用NFSRoot和TFTP启动你的嵌入式设备
介绍
最近在学习嵌入式 Linux 设备驱动开发。刚开始学习时，一个比较大的痛点是：总要想办法把编译好的二进制文件搬到设备上。对于内核驱动或用户态程序这类较小的文件，用 scp 之类的工具就能解决；但到了学习后期，涉及到修改内核源代码、甚至要替换 SD 卡上的内核镜像时，可用的手段就比较有限了——除非你能忍受每次改完代码都把内核重新烧写到 SD 卡或其他存储介质上。
经过一番搜索，我发现了一种很适合嵌入式开发的启动方式：用 TFTP 加载内核，用 NFSRoot 挂载根文件系统（RootFS）。这种方式可以大大减少把二进制文件拷贝到存储介质的次数。
以我家里的网络为例（配置如下图）：我用笔记本进行开发，网络中还有一块嵌入式开发板和一台服务器。服务器走有线连接，网络比较稳定。借助 NFSRoot 和 TFTP，我可以把开发板的 RootFS、内核镜像和 dtb 等文件都放在服务器上。开发板上电后，会先从服务器读取内核到内存中的指定地址，再用它启动系统；内核加载过程中，又会把服务器上的 RootFS 挂载为根目录，完成启动。
这样的设置意味着：开发板启动后的“硬盘”已经不在开发板上，而是在服务器上了！如果用终端或 SSH 连接开发板并修改、保存一些文件，这些改动会直接反映到服务器上；反过来，你在服务器上对 RootFS 的改动，开发板也能实时看到。
步骤
安装和设置 TFTP 服务器
很多嵌入式 bootloader 都支持通过 TFTP 加载内核镜像和设备树，这对系统和驱动开发人员来说非常方便：开发者在开发机上编译好内核和设备树，把产物放到 TFTP 服务器上；在设备一侧，只需重启并在 bootloader 中通过 TFTP 加载新内核，而无需拔下 SD 卡重新烧录。那么具体怎么使用 TFTP 呢？
接下来的步骤假设你使用 Linux 作为操作系统。首先安装 TFTP 服务器，Debian 系的发行版可以使用如下命令：
apt-get install tftpd-hpa # 安装完成后启动TFTP服务器 service tftpd-hpa start
不同发行版默认的 TFTP 根目录可能不一样。要确认 TFTP 根目录，可以在 /etc/default/tftpd-hpa 文件里找到如下行：
TFTP_DIRECTORY="/srv/tftp"
在 TFTP 根目录下创建一个目录，放入为嵌入式设备编译好的内核与设备树：
/srv/tftp
test_new_kernel/
devicetree.dtb
uImage
要让设备加载这个内核，我们还需要提供一个启动脚本。假设它叫 bootscript_new_kernel，同样放在 /srv/tftp 目录下：
/srv/tftp
test_new_kernel/
devicetree.dtb
uImage
bootscript_new_kernel
到这里，TFTP 就大致设置好了。接下来我们看看 bootscript_new_kernel 里到底要写什么。
bootscript_new_kernel 的内容
开发板的 bootloader（这里以最常见的 U-Boot 为例）可以通过 TFTP 把启动脚本下载到内存并执行。我们先写一个脚本源文件，记作 bootscript_new_kernel.txt：
# 服务器（TFTP/NFS）的IP地址和开发板自己的IP地址
setenv serverip 192.168.1.100
setenv ipaddr 192.168.1.150
# 通过TFTP把内核和设备树下载到内存
tftpboot ${kernel_addr_r} test_new_kernel/uImage
tftpboot ${fdt_addr_r} test_new_kernel/devicetree.dtb
# 告诉内核：根文件系统在NFS上
setenv bootargs console=ttyS0,115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=${serverip}:/srv/nfs/rootfs,vers=3,tcp ip=dhcp
# 启动内核
bootm ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}
有几个地方需要注意：
- kernel_addr_r 和 fdt_addr_r 是 U-Boot 预定义的内存加载地址，不同开发板的默认值不一样，可以在 U-Boot 命令行里用 printenv 确认。
