OpenBMC Boot Flow（開機流程）

OpenBMC 是由 Linux Foundation 主導的開源 BMC（Baseboard Management Controller）韌體專案，廣泛應用於伺服器管理晶片（如 ASPEED AST2500/AST2600、Nuvoton NPCM）。本文整理完整的 OpenBMC 開機流程，從硬體上電到服務就緒。

整體流程概覽

BMC SoC Power On
      │
      ▼
Boot ROM（內建於 SoC）
      │
      ▼
U-Boot SPL（Secondary Program Loader）
      │   載入至 SRAM
      ▼
U-Boot Proper
      │   初始化 DRAM、Flash、網路
      ▼
Linux Kernel（zImage / uImage）
      │   載入 Device Tree Blob（DTB）
      ▼
initramfs（可選）
      │
      ▼
OpenBMC RootFS（Yocto 建置）
      │
      ▼
systemd（PID 1）
      │
      ├─► phosphor-* 服務群
      ├─► bmcweb（Redfish / Web UI）
      ├─► ipmid（IPMI）
      ├─► obmc-console（SOL）
      └─► Entity Manager / Sensor / Logging...

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1. BMC SoC Power On

說明

伺服器主機板上的 BMC 晶片（如 ASPEED AST2600）通常比 Host CPU 更早上電，即使主機板處於待機狀態（Standby Power）時 BMC 已運行。

上電時序

主機板插上 AC 電源
   │
   ▼
ATX 電源輸出 +5VSB（待機電壓）
   │
   ▼
BMC SoC 上電
   │
   ▼
Host CPU 仍處於 Power Off 狀態

• BMC 的責任之一是管理 Host 的開機流程（透過 IPMI / Redfish）
• BMC 本身的 Boot 與 Host BIOS/UEFI 的 Boot 是相互獨立的兩條路徑

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2. Boot ROM（WDT / Chip ROM）

說明

BMC SoC 內建一段不可修改的 Boot ROM，CPU Reset 後從固定位址開始執行。

以 ASPEED AST2600 為例：

• CPU 核心：ARM Cortex-A7（雙核）
• Reset vector：0x00000000（映射至內部 SRAM 或 Boot ROM）

主要工作

• 初始化最基本的時鐘、SRAM
• 決定 Boot Source：
  • SPI Flash（最常見，儲存 U-Boot）
  • UART / USB（韌體回復模式）
• 將 U-Boot SPL 從 SPI Flash 複製到內部 SRAM 執行

ASPEED 特有機制

SCU（System Control Unit）暫存器
   │
   ├─ 決定 Boot Strap（開機引腳配置）
   └─ 可設定 Boot from SPI / UART / eMMC

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3. U-Boot SPL（Secondary Program Loader）

說明

由於 SoC 剛上電時只有內部 SRAM 可用（通常 64KB ~ 256KB），無法容納完整的 U-Boot，因此需要一個輕量級的 SPL 先行初始化 DRAM。

主要工作

• 初始化 DRAM Controller（DDR4 training）
• 從 SPI Flash 載入 U-Boot Proper 到 DRAM
• 跳轉至 U-Boot Proper 執行

Flash Layout（典型 OpenBMC）

SPI Flash（通常 128MB）
┌──────────────────────────────────┐  0x00000000
│  U-Boot SPL                      │  ~64KB
├──────────────────────────────────┤  0x00010000
│  U-Boot Proper                    │  ~512KB
├──────────────────────────────────┤  0x00090000
│  U-Boot Env（環境變數）           │  ~64KB
├──────────────────────────────────┤  0x000A0000
│  Linux Kernel（FIT Image）        │  ~8MB
├──────────────────────────────────┤  0x00900000
│  RootFS（SquashFS / UBIFS）       │  剩餘空間
└──────────────────────────────────┘

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4. U-Boot Proper

說明

U-Boot 是 OpenBMC 中最常用的 Bootloader，負責初始化周邊並載入 Linux Kernel。

主要工作

1. 硬體初始化：網路（NCSI/RGMII）、USB、I2C、SPI、GPIO
2. 讀取環境變數（bootcmd、bootargs）
3. 載入 Kernel：從 SPI Flash 讀取 FIT Image（Flattened Image Tree）
4. 傳遞 Device Tree（DTB）給 Kernel
5. 設定 Kernel cmdline：掛載 RootFS 位置、console 設定

FIT Image（uImage.bin）

OpenBMC 使用 FIT Image 將多個元件打包：

FIT Image
├── Linux Kernel（zImage / uImage）
├── Device Tree Blob（.dtb）
└── initramfs（可選）

典型 bootcmd

# U-Boot 環境變數中的 bootcmd
bootcmd=run flashboot

flashboot=
  sf probe &&
  sf read ${loadaddr} ${kernel_addr} ${kernel_size} &&
  bootm ${loadaddr}

Dual Flash / Dual Image（備援機制）

部分平台支援 A/B Image 切換：

Flash A (Primary)  ←── 正常使用
Flash B (Backup)   ←── OTA 更新或 Flash A 損壞時切換

U-Boot 可透過讀取 GPIO 或環境變數決定從哪個 Image 開機。

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5. Linux Kernel 初始化

說明

U-Boot 將 Kernel 載入至 DRAM 後跳轉執行，Linux 開始初始化。

BMC 常見 SoC 對應的 Kernel 配置

SoC	架構	Kernel 版本（OpenBMC 主線）
ASPEED AST2500	ARM Cortex-A7	6.x
ASPEED AST2600	ARM Cortex-A7 (Dual)	6.x
Nuvoton NPCM750	ARM Cortex-A9	6.x
Nuvoton NPCM845	ARM Cortex-A35	6.x

主要工作

1. 解壓縮 zImage（自解壓）
2. 讀取 DTB：識別硬體（I2C 裝置、GPIO、PWM 風扇...）
3. 初始化驅動：
   • aspeed-i2c：I2C bus 驅動
   • aspeed-adc：電壓感測器
   • pwm-fan：風扇控制
   • aspeed-vuart：Virtual UART（SOL 用）
4. 掛載 RootFS：從 MTD 裝置掛載 SquashFS
5. 啟動 init：執行 /sbin/init（systemd）

重要 Kernel cmdline 參數

console=ttyS4,115200n8        # UART console
rootfstype=squashfs           # RootFS 格式
root=/dev/mtdblock4           # RootFS 所在 MTD partition
rw                            # 可讀寫（overlay 掛載）

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6. OpenBMC RootFS（Yocto 建置）

說明

OpenBMC 的 RootFS 由 Yocto Project 建置，以 SquashFS（唯讀）搭配 UBIFS 或 OverlayFS（可讀寫層）的方式運行。

目錄結構（簡化）

/
├── bin/         ← BusyBox 等基本工具
├── etc/
│   └── systemd/ ← service unit 設定
├── lib/
│   └── systemd/system/   ← 系統 service 檔案
├── usr/
│   ├── bin/     ← phosphor-*, bmcweb, ipmid...
│   └── lib/     ← 共用函式庫（D-Bus, Boost...）
├── run/         ← 執行期 socket、pid 檔
└── var/         ← 日誌、持久化設定（overlay 層）

OverlayFS 機制

SquashFS（唯讀，在 Flash 上）
      +
UBIFS / tmpfs（可讀寫層）
      │
      ▼
OverlayFS（對上層呈現統一的可讀寫視圖）

• 韌體更新不影響使用者設定（存在可讀寫層）
• 工廠重置 = 清除可讀寫層

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7. systemd 啟動流程

說明

OpenBMC 使用 systemd 作為 init 系統（PID 1），管理所有服務的啟動順序與相依關係。

關鍵 systemd target 順序

sysinit.target
      │
      ▼
basic.target
      │
      ▼
network.target
      │
      ├─► obmc-chassis-poweroff@0.target（初始電源狀態）
      │
      ▼
multi-user.target
      │
      ├─► bmcweb.service
      ├─► ipmid.service
      ├─► phosphor-log-manager.service
      ├─► phosphor-inventory-manager.service
      ├─► entity-manager.service
      ├─► phosphor-fan-presence.service
      └─► ...其他服務

OpenBMC 特有 target

obmc-standby.target       ← BMC 準備就緒，Host 仍關機
obmc-chassis-on@0.target  ← Host 正在開機
obmc-host-on@0.target     ← Host 開機完成
obmc-host-off@0.target    ← Host 關機

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8. 核心 OpenBMC 服務

服務架構（D-Bus 為核心）

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                   D-Bus Message Bus                  │
│              (dbus-broker / dbus-daemon)             │
└──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────────┘
       │      │      │      │      │      │
  bmcweb  ipmid entity  phosphor  pldmd  obmc-
              manager  -sensor-   ...   console
                       svc

