Banana Pi: через U-Boot к Arch Linux

Уже четвёртый год подряд, с момента выпуска Raspberry Pi, на рынки всего мира поставляются различные микрокомпьютеры на отличных от x86 архитектурах, которые выполняют роль медиацентров, контроллеров умных домов, веб-серверов и чего только душа гика не пожелает!

К 2014-2015 году не все были довольны вычислительными возможностями «малинки» и начался выпуск десятков его клонов с более мощным железом. У большинства из них есть недостатки: фиксированная устаревшая версия ядра и загрузчика, небольшой выбор дистрибутивов. Под катом расскажу о том, как сбросить оковы вендора на примере Banana Pi.

Предыстория

Во второй половине 2014 года захотелось иметь домашний сервер, выбор встал между классическим на архитектуре x86 с процессором серии Intel Atom и чем-то новым для меня — микрокомпьютером на базе ARM.

После оценки соотношений цены/производительности/возможностей выбор пал на Banana Pi — кроху с двухъядерным Allwinner A20, 1 гигабайтом DDR3, гигабитным LAN'ом, SATA разъёмом и прочими прелестями подобных устройств. Наигравшись пару дней, я смастерил из пластмассовых деталей корпус, в который Banana и была заточена и долго служила для всяких мелких задач.

Дистрибутив стоял Bananian — это Debian 7 Wheezy урезанный во многом для экономии ресурсов. Более нового Debian 8.x нет и по сей день, можете сами представить насколько там старый софт, который получает лишь заплатки безопасности. Всё это безобразие продолжалось до середины лета…



Наконец в июле возникла необходимость поднять веб-сервер и сопутствующие ему сервисы для своего pet project. Пора было сменить старый Debian на что-то менее консервативное и более удобное для меня.

Постановка задачи

К дистрибутиву было поставлено несколько требований: должен «из коробки» иметь репозитории покрывающие все нужды, программы в них должны быть наиболее приближённые к последним доступным версиям. Я слежу за развитием дистрибутивов и входящих в них программ, но при этом ленюсь компилировать всё из сорцов, поэтому очевидным выбором стал Arch Linux.

На сайте производителя в разделе загрузок меня ждал просроченный на год образ с зашитым необновляемым ядром (3.4.100), загрузчиком такой же давности причём от другого устройства (Cubieboard 2). На сайте Arch Linux'а поддержки Banana Pi не было заявлено. Исходя из всего этого оставалось только одно: скомпоновать и запустить дистрибутив самому.

Матчасть

Das U-Boot (происхождение названия как-то связано с субмаринами и игрой слов на немецком и английском языках, см. U-boat)
Это загрузчик операционной системы, ориентированный на устройства c архитектурами MIPS, PowerPC, ARM и другими. Умеет он многое: загружает систему с NAND, NOR, SPI, MMC, SATA, USB, TFTP, NFS, может сам храниться в ПЗУ устройства или внешней памяти, имеет встроенный dhcp клиент и shell, принимает сигналы с клавиатуры, выводит на UART, HDMI, VGA, аналоговое видео. Естественно для поддержки всего этого нужно иметь драйверы.

Тут и начинается отличие от x86 платформ — ARM не имеет ACPI (усовершенствованного интерфейса управления конфигурацией и питанием) и UEFI (интерфейса взаимодействия между операционной системой и «прошивкой» устройства) и именно поэтому не существует как таковых унифицированных дистрибутивов для ARM компьютеров, но движение в сторону UEFI и ACPI идёт уже несколько лет. А пока это движение идёт мы находимся в реальном суровом мире и загрузчик нужно компилировать самостоятельно для разного железа. Железо это описывается в структуре данных под названием Device Tree (dt). Подробнее о DT можно узнать на посвящённом ему сайте: devicetree.org.

В комплекте с исходными кодами загрузчика поставляется набор конфигурационных файлов для компиляции, а также Device Tree для 1089 устройств. Гугл, к сожалению, не находит этот список, поэтому он доступен по ссылке: U-boot supported devices.



Linux Kernel

О нём много писано, много сказано, а сейчас пригодится лишь несколько фактов:

1. Встреченные мною дистрибутивы хранят ядро в нескольких формах:
   
   • Image — не сжатый образ.
   • zImage — сжатый самораспаковываяющийся образ.
   • uImage — образ, который имеет обёртку, включающую некоторую информацию для U-Boot'а.
   
   Ранее uImage использовались обширно для устройств с U-Boot, но за последние года разработчики научили загрузчик работать с zImage, который стал общепринятой практикой хранения образа ядра в дистрибутиве Arch Linux ARM.
2. Радостная новость! Ядро в пределах одной архитектуры(ARMv5, ARMv6, ARMv7, ARMv8) с большой вероятностью не придётся компилировать для каждого устройства. Оно использует свою версию Device Tree, называемую Device Tree Binary (dtb). Это небольшие по объёму файлы, указывающие ядру какие модули нужно подгружать. Больше информации о dtb можно узнать тут.
   

