基于嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)safe mode安全模式的應(yīng)用方案

目前的各種嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)豐富多彩，它們正改變著我們的生活方式。隨著嵌入式產(chǎn)品功能的增加，如何讓用戶對(duì)已購(gòu)買的產(chǎn)品的升級(jí)能安全地、順利地完成，避免升級(jí)過(guò)程中出現(xiàn)的意外掉電所引起的產(chǎn)品故障，這樣的問(wèn)題要求嵌入產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)時(shí)就將產(chǎn)品的 safe mode 安全模式考慮進(jìn)去。這里我們將以一個(gè)嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)播放器為例，來(lái)說(shuō)明 safe mode 安全模式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)本文，我們可以了解到針對(duì)一個(gè)實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中需要注意的技術(shù)要點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

為什么需要 safe mode（安全模式）

當(dāng)用戶購(gòu)買一個(gè)產(chǎn)品后，在后續(xù)的服務(wù)中，可能還會(huì)發(fā)生一些費(fèi)用，讓產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商增加成本，如免費(fèi)電話咨詢，產(chǎn)品的維修、寄送。所以說(shuō)將產(chǎn)品的賣出并不意味著最終的贏利。這樣的情況下，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就需要更加合理，更加優(yōu)化，來(lái)滿足用戶各種可能的需求。特別是在發(fā)生異常故障的時(shí)候，如果能引導(dǎo)客戶自行完成診斷、修復(fù)，那么將大大降低后續(xù)的服務(wù)成本。正因?yàn)槿绱?，產(chǎn)品故障時(shí)，就很需要safe mode安全模式來(lái)幫助用戶完成恢復(fù)的工作。

從節(jié)約產(chǎn)品的成本、產(chǎn)品所能提供的功能上來(lái)看，safe mode 是大有裨益的。

大家所熟知的 windows 系統(tǒng)，也提供了 safe mode 安全模式，它就可以幫助用戶解決系統(tǒng)不穩(wěn)定，硬件沖突等諸多故障，讓用戶在自己可以操作的能力范圍內(nèi)先行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷與修復(fù)。在很大程度上， windows 的 safe mode 給用戶與 Microsoft 都帶來(lái)了很大的便利。

嵌入式Linux產(chǎn)品與其他IT產(chǎn)品不同的地方，主要是使用flash來(lái)存貯運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)。它沒(méi)有大的內(nèi)存，沒(méi)有大的存儲(chǔ)空間，但它卻也是一個(gè)完整的系統(tǒng)。

在通常情況下，嵌入式Linux產(chǎn)品的flash上的內(nèi)容是不會(huì)被破壞的，也即它們會(huì)有著較好的穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)橛脩舻某Ｒ?guī)使用而導(dǎo)致flash上的 firmware被破壞。但隨著產(chǎn)品的更新升級(jí)，用戶也需要在自己家中完成對(duì)已購(gòu)買商品的更新?lián)Q代。而用戶大多屬于非技術(shù)熟悉者，在更新升級(jí)中就可能出現(xiàn)種種意想不到的情況。

比如在用戶做firmware升級(jí)更新時(shí)，平時(shí)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的firmware可能在這個(gè)過(guò)程中，就面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，極有可能致使用戶的系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)，不能正常工作。這樣的情況是我們不愿意看到的，而實(shí)際中卻的的確確可能會(huì)發(fā)生。

考慮這樣一個(gè)場(chǎng)景：當(dāng)用戶對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行firmware升級(jí)時(shí)，如果在燒寫(xiě)flash的過(guò)程中，意外掉電，那么用戶手中的產(chǎn)品就將無(wú)法再次啟動(dòng)，因?yàn)?rootfs系統(tǒng)已經(jīng)被破壞了。用戶所能做的，也只能將產(chǎn)品送回產(chǎn)商進(jìn)行維修。這樣來(lái)回的過(guò)程不僅耗費(fèi)用戶的精力，同樣也會(huì)增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商的成本。在產(chǎn)品升級(jí)換代很快的當(dāng)前市場(chǎng)情況下，這樣的情況可能會(huì)經(jīng)常發(fā)生。

如何避免這樣的情況的發(fā)生呢？如果我們可以提供一個(gè)機(jī)制，在進(jìn)行升級(jí)前即往flash中寫(xiě)入一個(gè)標(biāo)記，正常完成后，再寫(xiě)入另一個(gè)標(biāo)記來(lái)表示整個(gè)過(guò)程的正常結(jié)束，否則的話，燒寫(xiě)時(shí)掉電不會(huì)寫(xiě)入第二個(gè)標(biāo)記，只有第一個(gè)標(biāo)記，那么就認(rèn)為產(chǎn)品故障，這個(gè)時(shí)候，進(jìn)入另一個(gè)新的提示界面，讓用戶自己選擇從 USB或FTP來(lái)重新升級(jí)firmware。這樣的話，整個(gè)過(guò)程用戶就完全可以在界面的友好提示下自己完成，方便了用戶與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商。

系統(tǒng)架構(gòu)

本文以一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品為例，來(lái)說(shuō)明safe mode的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)為一個(gè)嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)播放器，主要的功能為播放家庭網(wǎng)絡(luò)中的多媒體文件，在家庭客廳等環(huán)境中有著大量的應(yīng)用，它可以給用戶提供更方便快捷的媒體文件的播放方式，并能充分利用家庭音響系統(tǒng)的巨大功能，而非PC環(huán)境下有限的外部設(shè)備，大大改善了媒體文件的播放體驗(yàn)。

本系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖：

產(chǎn)品所使用的flash總大小為16M。

系統(tǒng)包括三大部分，即bootloader，config， kernel + rootfs：

另外，/dev/mtdblock/0，在系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)整個(gè)flash block，即整個(gè)16M空間。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，bootloader將kernel和根文件映象從flash上讀取到RAM空間中，為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核，進(jìn)入application，進(jìn)行媒體文件的播放。

這個(gè)通常意義上的嵌入式Linux系統(tǒng)，它是不帶safe mode安全模式的。

這樣的系統(tǒng)，在做系統(tǒng)更新升級(jí)時(shí)，主要是對(duì)kernel+rootfs部分進(jìn)行升級(jí)，以此來(lái)增加系統(tǒng)的功能。

升級(jí)時(shí)，application主要是操作/dev/mtdblock/3設(shè)備文件：

第一步：下載新的firmware到ramfs中，也即ram disk中，比如/tmp目錄下，采用的更新方式可以是USB或FTP;

第二步：read /tmp/firmware文件，并write到設(shè)備文件/dev/mtdblock/3上，即對(duì)已有的firmware進(jìn)行了更新。

在升級(jí)的過(guò)程中，我們會(huì)提供友好的界面給用戶，來(lái)提示下載進(jìn)度與燒寫(xiě)flash的進(jìn)度，讓用戶可以看到正在發(fā)生的狀況。

最后燒寫(xiě)完成后，重新啟動(dòng)系統(tǒng)，即可進(jìn)入到新的firmware中。

在通常的更新中，用戶的產(chǎn)品配置config一般不去修改，保持用戶已經(jīng)做的配置選項(xiàng)，不能破壞。Config內(nèi)容對(duì)應(yīng)為/dev/mtdblock/2設(shè)備文件。

從USB/FTP 上更新時(shí)，所使用的firmware文件需要是一個(gè)更加完整的image文件，可以包括bootloader， default config， kernel+rootfs，并讓application可以做到視image中的標(biāo)記來(lái)決定是否需要更新bootloader、config等內(nèi)容，這樣會(huì)更加靈活。

在更新firmware時(shí)，如果掉電，那么kernel + rootfs部分將會(huì)出現(xiàn)不完整的情況，也就是說(shuō)只寫(xiě)入了部分內(nèi)容，而中途中斷了，這樣的話，一個(gè)不完整的系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。在這樣的情況下就需要safe mode安全模式了。

safe mode架構(gòu)設(shè)計(jì)

Safe mode的設(shè)計(jì)中，對(duì)原來(lái)的系統(tǒng)增加了兩個(gè)部分的內(nèi)容：

kernel + rootfs，即簡(jiǎn)單的UI界面與功能;

magic number，即燒寫(xiě)flash的標(biāo)記。

safe mode實(shí)際上也是一個(gè)kernel + rootfs部分，只是它所具有的功能只包括一些簡(jiǎn)單的界面，主要是提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，從USB/FTP下載firmware，完成對(duì)flash的燒寫(xiě)。

為了區(qū)分，這里，將主功能部分的kernel + rootfs稱為master。

我們將safe mode存放在Master的后部，預(yù)留的flash大小為4M。

Magic number只占用一個(gè)字節(jié)的大小，是在這4M的最后的部分的一個(gè)字節(jié)，也即原始系統(tǒng)的15872K的最后一個(gè)字節(jié)位置處。

在開(kāi)始燒寫(xiě)flash前，將magic number設(shè)置為0x55，表示燒寫(xiě)的開(kāi)始。燒寫(xiě)正常結(jié)束后，將magic number設(shè)置為0xAA，表示燒寫(xiě)正常結(jié)束。

