Raspberry Pi 2B开机过程分析

hzak

8年 ago

我们知道，通过NOOBS系统，Raspberry Pi 2B(树莓派)可以在一张TF卡上安装多个操作系统，你可以在启运的过程中选择进入哪一个操作系统，这个功能是如何实现的呢，我们需要对Raspberry Pi 2B(树莓派)的开机过程进行深入了解，以便能将定制的系统安装到Raspberry Pi 2B(树莓派)上。

从相关的文档上看，系统开机的过程是这样的：(Standalone partitioning explained · raspberrypi_noobs Wiki · GitHub和NOOBS partitioning explained · raspberrypi_noobs Wiki · GitHub)

加载并运行bootcode.bin
bootcode.bin运行时，加载并运行start.elf和fixup.dat
start.elf读取config.txt, 对GPU进行配置
start.elf读取cmdline.txt, 加载并运行kernel.img或者是kernel7.img(rpi 2b) 将cmdline.txt中的参数传递给kernel
kernel运行并解析command line, 去挂载根文件系统
kernel挂载根文件系统后，执行init进程，作linux系统的初始化

NOOBS启动过程：

加载并运行bootcode.bin
bootcode.bin发现start.elf文件不存在，加载并执行recovery.elf
recovery.elf读取recovery.cmdline, 加载recovery.img(kernel)或者是recovery7.img(rpi 2b)和recovery.rfs(initrd)
recovery.img运行并解析recovery.elf传递过来的command line
recovery.img将recovery.rfs文件作为根文件系统挂载，执行init进程初始化整个linux系统

NOTE: bootcode.bin, start.elf, kernel.img, kernel7.img, cmdline.txt, config.txt, recovery.elf, recovery.img, recovery.rfs, recovery.cmdline都是在SD卡的第一个FAT分区。start_cd.elf, fixup_cd.dat是cut-down版本， start_x.elf, fixup_x.elf是testing版本，具体请看这里： http://elinux.org/RPi_Software

在SD卡上支持多个系统的实现：

在recovery系统中，将要启动的系统的boot分区值写入/sys/module/bcm2708/parameters/reboot_part, 重启系统。

具体实现请看代码：https://github.com/raspberrypi/linux/blob/rpi-4.1.y/arch/arm/mach-bcm2709/bcm2709.c

reboot_part记录的的user space传过来的值，在系统重启时PM_RSTS记录重启的分区：

int calc_rsts(int partition)
{
	return PM_PASSWORD |
		((partition & (1 << 0))  << 0) |
		((partition & (1 << 1))  << 1) |
		((partition & (1 << 2))  << 2) |
		((partition & (1 << 3))  << 3) |
		((partition & (1 << 4))  << 4) |
		((partition & (1 << 5))  << 5);
}

static void bcm2709_restart(enum reboot_mode mode, const char *cmd)
{
	extern char bcm2708_reboot_mode;
	uint32_t pm_rstc, pm_wdog;
	uint32_t timeout = 10;
	uint32_t pm_rsts = 0;

	if(bcm2708_reboot_mode == 'q')
	{
		// NOOBS < 1.3 booting with reboot=q
		pm_rsts = readl(__io_address(PM_RSTS));
		pm_rsts = PM_PASSWORD | pm_rsts | PM_RSTS_HADWRQ_SET;
	}
	else if(bcm2708_reboot_mode == 'p')
	{
		// NOOBS < 1.3 halting
		pm_rsts = readl(__io_address(PM_RSTS));
		pm_rsts = PM_PASSWORD | pm_rsts | PM_RSTS_HADWRH_SET;
	}
	else
	{
		pm_rsts = calc_rsts(reboot_part);
	}

	writel(pm_rsts, __io_address(PM_RSTS));

	/* Setup watchdog for reset */
	pm_rstc = readl(__io_address(PM_RSTC));

	pm_wdog = PM_PASSWORD | (timeout & PM_WDOG_TIME_SET); // watchdog timer = timer clock / 16; need password (31:16) + value (11:0)
	pm_rstc = PM_PASSWORD | (pm_rstc & PM_RSTC_WRCFG_CLR) | PM_RSTC_WRCFG_FULL_RESET;

	writel(pm_wdog, __io_address(PM_WDOG));
	writel(pm_rstc, __io_address(PM_RSTC));
}

/* We can't really power off, but if we do the normal reset scheme, and indicate to bootcode.bin not to reboot, then most of the chip will be powered off */
static void bcm2709_power_off(void)
{
	extern char bcm2708_reboot_mode;
	if(bcm2708_reboot_mode == 'q')
	{
		// NOOBS < v1.3
		bcm2709_restart('p', "");
	}
	else
	{
		/* partition 63 is special code for HALT the bootloader knows not to boot*/
		reboot_part = 63;
		/* continue with normal reset mechanism */
		bcm2709_restart(0, "");
	}
}

