Atunci când un microprocesor primește semnalul de reset (prin alimentare ori transmiterea unor comenzi / întreruperi interne etc.), acesta începe să ruleze un program inițial numit bootloader. Sistemele moderne folosesc un proces de boot multi-stagiu, însă primul este mereu încărcat dintr-un ROM (Read Only Memory) care, de cele mai multe ori, este integrat în același chip.

Arhitectura ARMv8 propune următoarea structură:

Se observă numărul mare de pași decât metoda naivă pe care sistemul trebuie să-i realizeze până să pornească kernelul sistemului de operare. Acest lucru se datorează punerii accentului pe securitatea soluțiilor incorporate (prin tehnologia ARM TrustZone, de care doar vom menționa scurt, pe Raspberry PI nefiind implementată în totalitate), însă necesitatea a 3 stagii diferite este dată de un motiv simplu: memoria disponibilă în diferitele momente ale procesului.

Așadar, prima dată se începe prin rularea primului stagiu, BL1, stocat în memoria ROM. Acesta va încărca, de pe o memorie flash externă (de obicei, prin SPI: eMMC sau SD), următoarele stagii. Dintre acestea, BL2 este, de obicei, un firmware foarte mic (10-100KB) ce este încărcat în memoria SRAM a SOC-ului (care, uneori, funcționează și pe post de cache) și care, mai departe, inițializează toate perifericele chip-ului (printre care, foare important este DRAM-ul – folosit de următoarele stagii cu consum ridicat de RAM!).

Stagiile BL3x devin opționale, totul depinzând dacă BL2 conține funcționalitatea de a porni și Kernel-ul de Linux și este suficient de configurabil pentru a putea acoperi o mare parte a cazurilor de utilizare ale sistemului (ceea ce este adevărat pentru RPI, însă deseori nu pentru celelalte SoC-uri) sau dezvoltatorul software dorește să beneficieze de funcționalități avansate de boot (aici, BL31 poate oferi partiționare A/B cu toleranță la defecte, actualizări la distanță etc.) sau încărcarea unui sistem de operare securizat (Trusted OS, la pasul BL32).

În final, ultimul pas al bootloaderului va fi să citească configurația (de pe o partiție de boot sau dintr-o altă memorie ROM re-programabilă) și componentele de rulare (kernel, initrd, device tree blob – de cele mai multe ori, toate 3 fiind necesare) ale sistemului de opreare, și să încarce în RAM și să paseze execuția CPU-ului către kernel.

Deși procesul de boot diferă între Raspberry PI versiuni mai vechi sau egale cu 3 (ce folosește SoC-ul BCM2837) și cele după 4 (cu BCM2711, și, pe viitor, v5), stagiile se încadrează în arhitectura propusă de ARM.

Toate versiunile procesoarelor Broadcom folosite la RPI încep prin rularea stagiului BL1 pe microcontrollerul de gestionare a GPU-ul integrat (da, pe bune!), care, mai departe, inițializează memoria cache, interfața SPI (pentru accesarea memoriei flash din eMMC / card SD) și, folosind o bibliotecă incorporată de citire de pe partiții FAT32, scanează după existența firmware-ului pentru următorul stagiu, BL2, pe care îl va încărca în cache-ul L2 al procesorului (DRAM-ul încă nu a fost inițializat).

Ordinea de scanare a perifericelor pentru continuarea procesului de boot (e.g., SD Card / eMMC, extenal SPI, USB Mass Storage, LAN boot) diferă în funcție de starea unor GPIO-uri sau a unor regiștri OTP (One Time Programmable).

Așadar, un Raspberry PI are nevoie ca dispozitivul de pe care se efectuează bootarea să conțină o primă partiție FAT32 cu cel puțin firmware-urile de inițializare a platformei (bootcode.bin, start*.elf, config.txt și altele câteva ce depind de modelul efectiv).

