Raspberry Pi 3 Model B をネットワークブートで起動させる (U-Boot編)

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概要
はじめに
各手法における特徴
実行環境
目標とする環境
Raspberry Pi 3Bの設定
- システム構成パラメータの更新
- U-Bootの構築
ネットワークブートサーバの設定
- ブートイメージの作成
実行結果
おわりに
変更履歴
参考

概要

Raspberry Pi 3 Model B からSDカードに保存したU-Boot (32bit) を起動し、メインラインカーネル (32bit) をネットワークブートするための環境を構築する方法を解説する。

Raspberry Pi 3B にはU-Bootのバイナリを格納したSDカードを差し込み、U-Bootを利用してネットワーク上にあるネットワークサーバからブートイメージとルートファイルシステムを取得する。
ネットワークブート用のサーバはUbuntu 18.04 LTS上にdnsmasqとnfs-kernel-serverをインストールし、メインラインカーネル (32bit) *1をビルドしておく。

はじめに

組込みシステムの開発段階やデバッグ段階では、ネットワーク経由でシステムを起動（ネットワークブート）できることが理想的である。
ネットワークブートができる環境が構築されていれば、組込みシステムのファームウェアに再書き込みせずにデータを共有することができる。

Raspberry Pi はARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータの一つで、手軽に入手できる点や世の中に情報が多い点から組込みシステムの入門として用いられることが多い。

しかし、Raspberry Pi 3B のROMには幾つかの不具合が報告されており、ROMによるネットワークブートが安定しない。

一方で、Raspberry Pi 3B のROMから別のブートローダをロードし、そのブートローダからネットワークブートする手法が存在する。 Das U-Boot（U-Boot）は組込み系で広く利用されているブートローダの一つであり、Raspberry Pi 3B でも利用することができる。

U-Bootには機能として、簡易のコマンドやドライバが組み込まれており、TFTPを利用してネットワークブートすることができる。

U-Bootでネットワークブートを用いたRaspberry Pi 3Bの起動シーケンスを下記に示す。

Raspberry Pi 3Bに電源投入すると、GPUが起動する。
GPUは1段目のブートローダを起動。One-Time Programmable (OTP) メモリのブートモードに従ったメディア(今回はSD card)から、2段目のブートローダbootcode.binを取得する。
bootcode.binを実行する。
bootcode.binはSDRAMを有効化する。
bootcode.binはファームウェアstart.elfを読み込む。
start.elfを実行する。
start.elfはconfig.txtを指定されたメディア(今回はSD card)から取得する。
start.elfはcmdline.txtを指定されたメディア(今回はSD card)から取得する。
start.elfはconfig.txtのkernelパラメータで指定されたu-boot.binを指定されたメディア(今回はSD card)から取得する。
u-bootを実行する。
u-bootはTFTP経由でzImageを取得する。
取得したzImageをSDRAMの指定場所(${kernel_addr_r})に読み込む。
u-bootはTFTP経由でbcm2837-rpi-3-b.dtbを取得する。
取得したbcm2837-rpi-3-b.dtbをSDRAMの指定場所(${fdt_addr_r})に読み込む。
ARM coreにリセット指令を発行し、${kernel_addr_r}番地からプログラムを実行する。

下記は、Raspberry Pi 3Bが起動するまでに必要となるファイル群である。

ファイル名	格納先	概要
config.txt	SD card	システム構成パラメータ
cmdline.txt	SD card	カーネルコマンドライン(もしかしたら不要)
start.elf	SD card	一般的なRaspberry Piのファームウェア
fixup.dat	SD card	start.elfのリンカファイル
bootcode.bin	SD card	SoCに備わっているブートローダ
zImage	Server	カーネルイメージ
bcm2710-rpi-3-b.dtb	Server	デバイスツリーファイル (bcm2837-rpi-3-b.dtb でも代用可能)

そこで本記事では、Raspberry Pi 3B でメインラインカーネルをネットワークブートするための環境を構築する方法を紹介する。

各手法における特徴

前回の記事では、Raspberry Pi 3Bをネットワークブートする手法としてROM内のファームウェアを利用した。ネットワークブートのための手法はいくつか存在しているが、それぞれ特徴が異なる。

ROM内のファームウェアを利用した場合の特徴としては以下の点があげられる。

SDカード周りのデバッグやドライバの開発などに向いている。
運用中はSDカードが不要なので、SDカードを用意するコストを最小限に抑えることができる。

一方、U-Bootを利用した場合の特徴としては以下の点があげられる。

起動対象の差を設定によって吸収できる。
(Raspberry Pi 3B の場合) 不具合の影響が小さい。
U-Bootに備わっている簡易コマンドを利用することで、別プログラムをロードしたり多段ブートすることを容易である。

実行環境

実験環境は前回構築した環境をそのまま使用する。

ネットワークブートサーバの詳細は下記のとおりである。

名前	詳細
OS	Ubuntu 18.04 LTS
Kernel	5.3.0-40-generic
NIC (ホームセグメント側)	eth0
NIC (開発側セグメント)	eth1
IPアドレス (eth0)	192.168.1.11
IPアドレス (eth1)	172.16.1.1
ホスト名	server
Raspberry Pi 3Bのブートイメージ格納予定	`/srv/boot`
Raspberry Pi 3Bのルートファイルシステム格納予定	`/srv/rootfs`
シリアルデバイスファイル	`/dev/ttyUSB0`
シリアルポートのボーレート	115200