如果新產(chǎn)品中具備了safe mode模式，那么在以后再次更新升級(jí)時(shí)，開(kāi)始燒寫(xiě)flash時(shí)，magic number的位置將會(huì)有0x55標(biāo)記，如果燒寫(xiě)中途掉電，在重新啟動(dòng)后，將由bootloader來(lái)檢查magic number的值，如果內(nèi)容為0x55，那么bootloader將從safemode部分讀出kernel和根文件映象，再為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核，進(jìn)入safe mode application。

如果bootloader讀到magic number為0xAA，那么說(shuō)明master firmware是正常的，就將直接進(jìn)入master。

所以涉及到safe mode的地方也包括了對(duì)bootloader的修改，需要在系統(tǒng)上電階段也檢查safe mode的magic number，這個(gè)過(guò)程是必不可少的，只有在啟動(dòng)階段就檢查magic number，才能跳過(guò)損壞的master系統(tǒng)，進(jìn)入安全模式，達(dá)到恢復(fù)系統(tǒng)的目的。

safe mode架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

在safe mode的實(shí)現(xiàn)中，需要保持原有master部分的穩(wěn)定，所以對(duì)master系統(tǒng)的building system不做大的改動(dòng)，也就是保持safe mode的building system與master的building system共存。原則上來(lái)說(shuō)，要避免對(duì)master系統(tǒng)帶來(lái)大的沖突。

Master building system主要涉及到的編譯過(guò)程為：

make

make rootfs

這個(gè)時(shí)候?qū)⒌玫絤aster.bin

safe mode building system和其類似，只是make rootfs部分有所區(qū)分：

make

make smrootfs

這個(gè)時(shí)候?qū)⒌玫絪afemode.bin

最后再將master與safe

mode部分做一個(gè)合并，得到一個(gè)整的rootfs

make dualrootfs

make dist

make

dualrootfs將調(diào)用一個(gè)外部的程序make_dual.c，所做的事情是要得到一個(gè)15872K的rootfs。這個(gè)rootfs包含的內(nèi)容為master.bin + safemode.bin。

本系統(tǒng)中一般master.bin的大小約為10000K，再加上safemode.bin的4M，總大小并未達(dá)到15872K，那么中間多出的部分，我們需要將其補(bǔ)0填充好。需要補(bǔ)充的0的大小約為15872-4*1024-10000=1776K

make_dual.c就是完成上面的合并，補(bǔ)0的工作。它read master.bin，write rootfs，然后write1776K個(gè)零到rootfs中，接下來(lái)read safemode.bin，再繼續(xù)write 到rootfs中。

這樣就得到了完整的、帶master與safe mode的rootfs。

safe mode實(shí)現(xiàn)中遇到的問(wèn)題及其解決

體積限制：

在safe mode的開(kāi)發(fā)中，首先遇到的一個(gè)問(wèn)題就是如何從已有的系統(tǒng)中簡(jiǎn)化出一個(gè)safe mode的application環(huán)境。

對(duì)master原有系統(tǒng)的裁剪來(lái)得到safe mode，將會(huì)比較容易，如果從頭另寫(xiě)一套，將會(huì)花費(fèi)較大精力，穩(wěn)定性也無(wú)法得到確實(shí)的保障，所以最終采用的是精簡(jiǎn)master的系統(tǒng)來(lái)得到safe mode的大框架。

在實(shí)現(xiàn)safe mode時(shí)，要做的工作的原則是做到safe mode的rootfs盡量小，低于4M，并且保持與master外圍特性的一致，這樣可以避免重復(fù)開(kāi)發(fā)，同時(shí)代碼的共用可以減少維護(hù)的不便，提高整個(gè)系統(tǒng)的靈活度、穩(wěn)定度。

就一個(gè)能運(yùn)行的嵌入系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最基本的內(nèi)容應(yīng)該包括Linux kernel，busybox工具包、圖形驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。

在本系統(tǒng)中，為了支持FTP下載，需要有network的支持，也即需要包括wired/wireless的支持。

為了支持USB下載方式，就需要USB monitor管理進(jìn)程的支持，這個(gè)主要是保持了與master系統(tǒng)的一致，而沒(méi)有另外去寫(xiě)一個(gè)體積更小的USB管理模塊。

wireless模塊：

本來(lái)在設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮不加入wireless的支持，但為了更加方便用戶，保持用戶的使用習(xí)慣，我們還是加入了對(duì)wireless的支持，這樣也保持了與master系統(tǒng)的一致，但支持的代價(jià)是，safe mode的體積增大了大約250K。

