Booting process in Beaglebone Black / Serial 통신 / meta-raspberrypi Image

markyang92·2021년 4월 25일

yocto

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Booting process in BB

Booting Process in Beaglebone black
- AM335x는 HW의 complex piece지만 제한된 internal RAM (128kB)를 가지고 있다.
- 제한된 RAM 용량 때문에, 다수의 부트로더 단계가 요구된다.
- 부트로더 단계는 체계적으로 디바이스의 모든 기능을 unlock한다. 커널에게 디바이스의 모든 복합성을 사용하도록한다.
- AM335x는 4 단계 부트로더 스테이지가 있다.
  1) ROM
  2) SPL (Secondary Program Loader)
  3) u-boot
  4) Linux Kernel

Boot Stage	Terminology #1	Terminology #2	Actual Program Name
1	Primary Program Loader	-	ROM code
2	Secondary Program Loader(SPL)	1st stage bootloader	u-boot SPL (여기서는 MLO)
3	-	2nd stage bootloader	u-boot
4	-	-	kernel

`I. ROM`

1st stage bootloader: ROM Code

부트로더 1st stage는 디바이스의 ROM에 flash된다.
ROM code는 디바이스가 start-up 혹은 Power-on Reset(POR) 이후에 자동적으로 실행되는 코드의 첫 번째 블럭에 있다.
- 하드코딩 되어 있어서 user가 바꿀 수 없다.
ROM code는 두 가지 주요 기능이 있다.
- 디바이스의 Configuration, Primary peripherals의 초기화
  - stack setup
  - configure watchdog timer 1 (set to three mins)
  - PLL, System clock configuraiton
- Next bootloader에 대한 디바이스 준비
  - next bootloader용 boot source (SPL) 체크
  - 실행될 next bootloader code를 memory로 옮김

ROM code의 주요 목적은 second stage bootloader(SPL; Secondary Program Loader)에 대한 디바이스 셋업이다.
- 기본적으로 Sitara AM3359 내부의 ROM Code는 onboard eMMC인 MMC1 인터페이스로 부터 처음 부트된다.
  뒤이어 MMC0 (external uSD), UART0 and USB0에서 부트된다.
- boot switch(S2)가 power-up하는 동안 눌려지면, ROM은 SPI0 인터페이스에서 처음 부트될 것이고 뒤이어 MMC0(external uSD), USB0, UART0에서 부트된다.

`II. SPL`

2nd stage bootloader: SPL

full 기능의 u-boot는 400kB이상 될 수 없다. (internal RAM; AM335x는 128kB)
그런 이유로, u-boot SPL(Second Program Loader)라고 불리는 u-boot cut down 버전이 처음에 로드된다.
- SPL이 CPU를 초기화하면, 풀 버전의 u-boot(u-boot.img)를 chain load한다.
SPL의 이름은 MLO가 될 것이다.
- MMC의 active first partition에 위치 될 것이고 FAT12/16/32로 format 되어야한다.

`III. u-boot`

3rd stage bootloader: u-boot

u-boot 시리얼 터미널을 통한 커널 부트 환경을 강력한 커맨드기반 제어를 할 수 있다.
- user는 boot argument나 kernel boot command와 같은 다수의 parameter에 대해 전체적인 컨트롤 할 수 있다.
추가적으로 u-boot 환경 변수는 configure할 수 있다.
- 이러한 환경변수는 기억 매체에 uEnv.txt에 저장된다.
u-boot의 built-in 환경은 부팅 때, 커널에 전해 주기 위해 기본적으로 am335x-boneblack.dts를 로드한다.
- uEnv.txt에서 분명하게 다른 DTS를 지정할 수 있고, 커맨드라인 argument를 커널에 전달할 수 있다.
u-boot는 또한 DHCP를 통한 network information 얻기 및 로딩해 환경 변수에 전달할 수 있다.
마지막으로 u-boot는 커널과 DTS를 memory로 로드하고 some 커맨드라인 arguments를 갖고 커널을 부팅한다.
커널 초기화와 rootfs를 마운트한다.
기본적으로 rootfs는 microSD 카드의 second partition(mmcblk0p2)에 포함되며, ext3 파일시스템으로 포맷된다.

