树莓派的UEFI支持和网络启动

本文档介绍如何让树莓派4B支持UEFI(UEFI第三方固件支持PSCI标准实现,混合部署的从核启停依赖此功能),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UEFI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。

环境准备流程参照 关键特性/树梅派4B的支持/树梅派构建指导 构建指导部分。

openeuler-image-uefi启动使用指导

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

../_images/launch_step1.png
../_images/launch_step2.png
../_images/launch_step3.png
../_images/launch_step4.png
../_images/launch_step5.png

2 更改boot order或手动选择SD卡启动,如下,最后选择Commit Changes and Exit

../_images/boot_order1.png
../_images/boot_order2.png
../_images/boot_order3.png
../_images/boot_order4.png

启动截图

../_images/boot.png

Attention

  • 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【官方说明

  • 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

编译工具链:可用openEuler Embedded的交叉编译工具链,参照 快速上手/基于SDK的应用开发 部分。

设备:建议树莓派4B的出厂配置,包括树莓派4B基础套件和SD卡

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

  • openEuler烧录参考

    # 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

  • 树莓派UEFI固件(v1.33版本为例)

    • 下载上述固件后解压,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/
    

Attention

  • 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,清务必删除,否则将影响启动。

3 制作grub并选择启动方式

  • SD卡启动参考本文档章节: 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档章节: 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/

Note

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
}

Note

上述内容需配合oepnEuler 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gizp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,清务必删除,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grup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,内容示例:

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,示例内容如下:

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

Note

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

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

Note

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

Attention

  • 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服务目录下(/var/lib/tftpboot)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。

../_images/rasp_uefi.png