От теории к практике

Понадобится:

• Banana Pi или другой микрокомпьютер из списка поддерживаемых U-Boot'ом устройств
• Карта памяти и кардридер
• Компьютер с Linux
• Установленный тулчейн для нужной архитектуры
  
  Где взять?

  Наиболее простым способом я считаю следующий:
  

  1. Скачать готовый тулчейн для своей платформы с сайта Linaro.
     Для Banana Pi нужен linaro-toolchain-binaries (little-endian).
     
  2. Добавить папку bin тулчейна в PATH:
     

     export PATH=~/your_toolchain_path/bin/:$PATH

     
     

  
  
  
  
• Утилиты bc и dtc нужные для компиляции загрузчика, пакеты dosfstools и uboot-tools для создания файловой системы и компиляции скриптов загрузчика, соответственно
  

Скачаем и распакуем исходные коды последней версии U-Boot:

wget ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-latest.tar.bz2
tar -jxf u-boot-latest.tar.bz2

Находим в появившемся каталоге u-boot-2015.07/configs свою «железку» и запоминаем название файла. Для Banana Pi конфигурационный файл называется Bananapi_defconfig.

Ещё помните, что ядро Arch Linux ARM дистрибутиве хранится в zImage? Об этом нужно позаботиться заранее и перед компиляцией добавить возможность загружать самораспаковывающиеся ядра. Точной информации о том уже включено ли это по умолчанию у меня нет, поэтому в каталоге u-boot-2015.07/include/configs/ нужно найти заголовочный файл для платформы Вашего микрокомпьютера (для Banana Pi это sun7i.h) и написать внутри:

#ifndef __CONFIG_H
#define __CONFIG_H
...
#endif /* __CONFIG_H */

строку

#define CONFIG_CMD_BOOTZ

Это добавит возможность использовать в загрузчике команду bootz для запуска самораспаковывающихся сжатых программ.^{Источник}

Теперь этап компиляции. Все операции происходят в каталоге u-boot-2015.07.

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- Bananapi_defconfig

Непосредственно компиляция загрузчика:

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

В итоге в нашей рабочей папке должно появиться много файлов с префиксом u-boot. u-boot.bin содержит исполняемый файл загрузчика, но нужен нам файл с постфиксом «with-spl». SPL — небольшая программа, которая располагается непосредственно перед загрузчиком и загружает сам U-Boot в оперативную память. Для Banana Pi это файл u-boot-sunxi-with-spl.bin. Сохраним его, он пригодится чуть позже.

Следующий шаг — подготовка флеш-карты с которой будет загружаться система. Как должна выглядеть её разметка:



Подключим флеш-карту через кард-ридер и запустим утилиту fdisk:

fdisk /dev/sdb

Добавим MBR разметку:

Command (m for help): o
Created a new DOS disklabel with disk identifier 0xa53166ce.

И обязательно как минимум два раздела:

1. 50-100 Мб
   
   fdisk, разметка первого

   Command (m for help): n   
          Partition type
             p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
             e   extended (container for logical partitions)
          Select (default p): p
          Partition number (1-4, default 1): 1
          First sector (2048-7831551, default 2048): 2048
          Last sector, +sectors or +size{K,M,G,T,P} (2048-7831551, default 7831551): +75M
   
          Created a new partition 1 of type 'Linux' and of size 75 MiB.
          

   
   
   
   
2. 2 Гб и более
   
   fdisk, разметка второго

   Command (m for help): n
          Partition type
             p   primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
             e   extended (container for logical partitions)
          Select (default p): p
          Partition number (2-4, default 2): 2
          First sector (155648-7831551, default 155648): 155648
          Last sector, +sectors or +size{K,M,G,T,P} (155648-7831551, default 7831551): +3G
   
          Created a new partition 2 of type 'Linux' and of size 3 GiB.
   

   
   
   
   

После всего этого ввести «w», тем самым записать изменения на диск.

Почему именно такие разделы? U-Boot'ом можно управлять с помощью скриптов, он читает их только из первого раздела накопителя, причём раздел этот должен быть с файловой системой FAT. В этот же раздел будет смонтирован каталог /boot будущего Arch Linux'а для удобного доступа к ядрам как из U-Boot скриптов, так и для быстрой подмены ядер с любого попавшегося компьютера. Второй раздел предназначен для корня системы. Остальные по желанию.