SD카드 피티션 부팅 파티션 셋팅

SD 카드 꼽기

lsblk 로 어떻게 마운트 되있는지 찾아보기
다음과 같은 그림이 나옴

언마운트 umount

$ umount /dev/sda1
$ umount /dev/sda2

fdisk 명령 실행, 이전 파티션 제거
fdisk 명령 참고

$ sudo fdisk /dev/sda		# sda1 같은게 아닌 '디바이스 기준'
Command (m for help): d		# d는 파티션 삭제 명령
Selected partition 1
...중략
Command (m for help): d
Selected partition 2
Partition 2 has been deleted.

Command (m for help): p		# p로 디바이스 정보 조회
Disk /dev/sda: 29.8 GiB, 32026656768 bytes, 62552064 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (local/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x7b59cb23

Command (m for help):

fisrt partition primary타입의 32MB의 파티션 생성

Command (m for help): n			# n 으로 새로운 파티션 생성
Partition type:
    p	primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
    e	extended
Select (default p): p		# p나 엔터를 쳐도 디폴트로 primary된다.
Partition number (1-4, default 1): 1 	# 파티션 넘버 1 지정
First sector (2048-62552063, default 2048):	# First Sector: 2048
Using default value 2048
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (2048-62552063, default 62552063): +32M # 2048 + 32MB

Created a new partition 1 of type 'Linux' and of size 32 MiB.
Partition #1 contains a vfat signature.

Do you want to remove the signature? [Y]es/[N]o: Y

The signature will be removed by a write command.

second partition에 rootfs 빌드할 것임

Command (m for help): n
Partition type:
    p	primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
    e	extended
Select (default p): p
Partition number (1-4, default 2): 2
First sector (67584-62552063, default 67584):
Using default value 67584
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (67584-62552063, default 62552063):

Create a new partition 2 of type 'Linux' and of size 29.8 GiB.
Partition #2 contains a ext4 signature.

Do you want to remove the signature? [Y]es/[N]o: Y

The signature will be removed by a write command.

first partition은 boot flag 설정
- fdisk에서 a 옵션은 부팅 파티션 설정이다.

Command (m for help): a
Partition number (1,2, default 2): 1

The bootable flag on partition 1 is enabled now.

first parititon을 WIN95 FAT32 (LBA)로 셋

Command (m for help): t	# t 명령은 파티션의 시스템 ID 변경(파일 시스템 종류 변경)
Partition number (1,2, default 2): 1
Hex code (type L to list all codes): L
...중략...
 c  W95 FAT32 (LBA)
...중략...
Hex code (type L to list all codes): c

Changed type of partition 'Linux' to 'W95 FAT32 (LBA)'.

Command (m for help): p
Disk /dev/sda: 29.8 GiB, 32026656768 bytes, 62552064 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
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x7b59cb23

Device	  Boot	Start	End		Sectors		Size	Id	Type
/dev/sda1 *	2048	67583		65536		32M	c	w95 FAT32 (LBA)
/dev/sda2	67584	62552063	62484480	29.8G	83	Linux

Filesystem/RAID signature on partition 1 will be wiped.
Filesystem/RAID signature on partition 2 will be wiped.

Command (m for help): w		# 꼭 w 로 저장후 fdisk 명령을 종료해야함
The partition table has been altered!
Calling ioctl() to re-read partition table.
Syncing disks.

Format first partition as FAT using the following cmd

label을 BOOT 으로 셋

$ sudo mkfs.vfat -n "BOOT" /dev/sda1

Format second partition as ext4 using the following cmd

label을 ROOT 으로 셋

$ sudo mkfs.ext4 -L "ROOT" /dev/sda2
mke2fs 1.44.1 (24-Mar-2018)
Creating filesystem with 7810560 4k blocks and 1954064 inodes
Filesystem UUID: eb928e08-5745-4b1a-9f16-31c17af70077
Superblock backups stored on blocks:
	32768, 98304, 163840, 229376, 294912, 819200, 884736, 1605632, 2654208,
    4096000
    
Allocating group tables: done
Writing inode tables: done
Creating journal (32768 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: # 1~2 분 소요됨 -> done

Copy bootloader to SDcard

SD카드는 자동으로 /media/${USER}에 마운트된다.
- 안되면, 수동으로하자
  $ sudo mount /dev/sda1 /media/${USER}/BOOT
  $ sudo mount /dev/sda2 /media/${USER}/ROOT

마운트 정보 조회

$ mount
...중략...
/dev/sda2 on /media/$USER/ROOT type ext4 (rw,nosuid,nodev,relatime,uhelper=udisks2)
/dev/sda1 on /media/$USER/BOOT type vfat (rw,nosuid,nodev,relatime,uid=1000,gid=1000,fmask=0022,dmask=0022,codepage=437,iocharset=iso8859-1,shortname=mixed,showexec,utf8,flush,errors=remount-ro,uhelper=udisks2)