Pentru Raspberry PI 3, se va încărca fișierul bootcode.bin ca stagiu secundar, care, după inițializarea RAM-ului, va citi și încărca următorul stagiu (care este, de obicei, sistemul de operare propriu-zis, însă se poate interpune un alt bootloader – BL31, e.g., U-Boot).

La versiunile de Raspberry PI >=4, BL2 poate fi încărcat doar dintr-un EEPROM prin interfață SPI (și NU de pe SD / eMMC-ul extern – însă există procedură de recovery în caz că se strică ceva), fapt ce ușurează aplicațiile care făceau network boot. De asemenea, firmware-ul este open-source (ceea ce nu era adevărat până acum).

Mai departe, Secondary Program Loader-ul va încărca firmware-uri adiționale pentru GPU (pentru a putea afișa text prin HDMI), va analiza conținutul fișierului config.txt și va pune în aplicare procedurile configurate (încărcarea în memorie a fișierelor de kernel / device tree / initramfs).

După cum a fost menționat mai sus, pentru a porni un sistem de operare pe bază de Linux se folosesc, de cele mai multe ori, 3 componente:

1. Imaginea Kernel-ului (kernel*.img), ce conține codul executabil al nucleului Linux;
2. Device Tree Blob-ul (*.dtb): conține descrierea și configurația tuturor componentelor specifice platformei hardware (i.e., pentru un anumit model + versiune a unei plăci de bază), însă se pot codifica și anumite setări și meta-informații pentru software (e.g., kernel command line, partiția rădăcină etc.);
3. RamDisk inițial (initrd*.img): opțional, poate conține o imagine a unui sistem de fișiere minimalist (max. câțiva zeci de MB) cu module și scripturi necesare pentru a monta sistemul de fișiere rădăcină (e.g., dacă se dorește montarea unui sistem la distanță, trebuie mai întâi să se conecteze la rețea și să primească IP prin DHCP).

Bootloaderul (ori BL2-ul integrat, ori BL31 – dacă a fost inclus) va încărca aceste fișiere în DRAM-ul sistemului și va completa anumiți regiștri (cu pointerii la locația de încărcare a tuturor componentelor necesare) și va executa o instrucțiune de branch pentru a lansa kernelul în execuție.

Obiectivul final al componentelor de boot Linux va fi să caute și să monteze sistemul de fișiere rădăcină (roofs-ul) ce conține toată configurația și programele din user-space, de unde se va lansa procesul init care va continua prin pornirea serviciilor predefinite (care pot, la rândul lor, să inițializeze dispozitive hardware noi și să ruleze procese de automatizare).

1. Găsiți aici o imagine de referință pentru Raspberry PI 4.

• Aflați dimensiunea în MB a imaginii oficiale (ls -l --block-size=M).
• Creați un fișier de dimensiunea necesară pentru imaginea completă, folosind dd.
• Aflați informațiile tabelei de partiții a imaginii oficiale folosind fdisk.
• Creați tabela de partiții și partițiile necesare pentru imaginea noastră.
• Partițiile imaginii nou create trebuie să aibă același UUID ca și imaginea veche pentru a o folosi cu succes. Pentru a modifica UUID-ul diskului folosiți comanda x în consola deschisa de fdisk pentru a intra în expert mode. Folosiți comanda m pentru a vedea toate opțiunile și modificați disk identifier încât să corespunda cu cel listat pentru imaginea oficială.

2. În acest moment, cele doua partiții nu au niciun sistem de fișiere creat. Creați un loop block device pentru fiecare dintre cele doua imagini. Creați-le sistemele de fișiere, având grija la tipul acestora (revedeți secțiunea Formatul imaginii RaspberryPI). Odată create sistemele de fișiere, montați fiecare partiție într-un director.

3. Ne dorim să copiem conținutul fișierelor din imaginea oficiala în imaginea noastră. Copiați conținutul directoarelor imaginii oficiale în directoarele imaginii noastre. După ce procesul de copiere s-a terminat, demontați device-urile și ștergeți loop device-urile.

4. TODO start RPI4, enter BL31

5. TODO load Linux components in memory and boot!

• Procesul de boot al Raspberry PI