- root=/dev/nfs 并不是一个真实存在的设备节点，它只是告诉内核：根文件系统走 NFS，真正的服务器地址和路径由 nfsroot= 参数指定。
- ip=dhcp 让内核在挂载 NFS 之前自己通过 DHCP 获取 IP。如果网络里没有 DHCP 服务器，可以改成静态形式：ip=<开发板IP>:<服务器IP>:<网关>:<子网掩码>::eth0:off。
- 如果你的板子用的是 zImage 或 Image 而不是 uImage，把最后的 bootm 换成 bootz 或 booti 即可。
U-Boot 不能直接执行文本文件，需要用它自带的 mkimage 工具把脚本打包成镜像，输出直接放进 TFTP 根目录：
mkimage -T script -C none -n "netboot" -d bootscript_new_kernel.txt /srv/tftp/bootscript_new_kernel
之后用串口连上开发板，在 U-Boot 命令行里只需要两条命令就可以从网络启动：
tftpboot ${scriptaddr} bootscript_new_kernel
source ${scriptaddr}
如果不想每次都手动输入，可以把这两条命令存进 U-Boot 的 bootcmd 环境变量并 saveenv，这样开发板一上电就会自动从网络启动。
安装和设置 NFS 服务器
内核能通过 TFTP 加载了，但仅仅有内核，嵌入式设备还是没办法完成启动的——内核起来之后，还需要根文件系统和启动程序（init）。现在我们在服务器上把 NFS 服务搭起来：
apt-get install nfs-kernel-server
然后准备一份根文件系统。它可以直接从你现有的 SD 卡系统分区拷贝出来，也可以是 Buildroot/Yocto 编译产出的 rootfs，或者 debootstrap 生成的最小系统。假设我们把它放在 /srv/nfs/rootfs：
mkdir -p /srv/nfs/rootfs # 例如从SD卡拷贝。注意用 -a 保留权限、属主和符号链接 cp -a /media/sdcard-rootfs/. /srv/nfs/rootfs/
接着把这个目录导出给开发板。编辑 /etc/exports，加入：
/srv/nfs/rootfs 192.168.1.0/24(rw,sync,no_root_squash,no_subtree_check)
其中 no_root_squash 很重要：开发板上的 init 和各种系统服务都是以 root 身份运行的，如果 NFS 把 root 映射成 nobody（默认行为），系统会因为权限问题起不来。当然，这个选项也意味着这个网段里的任何机器都能以 root 身份改写这份 rootfs，所以只建议在家里或实验室的内网使用。
让导出配置生效：
exportfs -ra service nfs-kernel-server restart # 确认导出成功 showmount -e localhost
内核需要的配置
要让内核能把 NFS 挂载为根文件系统，编译内核时下面几个选项必须直接编译进内核（=y，不能编译成模块——因为挂载根文件系统的时候，还没有地方可以加载模块）：
CONFIG_NFS_FS=y CONFIG_ROOT_NFS=y CONFIG_IP_PNP=y CONFIG_IP_PNP_DHCP=y
另外，你的网卡驱动同样必须是 =y。大部分开发板官方的 defconfig 已经把这些都打开了，但如果启动时卡在 “VFS: Unable to mount root fs via NFS”，可以先回来检查这几项。
把它们串起来
一切就绪后，整个启动流程是这样的：
- 开发板上电，U-Boot 通过 TFTP 下载并执行 bootscript_new_kernel；
- 脚本通过 TFTP 把 uImage 和 devicetree.dtb 下载到内存，并带着 nfsroot 参数启动内核；
- 内核通过 DHCP 拿到 IP，把服务器上的 /srv/nfs/rootfs 挂载为根目录，执行其中的 init，系统启动完成。
之后的开发就舒服多了：改完内核，把新的 uImage 和 dtb 拷进 /srv/tftp/test_new_kernel/，重启开发板即可；改驱动模块或应用程序，直接把编译产物拷进 /srv/nfs/rootfs 的对应目录，甚至连重启都不用。整个过程再也不需要碰 SD 卡。
总结
NFSRoot + TFTP 把「编译—拔卡—烧录—插卡—启动」的循环缩短成了「编译—拷贝—重启」，对需要频繁修改内核和驱动的嵌入式开发来说，是一次配置、长期受益的设置。希望这篇文章对你有帮助！