После разметки нужно очистить место для загрузчика. Крайне важно не затереть первые 512 байт(MBR) и не затронуть 1024 секторы и далее (исходя из таблицы выше):

dd if=/dev/zero of=/dev/sdb bs=1K count=1023 seek=1

Запишем U-Boot:

dd if=u-boot-sunxi-with-spl.bin of=/dev/sdb bs=1024 seek=8

Теперь уже можно вставить флешку в устройство назначения, включить его и посмотреть как оно весело мигает LED'ами, подхватывает ip-адрес через dhcp, пытается достучаться до tftp сервера чтобы загрузиться и дружелюбно приглашает Вас в свой Shell показывая его через выдеовыход или UART.

Но одного загрузчика мало, остаётся ещё несколько компонентов: скрипт для управления U-Boot'ом и сам дистрибутив Arch Linux.
Отправляемся на os.archlinuxarm.org и скачиваем архив с подходящим нашей архитектуре дистрибутивом. Для Banana это ArchLinuxARM-armv7-latest.tar.gz. Распаковываем в отдельную директорию и продолжаем манипуляции с флеш-картой.

Создадим файловые системы и примонтируем их в заданном порядке:

mkfs.vfat /dev/sdb1
mkfs.ext4 /dev/sdb2
mount /dev/sdb2 /mnt
mkdir /mnt/boot
mount /dev/sdb1 /mnt/boot

Скопируем всё содержимое распакованного архива в /mnt:

cp -r ~/ArchLinux-generic-armv7/* /mnt

Заглянем в первый раздел флешки (/mnt/boot). Внутри нас ждёт папка dtbs и сжатый образ ядра — zImage. dtbs — это именно те Device Tree Binary, о которых шла речь выше.
Для ARMv7 есть целых 301 dtb. Список можно увидеть здесь или непосредственно открыв директорию boot/dtbs дистрибутива на своём компьютере. Если dtb есть, то ядро заведётся с почти 100% вероятностью. Для Banana Pi нужный файл — sun7i-a20-bananapi.dtb. Он нужен нам для последнего и завершающего этапа — написания скрипта для U-Boot'а и, естественно, запуска всей полученной системы.

Приступим. Создадим прямо на месте (в /mnt/boot) файл boot.cmd и начнём писать.

Первым делом прикажем U-Boot'у загружать в RAM образ ядра:

fatload mmc 0 0x46000000 zImage

Затем dtb для нужного девайса:

fatload mmc 0 0x49000000 dtbs/sun7i-a20-bananapi.dtb

Установим параметры для запуска ядра:

setenv bootargs console=ttyS0,115200 earlyprintk root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait panic=10

И скажем ему загружаться из этой области памяти, тем самым передавая управление уже ядру Linux.

bootz 0x46000000 - 0x49000000

Области памяти доступные для загрузки у каждой модели свои и к сожалению я не знаю как определять их самостоятельно. Буду очень рад, если кто-то расскажет об этом простыми словами в комментариях.

Написанный нами скрипт остаётся только скомпилировать. Для этого в пакете uboot-tools есть утилита mkimage, воспользуемся ей:

mkimage -C none -A arm -T script -d boot.cmd boot.scr

boot.cmd при желании можно удалить, загрузчику нужен лишь boot.scr.

И последний штрих — добавляем в etc/fstab новой системы разделы, которые будут подключаться при запуске:

/dev/mmcblk0p2    /    ext4    rw,relatime,data=ordered 0 1
/dev/mmcblk0p1 /boot vfat rw,relatime,fmask=0022,dmask=0022,codepage=437,iocharset=iso8859-1,shortname=mixed,errors=remount-ro 0 2

Флешку можно вставлять в девайс и радоваться свежей системе. Демон dhcpd сам подхватит адрес если в Вашей сети есть DHCP сервер. SSH сервер по умолчанию добавлен в автозагрузку. Аккаунт на дефолтных образах Arch Linux ARM изначально всегда один: root/root. Обязательно смените пароль и добавьте юзера с ограниченными полномочиями.

Итог

Что получили? Звёзды так сошлись, что поддержка моего микрокомпьютера есть в списке из 1089 устройств поддерживаемых U-Boot и среди 301-го среди поддерживаемых mainline ядром для ARMv7. Поэтому получили именно то, что и хотели: систему с самым свежим программым обеспечением, которое стабильно обновляется из репозиториев, включая ядро системы (на данный момент уже 4.1.4). Стабильная ветка загрузчика обновляется раз в 3 месяца и требуется лишь скомпилировать его и повторить процедуру установки, как сделано выше.

Для ленивых

Подготовил образ для Banana Pi:
Ссылка, Зеркало #1, Зеркало #2.
md5 образа в архиве: f36d707c4c1fd857b50d37501b4a3d7a
Записать образ на флеш-карту можно с помощью утилиты dd, либо win32diskimager (для Windows пользователей).

Источники

linux-sunxi.org/Mainline_U-boot
elinux.org/RPi_Hub
ru.wikipedia.org/wiki/Das_U-Boot

Желаю удачи тем, кто захочет повторить это у себя дома и буду рад справедливой критике.