また、使用するRaspberry Pi 3Bの詳細は下記のとおりである。

名前	詳細
ファームウェア	4.19.97-v7+
NIC	eth0
IPアドレス	172.16.1.2 (DHCP)
ホスト名	raspberry
ストレージ	HIDISC microSDHCカード 8GB CLASS10 UHS-1対応
デバイスファイル	/dev/sdb1

目標とする環境

本記事が目標とするネットワークブートの構成は下記のとおりである。

「Raspberry Pi 3Bに挿入してあるU-Boot(32bit)がネットワークブートを担うこと」と「起動するカーネルはメインラインカーネルのARM(32bit)」以外は前回の記事と同様のことを目指す。

今回使用したソフトウェアのバージョンは下記のとおりである。

名前	バージョン
U-Boot	v2020.07-rc1
mainline kernel	v5.7-rc3
dnsmasq	v2.79-1
nfs-common	1:1.3.4-2.1ubuntu5.2

Raspberry Pi 3Bの設定

ネットワークブートサーバの設定は、システム構成パラメータの更新とU-Bootの構築の2ステップ必要になる。

システム構成パラメータの更新

config.txtから読み込むカーネルファイルをU-Bootに変更する。

 user@server:~$ mount /dev/sdb1 /mnt/tmp
 user@server:~$ echo 'kernel=u-boot.bin' > /mnt/tmp/config.txt
 user@server:~$ umount /mnt/tmp

U-Bootの構築

今回の手順では、別のマシン(ネットワークブートサーバ)でU-Bootをビルドし、バイナリをSDカードにコピーする。

リポジトリをダウンロードする。

  user@server:~$ git clone git://git.denx.de/u-boot.git
  user@server:~$ cd u-boot

ARMクロスコンパイラ(32bit)をインストールする。
```
  user@server:~$ apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
```

Raspberry Pi 3B (32bit) 用の.configファイルを生成する。

  user@server:~$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- USE_PRIVATE_LIBGCC=yes rpi_3_32b_defconfig

U-Bootをビルドする。
```
  user@server:~$ make
```

生成したバイナリ(u-boot.bin)をSDカードにコピーする。

  user@server:~$ mount /dev/sdb1 /mnt/tmp
  user@server:~$ cp u-boot.bin /mnt/tmp/
  user@server:~$ umount /mnt/tmp

ネットワークブートサーバの設定

ネットワークブートサーバの設定は、ブートイメージの作成、ルートファイルシステムの取得、DHCP/TFTPサーバの構築、NFSサーバの構築の4ステップ必要になる。

ブートイメージの作成以外は、前回の記事で構築した環境をそのまま利用する。

ブートイメージの作成

メインラインカーネルをビルドするのに必要なパッケージをインストールする。
```
  user@server:~$ sudo apt install git bc bison flex libssl-dev make
```

mainlineのkernelのソースコードをクローンする。

  user@server:~$ git clone --depth=1 https://github.com/torvalds/linux.git
  user@server:~$ cd linux

ARM用の.configファイルを生成する。

  user@server:~$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- defconfig

カーネルをビルドする。

  user@server:~$ make -j$(nproc) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- zImage modules dtbs

生成したカーネルイメージとDevice Tree blobsをtftpサーバの公開ディレクトリにコピーする。

  user@server:~$ sudo cp arch/arm/boot/dts/*.dtb /srv/tftpboot/
  user@server:~$ sudo cp arch/arm/boot/zImage /srv/tftpboot/

実行結果

minicom経由でアクセスする。

 U-Boot 2020.04-00687-gd16d37bcd4 (Apr 29 2020 - 09:27:20 +0000)

 DRAM:  948 MiB
 RPI 3 Model B (0xa32082)
 MMC:   mmc@7e202000: 0, sdhci@7e300000: 1
 Loading Environment from FAT... *** Warning - bad CRC, using default environment

 In:    serial
 Out:   vidconsole
 Err:   vidconsole
 Net:   No ethernet found.
 starting USB...
 Bus usb@7e980000: scanning bus usb@7e980000 for devices... 3 USB Device(s) found
        scanning usb for storage devices... 0 Storage Device(s) found

Device Tree blobsをメモリ上に展開する。

 U-Boot> dhcp ${fdt_addr_r} ${fdtfile}
 Waiting for Ethernet connection... done.
 BOOTP broadcast 1
 DHCP client bound to address 172.16.1.2 (6 ms)
 Using smsc95xx_eth device
 TFTP from server 172.16.1.1 our IP address is 172.16.1.2
 Filename 'bcm2837-rpi-3-b.dtb'.
 Load address: 0x2600000
 Loading: ##################################################  13.8 KiB
          1 MiB/s
 done

カーネルイメージをメモリ上に展開する。

 U-Boot> tftp ${kernel_addr_r} zImage
 Waiting for Ethernet connection... done.
 Using smsc95xx_eth device
 TFTP from server 172.16.1.1; our IP address is 172.16.1.2
 Filename 'zImage'.
 Load address: 0x80000
 Loading: ##################################################  9.3 MiB
          2.7 MiB/s
 done

カーネルパラメータを設定する。

 U-Boot> setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=${serverip}:/srv/rootfs,vers=3,proto=tcp rw rootwait ip=${ipaddr}:${serverip}:${gatewayip}:${netmask}::eth0:off nfsrootdebug

指定番地にあるカーネルを起動させる。

 U-Boot> bootz ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}                                                                                                                            
 Kernel image @ 0x080000 [ 0x000000 - 0x953200 ]
 ## Flattened Device Tree blob at 02600000
    Booting using the fdt blob at 0x2600000
    Using Device Tree in place at 02600000, end 02606725

 Starting kernel ...

 <<< snip >>>

 Raspbian GNU/Linux 10 raspberrypi ttyS0

 raspberrypi login: