Raspberry Pi Advent Calendar 2017 2日目です．
結論
SDカードにbootcode.bin (49kBほど) というファイルを置いておくだけで，全バージョンのRaspberry Piで
- ネットワークブート
- USBストレージブート
ができます．
サーバの設定などは
Network Boot Your Raspberry Pi - Raspberry Pi Documentation
を参考にしてください．
経緯
まずRaspberry Piのブートは，おおまかには3段階からなります．
- 1段目
Raspberry PiのSoCにはROMが載っており，ここにファームウェアが書き込まれています．
Raspberry Piに電源が投入されると，まずこのROM内のファームウェアがメモリに読み込まれます．
読み込まれたコードはGPUにあるVPUというプロセッサによって実行されます． - 2段目
ROM内のファームウェアによってSDカードが検出され，
SDカード内の設定ファイル (config.txtやcmdline.txt) と，
ファームウェアがメモリにロードされます．
このコードもVPUによって実行されます． - 3段目
SDカード内のファームウェアがSDカード内のLinuxカーネル等を検出し，メモリにロードします．
また，同時にCPUの初期化も行われ，LinuxカーネルはCPUによって実行されます．
「Raspberry Piにネットワークブートの機能を追加したい」となったときに初めに考えられたのは，3段目でネットワークブートを行う方法です． この方法は，例えばLinuxカーネルのNFS root機能を使うことで実現されます． NFS rootはカーネルの引数に設定を追加するだけなので，比較的容易に行えますが，CPUを起動するためのファームウェアとLinuxカーネルはSDカードに入れなければなりません． これだと，ファームウェアとカーネルをアップデートするたびにSDカードへの書き込みが発生するので，SDカードの寿命が縮んでしまいます． U-Bootを使う方法もありますが，結局SDカード上にファームウェアが必要なので，アップデートによるSDカードへの負荷は避けられません．
そこで考えられたのが，2段目でネットワークブートする方法です． 元々のRaspberry Piのファームウェアにはネットワークブート機能がなく，かつRaspberry Piのファームウェアはクローズドソースなので，2段目でネットワークブートするためには，別途VPU向けのファームウェアを書かなければなりません． VPUの命令セットは非公開なのですが，実は[有志によって解析されており](https://github.com/hermanhermitage/videocoreiv/wiki/VideoCore-IV-Programmers-Manual)，これを基に[オープンソース版のファームウェアが開発されています](https://github.com/christinaa/rpi-open-firmware)． こちらのファームウェアを使うことでネットワークブートすることは可能なようですが，公式のファームウェアの一部の機能しか対応していなかったり，Raspberry Piの一部のバージョンに対応していなかったりするなど，動作が不安定なところがあるようです． また，この方法にも，結局アップデート時にSDカード上のファームウェアを書き換える必要があるという欠点があります．
そこで考えられたのが，1段目でネットワークブートする方法です． 実は，Raspberry Pi 3からROM内のファームウェアに変更が施されており，SDカード無しでネットワークブートやUSBストレージブートなどができるようになっています． (参考: [Boot flow - Raspberry Pi Documentation](https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/bootmodes/bootflow.md)) ROMの内容を変更するのはRaspberry PiおよびそのSoCを開発する組織にしかできないので，ROMのファームウェアは中の人である[Gordon Hollingworth](https://twitter.com/gsholling)を中心としたエンジニアによって開発されたようです． この方法はSDカードさえ不要になるので画期的に思われましたが，ROM内のファームウェアにバグがあり，LAN内で他のマシンがbroadcast addressにpingし続けないとRaspberry Piがうまくネットワークを認識できないなど，ネットワークブートできない環境がありました． OTP (one-time programmable) メモリのビットを立ててROMのファームウェアの挙動を制御するなどの対策が取られましたが，ROMの内容は後から変更できないため，バグを完全に取り除くことはできなかったようです．
ここでどうしようもなくなったので，公式のファームウェア (2段目) にネットワークブート機能が追加されました． Raspberry Pi 3のROMに書いたコードを，バグを修正して移植したようです．
Raspberry Piを通常の方法で起動させる場合，SDカードには bootcode.bin や fixup.dat，start.elf，config.txt，kernel.img などのファイルが必要です．
しかし，ネットワークブート機能は bootcode.bin に実装されたので，SDカードにbootcode.bin だけを入れれば，ネットワークブートができるようになります．
この際，残りのファイルは bootcode.bin がTFTPサーバ経由で持ってきてくれます．
さらに，bootcode.bin はアーキテクチャ特有の処理しかしないので，動くバージョンがあれば，基本的にそれを使い続けて大丈夫です（多分）．
よって，bootcode.bin 以外のファームウェアや設定ファイルやLinuxカーネル，rootfsなどは全てSDカードでなくサーバ側に置いておくだけで良い のです．
これで，全バージョンのRaspberry PiでネットワークブートとUSBストレージブートができるようになり，アップデートによってSDカードに負荷がかかることもなくなりました．
サーバ側の設定などは [Network Boot Your Raspberry Pi - Raspberry Pi Documentation](https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/bootmodes/net_tutorial.md) を参考にしてください．
最後に
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