Copy MLO, u-boot bootloader를 부트 파티션으로

$ sudo cp MLO /media/${USER}/BOOT
$ sudo cp u-boot.img /media/${USER}/BOOT

Copy Kernel image도 부트 파티션으로

$ sudo cp zImage /media/${USER}/BOOT
$ sudo cp am335x-boneblack.dtb/${USER}/BOOT

Check files

[IMAGE].tar.bz2를 ext4 파티션에 압축 해제

$ sudo tar -xf core-image-minimal-beaglebone-yocto.tar.bz2 -C /media/${USER}/ROOT

Check files

$ sync 명령!!

sync 명령
- 시스템 작업을 위하여 모니터를 보고 있는 이 순간에도 뒤에서는 IO 작업이 이루어진다.
- IO작업이 이루어지는 도중 전원이 나가거나 장애로 인해 시스템이 다운되거나 umount, 카드 강제 eject 되면 메모리 데이터 유실
- 그래서 데이터 명령 입력 후 sync 명령을 내려 동기화

SD card umount

$ sudo umount /media/$USER/BOOT
$ sudo umount /media/$USER/ROOT

Serial Communication

Host와 Target(beaglebone black)을 시리얼 통신
USB TTL-2303(PL2303) for serial communication

Serial 연결
USB-TTL <-> J1 Connector of Beaglebone Black

J1 Pin	USB TTL Function
1	GND ground
4	RXL
5	TXL

$ dmesg
Host에서 Target Device와 USB serial 연결 확인

minicom 연결

$ sudo minicom -s

Host에서 minicom 명령으로 Target과 Serial 통신

위와 같이 설정후 Save setup as...

참고로 dfl은 디폴트임

비글본 블랙 전원 on

로그인 화면이 뜬다.
beaglebone-yocto logrin: root

로그인 성공

erase eMMC

기본적으로 eMMC(embedded MultiMediaCard) boot가 선택되어 있다.
- eMMC 파티션에서 MLO를 renaming 했고, 이미 가지고 있는 이미지로 부팅하기 때문에 eMMC boot disable 해야한다.
다음의 u-boot prompt 상의 두 커맨드로 간단하게 eMMC boot Disable할 수 있다.
- u-boot prompt에서 멈추기 위해 powering up 이후 timeout 전에 press Enter!

# mmc dev 1
# mmc erase 0 512

첫 번째 명령은 eMMC card를 선택한다.
두 번째 명령은 beaglebond이 eMMC로 부터 부팅 시도를 하지 않게 하기 위해 지정한 곳을 삭제한다.

준비한 SD카드를 꼽고 다시 비글본 power on 하자

meta-raspberrypi

라즈베리파이 BSP Image를 만들어보자.

https://layers.openembedded.org/layerindex/branch/master/layers/에서 라즈베리파이 BSP 레이어 다운로드

git clone 한다.

$ git clone git://git.yoctoproject.org/meta-raspberrypi

주의!! poky 브랜치와 같은 코드네임으로 checkout!

dependency check
README

dependencies
이 레이어는 디펜던시가 poky, meta-openembedded 레이어
- poky는 있으니까, meta-openembedded 레이어 다운!
  - $ git clone git://git.openembedded.org/meta-openembedded
  - branch를 poky code-name과 맞추어 checkout
- meta-raspberrypi 레이어는 meta-openembedded 에서 meta-oe, meta-multimedia, meta-networking, meta-python 레이어 사용함을 명심

bblayers.conf에 위 레이어들 등록

build/conf/bblayers.conf에 meta-raspberrypi 레이어와 하위 디펜던시 레이어를 추가한다.