主要服務說明

服務	功能
bmcweb	Redfish API + Web UI，提供 HTTP/HTTPS 管理介面
ipmid	IPMI 協定處理（KCS / LAN channel）
phosphor-sensor-svcs	感測器讀值（溫度、電壓、風扇轉速）
entity-manager	解析 JSON 設定檔，動態產生硬體 D-Bus 物件
phosphor-log-manager	系統事件記錄（SEL / Event Log）
phosphor-fan-presence	風扇存在偵測與轉速控制
phosphor-hwmon	透過 hwmon sysfs 介面讀取感測器
obmc-console	Serial Over LAN（SOL）console 轉發
pldmd	PLDM over MCTP 協定支援
mctpd	MCTP 傳輸層管理

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9. 感測器與硬體偵測流程

Device Tree / JSON Configuration
      │
      ▼
Entity Manager
      │  解析 /etc/default/obmc/hwmon/*.json
      ▼
D-Bus 物件建立
(xyz.openbmc_project.Sensor.Value)
      │
      ▼
phosphor-hwmon / hwmon-svc
      │  讀取 /sys/class/hwmon/hwmon*/
      ▼
感測器數值更新至 D-Bus
      │
      ├─► bmcweb 透過 D-Bus 提供 Redfish /redfish/v1/Chassis/.../Sensors
      └─► ipmid 透過 D-Bus 提供 IPMI SDR / Sensor Reading

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10. Host 開機管理

BMC 就緒後，負責管理 Host 的電源狀態：

Redfish POST /redfish/v1/Systems/system/Actions/ComputerSystem.Reset
    或
IPMI Chassis Control Command
      │
      ▼
phosphor-state-manager
      │
      ▼
GPIO 控制 PWRON#（電源按鈕訊號）
      │
      ▼
Host CPU 上電 → BIOS/UEFI → OS 開機

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常見除錯方法

查看開機 log

# 透過 SOL (Serial Over LAN) 查看 BMC 開機訊息
ipmitool -I lanplus -H <BMC_IP> -U admin -P password sol activate

# SSH 進入 BMC 後查看 journald log
journalctl -b               # 本次開機所有 log
journalctl -u bmcweb        # 特定服務 log
journalctl -f               # 即時追蹤

# 查看 kernel log
dmesg | grep -i "i2c\|aspeed\|sensor"

# 查看 systemd 服務狀態
systemctl list-units --failed   # 列出失敗的服務
systemctl status entity-manager

查看感測器與 D-Bus

# 列出所有 D-Bus 物件（感測器）
busctl tree xyz.openbmc_project.HwmonTempSensor

# 讀取特定感測器數值
busctl get-property xyz.openbmc_project.HwmonTempSensor \
  /xyz/openbmc_project/sensors/temperature/CPU_Temp \
  xyz.openbmc_project.Sensor.Value Value

# 列出所有服務
systemctl list-units "phosphor*" "obmc*" "bmcweb*"

常見開機失敗原因

現象	可能原因
U-Boot 無輸出	SPI Flash 損壞、Boot ROM 無法讀取 SPL
Kernel panic	DTB 錯誤、RootFS 損壞、MTD partition 錯誤
bmcweb 無法連線	網路設定錯誤、憑證問題、服務啟動失敗
感測器無數據	entity-manager 設定檔錯誤、I2C 裝置無回應
IPMI 無回應	ipmid 服務崩潰、KCS 驅動問題

---

BMC Boot vs Host Boot 關係

時間軸 →
────────────────────────────────────────────────────────────▶

BMC:  [ROM]──[U-Boot]──[Kernel]──[systemd]──[服務就緒]──────── 持續運行
                                                  │
                                                  │ 等待 Power On 指令
                                                  ▼
Host:                                      [BIOS/UEFI]──[OS]── 持續運行

• BMC 通常在 Host 開機前 數秒到數十秒 先完成啟動
• OpenBMC 可設定 Power Restore Policy：
  • AlwaysOff：BMC 就緒後 Host 保持關機
  • AlwaysOn：BMC 就緒後自動開啟 Host
  • LastState：恢復斷電前的狀態

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參考資料

• OpenBMC GitHub
• OpenBMC Documentation
• ASPEED AST2600 Datasheet
• Phosphor D-Bus Interfaces
• OpenBMC Architecture Overview
• Yocto Project