配置文件放在 tftp 的根目录(/var/lib/tftpboot/grub.cfg),就绪后在 UEFI 菜单中选择 IPV4 网络启动即可,grub.cfg 示例内容如下(Image.gz 后面是 cmdline 内容,linux gz 压缩的内核,initrd 文件系统):

insmod gzio
set timeout=0

menuentry 'Start OpenEuler' {
echo "openEuler test."
linux /Image.gz coherent_pool=1M 8250.nr_uarts=1 snd_bcm2835.enable_compat_alsa=0 snd_bcm2835.enable_hdmi=1 bcm2708_fb.fbwidth=1824 bcm2708_fb.fbheight=984 bcm2708_fb.fbswap=1 smsc95xx.macaddr=E4:5F:01:38:E2:E2 vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000  dwc_otg.lpm_enable=0 console=tty1 console=ttyS0,115200 console=ttyAMA0,115200
initrd /initrd.cpio.gz
}

附:网络启动时内核 Image.gz 和文件系统 initrd 的来源说明

文件系统例子

若使用网络启动,可使用 openEuler Embedded 构建的标准树梅派镜像构建过程中的 rootfs 并手动打包,也可使用 openEuler Embedded 发布的 qemu-aarch64 参考文件系统 (https://repo.openeuler.org/openEuler-22.03-LTS/embedded_img/arm64/aarch64-std/openeuler-image-qemu-aarch64-20220331025547.rootfs.cpio.gz)

手动打包 rootfs 例子(预先需准备 openEuler Embedded 树梅派已构建完成的环境):

# 假设已经处于构建build目录
cd tmp/work/raspberrypi4_64-openeuler-linux/openeuler-image/1.0-r0/rootfs/
find . | cpio -H newc -o | gzip -n9c > ../initrd.cpio.gz
# 生成在上层目录的initrd.cpio.gz即为所需文件系统

「说明:」

配置文件系统/etc/inittab 时注意 getty 登录时串口重定向要配置正确,否则可能没有打印。(树莓派 4B 硬件串口 PL011 对应,引脚 14TXD 和 15RXD)

内核例子

若使用网络启动,可使用 openEuler Embedded 构建的标准树梅派镜像中的 kernel8.img,格式即 Image,然后通过 gzip 压缩为 Image.gz 格式。

内核单独编译例子(openEuler) 参考 openEuler 树莓派交叉编译内核 :https://gitee.com/openeuler/raspberrypi/blob/master/documents/交叉编译内核.md

「注意:」

  • 若使用上述 UEFI+ACPI 部署方法,必须在 config 中开启 ACPI 系列功能支持。在make menuconfig ARCH=arm64菜单中,选中 ACPI 默认系列支持。建议在 UEFI 中关闭 ACPI 选用 DEVICETREE(参考 openeuler-image-uefi 启动使用指导相关配置)。

  • 编译生成的 Image,在上述 efi 配置下,grub.cfg 的 Linux 格式需使用 gz 命令压缩成 Image.gz。

操作说明

将上述内核和文件系统,放在 tftp 服务目录(/var/lib/tftpboot)下即可进行网络启动。

网络启动基本流程如下:

  1. DHCP 服务器给单板分配 IP

  2. 单板启动 UEFI 选择 PXE 启动

  3. PXE 根据 DHCP 的 filename 和 tftp 服务器地址,从 tftp 服务器下载 mygrub.efi

  4. 进入 grub 引导程序,根据 grub.cfg 配置,从对应 tftp 目录下载文件系统和内核并加载启动

其中,使用的 ACPI 资源表/DTB 是 UEFI 固件初始化好的(引导内核前已放在对应内存),不过 cmdline/bootargs 可通过 grub.cfg 进行配置,在加载内核时,grub 会传递给 UEFI 并上报给系统。

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