FIT Image起源及制作方法

secure boot 和FIT Image是前段時間接觸到的，其實(shí)早就該總結(jié)下了，奈何懶癌犯了，拖了好久才寫出來。

之前也有人問我，工作后最大的感受是什么？我的回答是：“快速學(xué)習(xí)”。

就嵌入式來講，大多數(shù)應(yīng)屆生在校期間可能都沒做過完整的項(xiàng)目，僅憑在校期間學(xué)習(xí)的內(nèi)容很難勝任公司的要求。

就底層驅(qū)動來講，雖然我之前也學(xué)習(xí)過韋東山老師的上s3c2440的課程，但是到了公司才發(fā)現(xiàn)，這些內(nèi)容其實(shí)都已經(jīng)過時了。

但并不是說這些內(nèi)容都沒有必要去學(xué)習(xí)了。在學(xué)習(xí)的過程中，認(rèn)為最重要的是培養(yǎng)我們的自學(xué)能力。

很多初學(xué)者在剛開始學(xué)習(xí)時，可能就敗在了搭建環(huán)境上。搭建環(huán)境時遇到問題不知道怎么辦？

我們?nèi)粘ｉ_發(fā)中遇到的90%的問題，在網(wǎng)上都有人遇到過，也有相應(yīng)的解決辦法。學(xué)會利用bing，google，stackoverflow等搜索工具是一項(xiàng)很重要的技能。

如果遇到了網(wǎng)上沒有的問題怎么辦？軟件問題要先搞清楚原理，再去看代碼邏輯。硬件問題看官方手冊。像Linux kernel，ARM等都提供了完善的手冊，大部分問題在手冊中都有相應(yīng)說明。

好了，扯遠(yuǎn)了。下面回歸正題。

本文主要介紹了FIT Image起源，制作方法，its的語法結(jié)構(gòu)，bootm 啟動FIT Image的方式。

本文這篇文章是對后面介紹的secure boot做鋪墊。ARMv8 secure boot一種實(shí)現(xiàn)的方式就是利用了FIT Image的特性。

zImage，uImage， Legacy uImage 和 FIT uImage

內(nèi)核經(jīng)過編譯后，會生成一個elf的可執(zhí)行程序，叫vmlinux，這個就是原始的未經(jīng)任何處理加工的原版內(nèi)核elf文件。不過，最終燒寫在嵌入式設(shè)備上的并不是這個文件。而是經(jīng)過objcopy工具加工后的專門用于燒錄的鏡像格式Image。

原則上Image就可以直接被燒錄到Flash上進(jìn)行啟動執(zhí)行，但linux的內(nèi)核開發(fā)者覺得Image還是太大了，因此對Image進(jìn)行了壓縮，并且在Image壓縮后的文件的前端附加了一部分解壓縮代碼，構(gòu)成了一個壓縮格式的鏡像文件就叫zImage。

解壓的時候，通過zImage鏡像頭部的解壓縮代碼進(jìn)行自解壓，然后執(zhí)行解壓出來的內(nèi)核鏡像。

Uboot要正確啟動Linux內(nèi)核，就需要知道內(nèi)核的一些信息，比如鏡像的類型（kernel image，dtb，ramdisk image），鏡像在內(nèi)存的位置，鏡像的鏈接地址，鏡像文件是否有壓縮等等。

Uboot為了拿到這些信息，發(fā)明了一種內(nèi)核格式叫uImage，也叫Legacy uImage。uImage是由zImage加工得到的，uboot中有一個工具mkimage，該工具會給zImage加一個64字節(jié)的header，將啟動內(nèi)核所需的信息存儲在header中。uboot啟動后，從header中讀取所需的信息，按照指示，進(jìn)行相應(yīng)的動作即可。

header格式可以參考：include/image.h。mkimage源碼在tools/mkimage

FIT image的來源

有了Legacy uImage后，為什么又搞出來一個FIT uImage呢？

在Linus Torvalds 看來，內(nèi)核中arch/arm/mach-xxx充斥著大量的垃圾代碼。因?yàn)閮?nèi)核并不關(guān)心板級細(xì)節(jié)，比如板上的platform設(shè)備、resource、i2c_board_info、spi_board_info等等。大家有興趣可以看下s3c2410的板級目錄，代碼量在數(shù)萬行。