在wireless module中，做了一個(gè)優(yōu)化，master系統(tǒng)中wireless module在insmod時(shí)，是使用的rootfs中的/lib/module/wireless/XXX.o，這些未壓縮的.o文件在rootfs系統(tǒng)中將占用較大空間，這樣一來(lái)，對(duì)應(yīng)的safe mode的內(nèi)容將會(huì)超出4M的大小。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們將這些wireless module壓縮成wireless.tar.gz文件，放置到safemode.bin中，在Linux啟動(dòng)時(shí)，在/etc/rc腳本中將 wireless.tar.gz解壓縮到ramfs中即/tmp/lib/module/wireless下，然后再?gòu)倪@里insmod安裝 wireless模塊。這樣所做的努力，wireless module從原來(lái)的790K，縮減到了250K，而功能保持了一致。

字體：

master 系統(tǒng)的字體使用的是freetype2，字體文件arialbd.ttf大約為280K，這也將占用大量的空間。由于safe mode在顯示界面方面沒(méi)有過(guò)高的要求，能讓用戶看到基本的圖形界面就已經(jīng)達(dá)到目的了，所以在safe mode中需要將freetype去掉。但由于master模式與safe mode都使用相同的圖形引擎，這樣就導(dǎo)致了，如果在safe mode中去掉freetype，那么就需要再次重新build基礎(chǔ)的圖形庫(kù)，這樣在master與safe mode的單獨(dú)編譯過(guò)程中就需要反復(fù)去make clean這些庫(kù)。這會(huì)給每次的編譯帶來(lái)很大的不便，每次make clean等操作會(huì)占用大量的時(shí)間，耗時(shí)耗力。

基于這個(gè)考慮，我們決定master與safe mode在編譯過(guò)程中都使用相同的圖形庫(kù)，即都編譯生成freetype庫(kù)。但在運(yùn)行時(shí)，safe mode不去使用freetype。也就是說(shuō)，freetype庫(kù)會(huì)被編譯進(jìn)來(lái)，但字體文件不需要加到safe mode中，這樣做的代價(jià)就是編譯出來(lái)的safe mode的application比完全無(wú)freetype庫(kù)的情況要大100K左右，但卻保持了與master相同的庫(kù)結(jié)構(gòu)，而freetype字體就不再需要了，也就節(jié)約出了大約280K的空間。

最終優(yōu)化的結(jié)果，safe mode的4M，包括Linux kernel， buzybox， safe mode application等壓縮后的大?。?/p>

優(yōu)化結(jié)果

后續(xù)版本的兼容：

在safe mode的設(shè)計(jì)中，對(duì)后續(xù)多個(gè)版本升級(jí)的支持也是一個(gè)需要仔細(xì)考慮的地方。因?yàn)楹罄m(xù)版本會(huì)存在很多的不確定性，如果發(fā)出的版本不能很好地兼容后續(xù)版本，那么將會(huì)給產(chǎn)品帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

后續(xù)版本的可能情況，主要分兩種：結(jié)構(gòu)分區(qū)變化不大，結(jié)構(gòu)分區(qū)變化巨大。

對(duì)后續(xù)版本中變化不大的情況，也即類似master + safe mode的情況，當(dāng)再次更新時(shí)，只需要操作/dev/mtdblock/3對(duì)應(yīng)master，/dev/mtdblock/4對(duì)應(yīng)safe mode，即可。

但如果后續(xù)版本變化非常大，那么就需要特別注意了。

可以考慮這樣一個(gè)情況：如果后續(xù)的版本，需求發(fā)生了大的變化，比如需要將原來(lái)master所在的分區(qū)再分成多個(gè)分區(qū)：

后續(xù)版本需求變化

那么從老版本升級(jí)到新版本時(shí)，這些分區(qū)的內(nèi)容如何保證燒寫(xiě)后能正常工作呢？

解決的辦法就是在老版本中，將后續(xù)的rootfs部分作為一個(gè)整體來(lái)操作，也就是說(shuō)燒寫(xiě)時(shí)，是將master + part1 + part2+ safe mode作為一個(gè)整體來(lái)對(duì)待。在老版本看來(lái)，新版本中的這15872K的內(nèi)容，不管它其中有多少個(gè)不同的分區(qū)，還是master + safe mode。在燒寫(xiě)時(shí)，還是按/dev/mtdblock/3對(duì)應(yīng)master，/dev/mtdblock/4對(duì)應(yīng)safe mode的方式來(lái)燒寫(xiě)，完成將15872K的內(nèi)容完整燒寫(xiě)進(jìn)flash即可。