如将/dev/mmcblk0p2格式化成FAT分区，将bootcode.bin, config.txt, start.elf, fixup.dat, cmdline.txt kernel7.img保存在这个分区

做如下操作就可以启动这个分区的系统（rpi2b, 待验证）：

$ sudo echo 2 > /sys/module/bcm2709/parameters/reboot_part
$ sudo reboot

其他启动规则：

如何启动分区中有recovery.elf, 会优先启动recovery系统（待验证）->[2016-01-02]已更新
如果recovery系统已经运行，那么要进入正常系统之前，recovery系统会往/sys/module/bcm2709/parameters/reboot_part中写值，以防止系统重启后进入的还是recovery的系统（待验证）->[2016-01-02]已更新
从上面的代码可以看出，分区63用于关机，不能作为启动分区

再看看开机log(串口log), 找一根串口线（TTL电平）， raspberry pi 的GPIO口： 6 – GND, 8 – TX, 10 – RX。log如下：

Uncompressing Linux... done, booting the kernel.
?
Welcome to the rescue system
recovery login: Uncompressing Linux... done, booting the kernel.
[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0xf00
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpu
[    0.000000] Initializing cgroup subsys cpuacct
[    0.000000] Linux version 3.18.7-v7+ (dc4@dc4-XPS13-9333) (gcc version 4.8.3 20140303 (prerelease) (crosstool-NG linaro-1.13.1+bzr2650 - Linaro GCC 2014.03) ) #755 SMP PREEMPT Thu Feb 12 17:20:48 GMT 2015
[    0.000000] CPU: ARMv7 Processor [410fc075] revision 5 (ARMv7), cr=10c5387d
[    0.000000] CPU: PIPT / VIPT nonaliasing data cache, VIPT aliasing instruction cache
[    0.000000] Machine model: Raspberry Pi 2 Model B
[    0.000000] cma: Reserved 8 MiB at 0x3c800000
[    0.000000] Memory policy: Data cache writealloc
[    0.000000] [bcm2709_smp_init_cpus] enter (8620->f3003010)
[    0.000000] [bcm2709_smp_init_cpus] ncores=4

从”Welcome to the rescue system”和”Recovery login”, 这时进入的时recovery的系统。同时由显示屏上显示的界面也印证了第一次开机最先进入的是recovery系统。如果这时用启没有按键盘上的shift键，一段时间后会进入正常的系统。

启动盘的制作

在Windows下，按照NOOBS_lite_v1.5/INSTRUCTIONS-README.txt的方法，使用SD formatter进行format，SD最开始的4MB空间会被保留，也就是说第一个分区是从4MB开始的，在Linux下使用fdisk进行分区，最开始会保留1MB的空间。

最重要的一点：第一个分区一定要标记为FAT32分区，也是就type为0xb，并且将该分区格式化成FAT32文件系统否则无法开机。

如果不想使用NOOBS作启动系统，可以将recovery.img或者recovery7.img(RPi 2B)和recovery.rfs替换掉。

Command (m for help): p

Disk /dev/sdb: 7948 MB, 7948206080 bytes
245 heads, 62 sectors/track, 1021 cylinders, total 15523840 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x4187c4d3

   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sdb1            2048      231423      114688    b  W95 FAT32
/dev/sdb2          231424      460799      114688   83  Linux
/dev/sdb3          460800      985087      262144   83  Linux

[2016-01-02更新] 原来并不是我想的那样，先看一下分区表：

Disk /dev/mmcblk0: 15.9 GB, 15931539456 bytes
4 heads, 16 sectors/track, 486192 cylinders, total 31116288 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00080214

        Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/mmcblk0p1            8192     1679687      835748    e  W95 FAT16 (LBA)
/dev/mmcblk0p2         1687552    31050751    14681600   85  Linux extended
/dev/mmcblk0p3        31050752    31116287       32768   83  Linux
/dev/mmcblk0p5         1695744     2744319      524288   83  Linux
/dev/mmcblk0p6         2752512     2875391       61440    c  W95 FAT32 (LBA)
/dev/mmcblk0p7         2883584    31049727    14083072   83  Linux

Command (m for help):

/dev/mmcblk0p1 存放的是recovery系统启动所需要的文件：bootcode.bin, recovery.elf, recovery7.img, recovery.rfs, recovery.cmdline.

而/dev/mmcblk0p6存放的是raspbian系统启动所需的文件：bootcode.bin, config.txt, start.elf, fixup.dat, kernel7.img, cmdline.txt

所以系统第一次开机的时候进入recovery系统，recovery系统更新PM_RSTS寄存器，通知CPU重启后加载raspbian系统的boot分区。由于PM_RSTS寄存器系统重启时数据不丢失，所以在raspbian系统里面输入reboot的时候系统重启加载的是raspbian系统boot分区所在的代码。

相关文档：