樹莓派4可以不用SD卡啟動?

2020-12-14 電子工程專輯

樹莓派4可以不用SD卡啟動？


  • 1.說明

  • 2.什麼是PXE啟動

  • 3.樹莓派4設置PXE啟動

  • 4.關鍵配置參數說明

  • 5.配置TFTP伺服器

  • 6.網絡文件系統

    • 6.1 主機上設置NFS文件系統

    • 6.2 樹莓派上設置啟動NFS的rootfs腳本


1.說明

Raspberry Pi 4具有一個SPI連接的EEPROM（4MBits / 512KB），其中包含用於啟動系統的代碼，並替換了先前在SD卡的啟動分區中找到的bootcode.bin。請注意，如果Pi 4的SD卡的啟動分區中存在bootcode.bin，則將其忽略。

也就是說，樹莓派4的啟動方式可以從SPI的EEPROM啟動了。關於為什麼需要這個EEPROM官方的說法是：

1.與以前的Raspberry Pi型號相比，Raspberry Pi 4的啟動過程和SDRAM的設置要複雜得多，因此，永久包含在SoC ROM中的代碼固有的風險更大。

2.USB已移至PCIe總線，千兆位乙太網驅動程序與以前的型號完全不同，因此，再次將其永久固定在SoC的ROM中是不可行的。

3.小容量SPI EEPROM允許在現場修復錯誤並在啟動後添加功能。

4.本地可修改狀態意味著Raspberry Pi 4上的網絡或USB大容量存儲啟動不需要OTP引導模式設置。Pi4上沒有用戶可修改的OTP引導模式位。

本文就講述一下如何設置樹莓派啟動，而改為網絡啟動的方式(TFTP)，目前樹莓派U盤啟動方式還不完善。雖然不用SD卡啟動，但是操作EEPROM的時候，還是要藉助SD卡進行啟動Linux，然後將啟動固件寫入到eeprom中。下面來詳細說明一下這個過程。

2.什麼是PXE啟動

PXE是用來通過網絡引導系統的。也就是系統通過網絡進行啟動，這樣就不用硬碟，從伺服器中獲取系統鏡像。

當安裝大量設備系統的時候，如果有了PXE啟動，那麼就可以大大加快系統的安裝的速度。

上面就是基本的一個PXE啟動的流程。

3.樹莓派4設置PXE啟動

樹莓派4上有EEPROM，可以將啟動固件放到EEPROM中。但是不幸的是，操作樹莓派自帶的EEPROM需要樹莓派的系統，也就是必須最開始的時候，需要製作啟動樹莓派4的SD卡鏡像，然後通過SD卡啟動Linux後，修改EEPROM中的內容。

關於如何製作樹莓派SD卡鏡像，可以參考我下面的文章：

樹莓派4最小化安裝Linux

三個前提條件：

1.登錄控制臺(用戶名：pi，密碼：raspberry)

2.樹莓派要能夠連接網絡

3.可以安裝配置rpi-config程序

3.1 安裝rpi-eeprom

rpi-eeprom是在樹莓派固件中操作樹莓派4的eeprom的程序，通過下面的命令進行安裝。

sudo apt-get updatesudo apt-get full-upgradesudo apt-get install rpi-eeprom

以上操作如果下載比較慢可以更換國內的源進行：

修改sources.list文件

sudo vim /etc/apt/sources.list

用#注釋掉之前的源，然後新增

deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian/ buster main non-free contribdeb-src http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian/ buster main non-free contrib

接著修改raspi.list

sudo vim /etc/apt/sources.list.d/raspi.list

同樣注釋掉之前的源

修改如下：

deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspberrypi/ buster main ui

修改完成就OK了。

安裝完成，檢測一下eeprom現有的配置。

vcgencmd bootloader_config

可以見到如下信息

以上的信息是我以及配置好了的，最開始的信息可能不是這個。但是沒關係，接下來教你設置。

第一步：提取配置文件

cp /lib/firmware/raspberrypi/bootloader/stable/pieeprom-2020-01-17.bin pieeprom.binrpi-eeprom-config pieeprom.bin > bootconf.txt

將配置文件進行拷貝，並且放到指定的目錄。pieeprom.bin就是配置文件，然後導出成txt文件。該文件的作用與之前樹莓派SD卡中的config.txt類似。

第二步：設置bootconf.txt中的內容

我配置的內容如下：

[all]BOOT_UART=1WAKE_ON_GPIO=1POWER_OFF_ON_HALT=0DHCP_TIMEOUT=45000DHCP_REQ_TIMEOUT=4000TFTP_FILE_TIMEOUT=30000TFTP_IP=192.168.12.194TFTP_PREFIX=1BOOT_ORDER=0x21SD_BOOT_MAX_RETRIES=3NET_BOOT_MAX_RETRIES=5TFTP_PREFIX_STR=raspi4/[none]FREEZE_VERSION=0