為了做到這一點(diǎn)，在燒寫(xiě)中，我們將全部的15872K的內(nèi)容分成兩段，第一段為15872-4*1024=11776K，需要將其write到/dev/mtdblock/3中，第二段為4M，需要將其write到/dev/mtdblock/4中。這樣全部的15872K的內(nèi)容就完整地?zé)龑?xiě)完，而再次啟動(dòng)后的kernel會(huì)分辨出 master + part1 + part2 + safe mode，它們的總大小依然保持15872K不變。這整個(gè)過(guò)程中，都不用去理會(huì)新版本中到底包括哪些內(nèi)容，哪些分區(qū)，只要保證是將15872K的內(nèi)容全部完整地?zé)龑?xiě)進(jìn)去就可以了。

整體rootfs的設(shè)計(jì)思想在這里幫了一個(gè)大忙，簡(jiǎn)化了升級(jí)更新時(shí)所需要考慮的復(fù)雜度，使設(shè)計(jì)變得更加靈活與易于維護(hù)。

這樣才新發(fā)布的firmware里，如果分為多個(gè)分區(qū)，那么就保證再次升級(jí)時(shí)，將15872K的內(nèi)容分成多段，寫(xiě)到類似/dev/mtdblock/3、4、5、6這樣的設(shè)備文件里就可以了，只要保證這些區(qū)域是連續(xù)的、并且燒寫(xiě)的內(nèi)容是全部的那15872K內(nèi)容即可。

Magic number：

值得注意的是，隨著不同的版本的變化，magic number的位置還是應(yīng)該保持在15872K的最后一個(gè)字節(jié)的位置。但這就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，在不同的版本中，這個(gè)magic number的位置會(huì)是在不同的partition的最后一個(gè)字節(jié)。比如某個(gè)版本可能是在/dev/mtdblock/4的最后，但再后續(xù)的版本它會(huì)變成了/dev/mtdblock/7的最后面，這樣就會(huì)存在很大的不確定性。所以在一個(gè)各個(gè)版本中，寫(xiě)magic number標(biāo)記位時(shí)，需要一個(gè)統(tǒng)一的方法來(lái)做到這件事。最容易想到的辦法當(dāng)然就是magic number這個(gè)位置相對(duì)起始位置0是不變的。而前面提到過(guò)的/dev/mtdblock/0就剛好是代表了可以操作的整個(gè)flash分區(qū)。

有了/dev/mtdblock/0，這樣我們就可以open 它，seek到magic number的位置，然后write下0x55或0xAA，這樣就保持了寫(xiě)magic number的代碼的一致性，不需要根據(jù)不同的分區(qū)，多次修改操作magic number的有關(guān)函數(shù)。

Booloader：

Bootloader的修改，也涉及到對(duì)magic number的讀取，它的讀取就相對(duì)簡(jiǎn)單一些，直接使用magic number在RAM中映射的絕對(duì)地址即可。

Bootloader檢查完magic number后，需要將相對(duì)地址為0xBC0000的safe mode的kernel + rootfs讀入到RAM，然后設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核，進(jìn)入safe mode提示界面。

Linux kernel：

與老的、不帶safe mode的image相比，新的image里的Linux kernel從總體的角度來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有大的變化。在新做的master與safe mode的image中，它們各自需要包含一個(gè)Linux kernel，這兩個(gè)kernel唯一的不同就是啟動(dòng)時(shí)所需要的rootfs在RAM中的映射位置不同。它們都有著相同的partition分區(qū)設(shè)置，編譯選項(xiàng)等。

Safe mode必須包含自己的Linux kernel，因?yàn)樗沁\(yùn)行在master損壞的情況下，master kernel已經(jīng)不能啟動(dòng)了。

總結(jié)

上面的內(nèi)容是在實(shí)際開(kāi)發(fā)中對(duì)safe mode的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一個(gè)描述。從這個(gè)描述中，可以看到safe mode在嵌入式Linux產(chǎn)品扮演著重要的角色，對(duì)它的設(shè)計(jì)涉及到很多方面，要考慮系統(tǒng)的尺寸，與現(xiàn)有buidling環(huán)境的的兼容性，對(duì)后續(xù)版本的升級(jí)的兼容性等諸多方面。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，safe mode的設(shè)計(jì)關(guān)系到產(chǎn)品的成敗，一個(gè)好的safe mode的設(shè)計(jì)將會(huì)給產(chǎn)品帶來(lái)巨大的靈活性與可擴(kuò)展性，大大地方便了客戶與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商。

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