计算器的启动流程以及如何给R2s安装ArchLinux

我想装Arch Linux

最近我给自己的Nanopi-R2s上安装了Arch Linux。

如果用R2s做软路由，用OpenWRT官方固件就很好。厂商也提供了Ubuntu/Debian镜像。

虽然使用这些镜像可以更快速部署，但我更想借这个机会深入理解Linux底层架构——这正是Arch的价值，它强制用户直面底层配置。尽管这对新手而言充满挑战，不过Arch提供非常全面和详细的文档。过程具有挑战性，但也提供了很好的支持，这是最佳的学习机会。

我对在PC上安装Arch的过程很熟悉，但是在Arm设备上还是第一次。网上虽然有一些教程可供参考，但是大多数都只提供操作步骤，如果不理解每个步骤的意义，出了问题就会很难处理。我不打算也写一篇那样的教程，而是会对比PC架构，聊一下ARM的启动过程，然后会有具体实践过程。

这篇文章是写给还没有刷Arch之前的自己，适合那些想了解计算机启动过程的朋友，当然，对于想给自己的ARM设备刷ArchLinuxARM的朋友也会有帮助。

ARM 设备的启动流程

要成功部署系统，首先要理解设备从通电到系统就绪的全过程。我们将其简化为三个阶段：。

固件初始化阶段：
- 传统PC：BIOS（Basic Input Output System）完成硬件初始化、POST自检、启动设备选择
- ARM架构：SoC（System on chip）芯片内置BootROM，执行初始化后从存储设备固定位置加载引导程序
引导加载阶段。加载系统的工具叫做Bootloader（引导程序）。它为硬件提供了一个抽象层，支持对复杂文件系统的操作，并且传递参数给内核。常见引导程序：
- x86：GRUB
- ARM：U-Boot（嵌入式设备主流选择）
- Windows：bootmgfw.efi（UEFI环境）
内核加载阶段。这里存在一个”先有鸡还是先有蛋”的哲学问题：操作系统需要管理存储设备，但自身又存放在存储设备中。解决方案是：
- Bootloader直接加载包含基础驱动和文件系统模块的内核
- 通过initramfs（初始内存文件系统）建立临时根文件系统，最终挂载真正的根文件系统(rootfs)

基于上述原理，我们需要准备以下组件：

组件	作用	获取方式
U-Boot	二级引导程序	交叉编译或预编译二进制
Linux内核	系统核心	官方仓库或自定义编译
设备树(Device Tree)	硬件描述文件	厂商SDK提供
initramfs	临时根文件系统	Arch Linux ARM官方镜像
rootfs	根文件系统	Arch Linux ARM官方镜像

实战部署流程

参考FriendlyElec Wiki配置交叉编译环境：

    # 安装友善提供的交叉编译器
    sudo bash -c \
  "$(curl -fsSL http://112.124.9.243:3000/friendlyelec/build-env-on-ubuntu-bionic/raw/branch/cn/install.sh)"
    #配置环境
    export PATH=/opt/FriendlyARM/toolchain/11.3-aarch64/bin:$PATH
    export GCC_COLORS=auto

首先编译UBoot。我推荐从上游U-boot项目编译，而不是wiki上面uboot-rockchip，更简单直接，项目开发比较活跃。

    # 编译 ARM64 Rockchip SoC镜像
    git clone --depth 1 https://github.com/TrustedFirmware-A/trusted-firmware-a.git
    cd trusted-firmware-a
    make realclean
    make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- PLAT=rk3328
    cd ..
    # 编译Uboot
    git clone --depth 1 https://source.denx.de/u-boot/u-boot.git
    cd u-boot
    export BL31=../trusted-firmware-a/build/rk3328/release/bl31/bl31.elf
    make evb-rk3328_defconfig
    make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

编译好之后把它刷入SD卡。因为SoC ROM不像BIOS有充足的空间，所以它的连接方式比较简单粗暴，就是从存储设备的固定位置读取。

微星瑞芯片遵循它自己的分区标准。

阶段	名称	程序	文件	磁盘位置
1	主引导	ROM code	BootRom
2	二级引导	U-Boot	boot-rockchip.bin	0x40
		TPL/SPL
3	boot分区	Linux内核	boot.img	0x8000
		Initrd镜像	initramfs-linux.img
		设备树二进制文件	rk3328-nanopi-r2s.dtb
			boot.scr
4	root文件系统			0x40000

请注意就像Bootloader不太够直接拉起系统，因此使用Initrd建立临时根文件系统一样，SoC ROM只能读取比较简单的程序，而U-boot相对于SoC显得像庞然大物，所以中间也有很多过度阶段。这个过程被称为两步加载，甚至有三步加载(先拉起TPL/SPL，再由他们拉起更大的启动程序)。好消息是我们不用管这些，U-boot二进制程序里面包括第二步和第三步加载，直接把整个二进制文件刷到从64个扇区起的位置就可以了。

dd if=u-boot-rockchip.bin of=/dev/sdX seek=64 conv=notrunc

如果不行的话，就需要分别制作TPL/SPL，Uboot和Trust的镜像，然后分别刷到第64，16384，24576扇区了,参考Uboot文档。

然后分区、刷文件系统，然后根据ArchlinuxARM的指引下载和解压Rootfs文件。

    # 为了简单，只分一个区
    parted /dev/sdX makpart '' ext4 32768s -1s
    # 选择ext4文件系统
    mkfs.ext4 /dev/sdXp1
    # 挂载分区
    mount /dev/sdXp1 /mnt
    # 下载和解压 Arch Rootfs
    wget http://os.archlinuxarm.org/os/ArchLinuxARM-aarch64-latest.tar.gz
    bsdtar -xpf ArchLinuxARM-aarch64-latest.tar.gz -C /mnt