後面會解釋一下其中的內容。

第三步：將配置寫回pieeprom.bin文件中

rpi-eeprom-config --out pieeprom-new.bin --config bootconf.txt pieeprom.bin

這一步用於將配置文件寫回。

第四步：將pieeprom.bin燒錄到eeprom中

sudo rpi-eeprom-update -d -f ./pieeprom-new.bin

看到如下輸出信息即可

此時將SD卡取出，就可以看到系統從eeprom起來。

4.關鍵配置參數說明

BOOT_UART【關注】

如果設置為1，表示使能GPIO 14和 15的輸出，也就是我們可以連接串口打開信息。其串口參數為波特率115200，8位，無奇偶校驗位，1位的停止位。

對於有串口調試助手的，建議用硬體串口輸出信息，所以該位設置為1。

WAKE_ON_GPIO

如果為1，則「 sudo halt」將以低功耗模式運行，直到GPIO3或GLOBAL_EN短路接地。

TFTP_PREFIX【關注】

為了支持每個Pi的唯一TFTP引導目錄，引導加載程序會在文件名前面加上設備特定的目錄。如果在前綴目錄中都找不到start4.elf和start.elf，則清除前綴。在較早的型號上，序列號用作前綴，但是，在Pi4上，不再從序列號生成MAC地址，這使得很難通過檢查DHCPDISCOVER數據包在伺服器上自動創建tftpboot目錄。為此，可以將TFTP_PREFIX定製為MAC地址，固定值或序列號（默認）。

0 - Use the serial number e.g. "9ffefdef/"1 - Use the string specified by TFTP_PREFIX_STR2 - Use the MAC address e.g. "DC-A6-32-01-36-C2/" Default: 0

這裡我設置成1，讓後設置TFTP_PREFIX_STR路徑。

TFTP_PREFIX_STR【關注】

當TFTP_PREFIX設置為1的時候，可以設置TFTP_PREFIX_STR的路徑。例如

這是為了告訴樹莓派4，到哪個目錄下去找啟動文件。由於可能有不同的樹莓派固件，所以這裡會不同。

TFTP_IP

設置TFTP伺服器的IP位址,樹莓派的IP位址是通過DHCP自動獲取的。

BOOT_ORDER

該參數配置了不同的啟動模式

  • 0x0 - NONE (stop with error pattern)

啟動模式是一個32bit的通過特定的位來決定的。如果設置0x21，表示網絡啟動失敗時通過SD卡進行啟動。

如果設置成0x2則表示網絡啟動失敗，不通過SD卡啟動。這裡我們設置成0x21。

5.配置TFTP伺服器

如果不用SD卡，讓樹莓派4啟動，那麼啟動固件必須放在TFTP服務的特定的目錄中。

這裡我在Ubuntu上搭建了一個TFTP伺服器。

第一步:安裝tftpd-hpa

sudo apt-get install tftp-hpa tftpd-hpa

第二步:編輯腳本文件

sudo gedit /etc/default/tftpd-hpa

腳本內容如下：

# /etc/default/tftpd-hpa TFTP_USERNAME="tftp"TFTP_DIRECTORY="/home/bigmagic/tftpboot/" //tftpboot絕對路徑TFTP_ADDRESS=":69"TFTP_OPTIONS="--secure"

第三步:啟動伺服器

service tftpd-hpa restart

之後還需要做的事情就是

sudo chmod 777 /home/bigmagic/tftpboot/ -R

讓目錄權限變成可以訪問權限。

在/home/bigmagic/tftpboot/創建目錄，用於存放SD卡上的啟動文件

最後將SD卡中的文件放到樹莓派4中。

6.網絡文件系統

作業系統起來後，如果要掛在SD卡或者網絡文件系統，肯定是需要指定網絡文件系統的。之前在SD卡上製作啟動文件的時候，我們是將跟文件系統放在SD卡上所以通過PXE啟動後的效果如下：

找不到SD卡，通過網絡方式啟動

從網絡中讀取相關的文件。

可以看到檢測不到sd卡上的文件系統。接著我們需要通過網絡啟動文件系統。

6.1 主機上設置NFS文件系統

因為我們的文件系統是在NFS上，所以主機上設置NFS文件系統是讓樹莓派訪問文件系統。

其實前面的TFTP是引導系統，而這個NFS則是為了讓rootfs從NFS上啟動。

sudo apt install nfs-kernel-server

接著編輯nfs的相關配置

echo "/home/bigmagic/nfs/client1 *(rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash)" | sudo tee -a /etc/exports

設置權限

然後啟動服務

sudo service nfs-kernel-server restart

6.2 樹莓派上設置啟動NFS的rootfs腳本

由於現在樹莓派4上沒有了SD卡，啟動腳本在/home/bigmagic/tftpboot/raspi4中。所以去修改cmdline.txt文件。

修改文件內容如下:

console=serial0,115200 console=tty1 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.12.194:/nfs/client1,vers=4.1,proto=tcp rw ip=dhcp rootwait elevator=deadline

啟動ip地址自行修改。

接著執行

接下來要做的事情就是將我們的跟文件系統拷貝到/home/bigmagic/nfs/client1目錄下。

此目錄可以從我們之前製作的SD卡的rootfs文件系統中進行拷貝。

操作完成後輸入

echo "192.168.12.194:/tftpboot /boot nfs defaults,vers=4.1,proto=tcp 0 0" | sudo tee -a /home/bigmagic/nfs/client1/etc/fstab

以上操作後便可啟動網絡文件系統了。

7.總結

上述介紹了樹莓派4不用SD卡啟動系統的辦法，對於樹莓派4來說，可以通過內置的EEPROM進行啟動固件的存放。通過這種方式，可以為內核調試增加了許多方便的地方。這種對於做開發樹莓派的人來說，可以專注於程序的開發，不用為頻繁的插拔卡帶來煩惱。同時這種方式對鏡像升級也提供了很多便利。

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