$ bitbake-layers show-layers

build/conf/local.conf에 MACHINE 변수에 추가할 MACHINE.conf 레시피 확인

라즈베리파이 BSP 레이어 내부 conf/machine 에서 확인

build/conf/local.conf에 MACHINE = "raspberrypi4-64"으로 변경
추가적으로 저장공간 아끼고 싶으면 INHERIT += "rm_work" 추가

meta-raspberrypi BSP 레이어에서 지원하는 이미지 체크

$ ls poky/meta-raspberrypi/recipes-*/images

rpi-hwup-image.bb: core-image-minimal
rpi-basic-image.bb: core-image-minimal, with some added featrues
(ssh-server-dropbear a splash screen)
rpi-test-image.bb: rpi-basic-image, with some pkgs present in meta-raspberrypi

rpi-hwup-image.bb 내용

rpi-basic-image.bb 내용

UART

라즈베리파이는 기본적으로 UART disabled set
build/conf/local.conf에서 ENABLE_UART = "1" 하면 UART 사용 가능

bitbake build

원하는 라즈베리파이 image를 bitbake build하면된다.

rpi-basic-image falsh

$ bitbake rpi-basic-image
poky/build/tmp/deploy/images/raspberrypi3/rpi-basic-image-raspberrypi3.wic.bz2 생성확인

주의!! wic 파일이 이미지파일임
1. wic.bz2 -> $ bunzip2 로 bz2 압축풀기 -> wic 파일만 flash 해야함
2. $ bunzip2 -f ./image.wic.bz2
3. $ wic ls ./image.wic로 확인 (wic는 현재 쉘이 source oe-init-env가 적용된 상태에서 사용할 수 있음)

4. flash

$ sudo dd if=[img위치]/rpi-basic-image-raspberrypi3.wic of=/dev/sdb bs=4096 status=progress && sync
$ sudo eject /dev/sdb

Power up `RPI`

Stage 1 Booting - OnChip ROM

GPU: On, CPU: Off, SDRAM: Off

Broadcom SoC에 작은 boot ROM이 있다.
- SD card에 bootcode.bin을 찾도록 프로그램되어 있다. ---- (bootloader)
bootcode.bin을 찾아 L2 Cache메모리에 로드한다. ----- (bootcode.in)

Stage 2 Booting - bootcode.bin

GPU: On, CPU: Off, SDRAM: On

VideoCore GPU에서 실행된다.
SDRAM이 사용가능해 진다.
Stage 3에서 사용될 start.elf가 SDRAM에 로드된다. -------- (start.elf)

Stage 3 Booting - start.elf

GPU: On, CPU: On, SDRAM: On

start.elf는 VCOS(VideoCore OS)라고 알려져 있는 GPU에 대한 완전한 독점 OS이다.
- VideoCore에 대한 configuration parameter (Video/HDMI modes, memory, console frame buffers etc)와 Linux Kernel (load addresses, device tree, uart/console baud rates etc) kernel= kernel.img를 포함하는 config.txt를 읽음으로써 시작한다. ----- (config.txt)
- cmdline.txt가 존재하면 이를 로드해서 그 내용을 커널 커맨드 라인으로서 전달한다. -- (cmdline.txt)
ARM CPU를 활성화하고 ARM CPU에서 실행되는 커널 이미지를 로드한다. ---- (kernel.img)
dtb 파일을 로드한다.

serial

USB TTL-2303(PL2303) for serial communication
USB-TTL은 J8 커넥터에 연결된다.

J8 Pin	USB TTL Function
6	GND
8	RXL
10	TXL

$ sudo minicom -s

-> Serial port setup -> 115200 8N1
-> Save setup as dfl

ssh

이미지 rpi-basic-image를 설치 했을 때, ssh 사용가능하다.

실행되면서, Dropbear SSH server를 실행한다.
위의 예에서 raspberrypi ssh IP는 그위에 표시된대로 192.168.0.100이다.

용량 늘리기

SD 용량에 비해 너무나도 root filesystem의 Size가 작다.
Lets add extra free space to the root filesystem image!!
변수는 KB단위
- Default value : 0
- 예: 4 GB의 Free space가 필요하다면, IMAGE_ROOTFS_EXTRA_SPACE = "4194304"

Check EXTRA SPACE value

build $ bitbake -e rpi-basic-image | grep ^IMAGE_ROOTFS_EXTRA_SPACE=

build/conf/local.conf에서 IMAGE_ROOTFS_EXTRA_SPACE = "4194304"

$ bitbake rpi-basic-image

다시 이미지 Flash
- $ sudo dd if=rpi-basic-image-raspberrypi4.rpi-sdimg of=/dev/sdb bs=4096 && sync

markyang92

pllpokko@alumni.kaist.ac.kr

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`I. ROM`

`II. SPL`

`III. u-boot`

SD카드 피티션 부팅 파티션 셋팅

Serial Communication

erase eMMC

meta-raspberrypi

bitbake build

rpi-basic-image falsh

Power up `RPI`

serial

ssh

용량 늘리기

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