接下来，Archwiki上我们下载一个Boot.scr的脚本，放在/boot文件下面。这个文件是连接U-boot 和Linux操作系统的关键步骤。我们编译的U-boot里面有个配置参数CONFIG_DISTRO_DEFAULTS，如果允许它，Uboot会扫描可启动的磁盘里面的boot.scr或者extlinux.conf文件，然后执行这些文件。一个extlinux.conf 文件看起来是这样：

label Arch with uart devicetree overlay
    kernel /arch/Image.gz
    initrd /arch/initramfs-linux.img
    fdt /dtbs/arch/board.dtb
    fdtoverlays /dtbs/arch/overlay/uart0-gpio0-1.dtbo
    append console=ttyS0,115200 console=tty1 rw root=UUID=fc0d0284-ca84-4194-bf8a-4b9da8d66908

这个配置文件告诉U-boot内核的位置，Initrd镜像的位置，和FDT文件的位置。FDT是关于设备的信息数据的二进制文件。然后是需要传递给内核的参数。

再看一下boot.scr脚本。需要注意的是boot.scr是一个二进制文件，我们不能直接打开，我们应该看对应的cmd文件。但是因为他们传递数据是基于文本，直接打开也能看出里面在干什么。脚本里面内容比较多，我们不展示全文，只展示关键的部分。

    setenv bootargs console=ttyS2,1500000 root=PARTUUID=${uuid}
    load ${devtype} ${devnum}:${bootpart} ${kernel_addr_r} /boot/Image
    load ${devtype} ${devnum}:${bootpart} ${fdt_addr_r} /boot/dtbs/${fdtfile};
    load ${devtype} ${devnum}:${bootpart} ${ramdisk_addr_r} /boot/initramfs-linux.img;
    booti ${kernel_addr_r} ${ramdisk_addr_r}:${filesize} ${fdt_addr_r};

可见这个文件里面就是一堆U-boot命令，而且作用和上面的extlinux.conf文件是一样的，即传递一些内核参数，加载内核，设备树二进制文件，以及Initrd镜像到内存的指定位置，最后启动内核和Initrd。

这些内存位置的变量则在源文件主板的Header文件中，比如rk3328_common.h里面的：

    #define ENV_MEM_LAYOUT_SETTINGS		\
	"scriptaddr=0x00500000\0"	\
	"script_offset_f=0xffe000\0"	\
	"script_size_f=0x2000\0"	\
	"pxefile_addr_r=0x00600000\0"	\
	"fdt_addr_r=0x01e00000\0"	\
	"fdtoverlay_addr_r=0x01f00000\0"	\
	"kernel_addr_r=0x02080000\0"	\

我们下载的这个boot.scr脚本没办法直接使用，反正我这里行不通，至少存在以下几个问题：

Arch提供的initramfs镜像不能直接加载，需要编译成U-boot可以加载的形式。
dtb文件也需要修改成合适的，反正Arch提供的dtb文件在我这里没有一个能用的,需要自己编译内核和dtbs。

不用担心，只要知道这个文件的作用，我们完全可以自己写这个脚本。我的boot.cmd脚本差不都是这样：

load ${devtype} ${devnum}:${distro_bootpart} ${ramdisk_addr_r} ${prefix}uInitrd
load ${devtype} ${devnum}:${distro_bootpart} ${kernel_addr_r} ${prefix}Image

load ${devtype} ${devnum}:${distro_bootpart} ${fdt_addr_r} ${prefix}dtbs/rk3328-nanopi-r2-rev00.dtb
fdt addr ${fdt_addr_r}
fdt resize 65536
booti ${kernel_addr_r} ${ramdisk_addr_r} ${fdt_addr_r}

写完之后，安装Uboot-tools包，然后用mkimage命令制作ramdisk和boot.scr:

    # 输入路径跟脚本中的地址对应
    mkimage -A arm -O linux -T ramdisk -C none -n "Initrd Image" -d /mnt/boot/initramfs-linux.img /mnt/boot/uInitrd;
    mkimage -A arm -O linux -T script -C none -n "Boot Script" -d boot.cmd /mnt/boot/boot.scr

想了解这个命令可以上网查询，这里就不详细介绍了。到了这一步我们有了U-boot作为启动加载程序，就基本完成了，然后插电看看是不是已经搞定了。

必坑指南

通过USB-TTL模块查看启动日志。我没有这个模块，如果指示灯不显示好了，我也不知道问题出在那个环节，浪费了很多时间。

现在想来最好从Armbian这个项目下载一个能用的系统, 测试Uboot和boot.scr或者extlinux.conf能不能工作，最后再刷入Arch的文件系统了。

不建议使用友善官方镜像，因为它们分区太细了，需要debug的环节就太多了。

最好能准备两个SD卡，一个用于测试，一个用于正式部署。

参考链接：

https://wiki.friendlyelec.com/wiki/index.php/NanoPi_R2S/zh
https://opensource.rock-chips.com/wiki_Boot_option
https://docs.u-boot.org/en/latest/board/rockchip/rockchip.html#rockchip-boards
https://archlinuxarm.org/platforms/armv8/rockchip/rock64
https://gist.github.com/larsch/a8f13faa2163984bb945d02efb897e6d