因此，ARM社區(qū)引入了Device Tree，使用Device Tree后，許多硬件的細(xì)節(jié)可以直接透過它傳遞給Linux，而不再需要在kernel中進(jìn)行大量的冗余編碼。

為了更好的支持單個固件的通用性，Uboot也需要對這種uImage固件進(jìn)行支持。FIT uImage中加入多個dtb文件 和ramdisk文件，當(dāng)然如果需要的話，同樣可以支持多個kernel文件。

內(nèi)核中的FDT全程為flattened device tree，F(xiàn)IT全稱叫flattened image tree。FIT利用了Device Tree Source files（DTS）的語法，生成的Image文件也和dtb文件類似（稱作itb）。

這樣的目的就是能夠使同一個uImage能夠在Uboot中選擇特定的kernel/dtb和ramdisk進(jìn)行啟動了，達(dá)成一個uImage可以通用多個板型的目的。

制作FIT Image

制作FIT Image需要用到兩個工具，mkimage和的dtc。dtc要導(dǎo)入到環(huán)境變量$PATH中，mkimage會調(diào)用dtc。

mkimage的輸入為 image source file,它定義了啟動過程中image的各種屬性，擴(kuò)展名為.its。its只是描述了Image的屬性，實(shí)際的Image data 是在uImage中，具體路徑由its指定。

如下是kernel 的its文件,后面會介紹各項(xiàng)內(nèi)容的含義。

/*
*SimpleU-BootuImagesourcefilecontainingasinglekernel
*/

/dts-v1/;

/{
description="SimpleimagewithsingleLinuxkernel";
#address-cells=<1>;

images{
kernel@1{
description="VanillaLinuxkernel";
data=/incbin/("./vmlinux.bin.gz");#Imagedata具體路徑
type="kernel";
arch="ppc";
os="linux";
compression="gzip";
load=<00000000>;
entry=<00000000>;
hash@1{
algo="crc32";
};
hash@2{
algo="sha1";
};
};
};

configurations{
default="config@1";
config@1{
description="BootLinuxkernel";
kernel="kernel@1";
};
};
};

mkimage的輸出是一個后綴為.itb的二進(jìn)制文件，包含了所有需要的數(shù)據(jù)（kernel，dtb，ramdisk）。itb文件制作好之后，就可以直接加載到嵌入式設(shè)備上，通過bootm命令啟動。

總結(jié)下制作FIT Image的4個必要文件：

mkimage，

dtc

its（image source file (*.its)）

image data file(s)。

its語法結(jié)構(gòu)

uImage Tree 的根節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

/oimage-tree
|-description="imagedescription"
|-timestamp=<12399321>
|-#address-cells=<1>
|
oimages
||
|oimage@1{...}
|oimage@2{...}
|...
|
oconfigurations
|-default="conf@1"
|
oconf@1{...}
oconf@2{...}
...

description：描述uImage的文本。

timestamp：修改Image鏡像的時間，由mkimage工具自動生成。在security boot中，timestamp不同也會被認(rèn)為是不同的Image。

images：子鏡像，如kernel Image，ramdisk Image。

configurations：配置項(xiàng)節(jié)點(diǎn)，可以將不同類型的二進(jìn)制文件，根據(jù)不同的場景，組合起來，形成一個個的配置項(xiàng)。u-boot在boot的時候，以配置項(xiàng)為單位加載、執(zhí)行，這樣就可以根據(jù)不同的場景，方便的選擇不同的配置。

'/images' node

該節(jié)點(diǎn)中描述了Image鏡像必要的信息.

oimage@1
|-description="componentsub-imagedescription"
|-data=/incbin/("path/to/data/file.bin")
|-type="sub-imagetypename"
|-arch="ARCHname"
|-os="OSname"
|-compression="compressionname"
|-load=<00000000>
|-entry=<00000000>
|
ohash@1{...}
ohash@2{...}
...

description：子鏡像的文本描述，可以隨便寫。

type：子鏡像的類型，比如standalone，kernel，ramdisk，firmware等等。

data：包含該節(jié)點(diǎn)二進(jìn)制文件的路徑。

compression：壓縮方式，比如none，gzip，bzip2。

os：操作系統(tǒng)的名稱，如solaris，uboot，qnx等。

arch：平臺架構(gòu)，如arm，mips，i386等。

entry：二進(jìn)制文件入口地址，即鏈接地址。

load：二進(jìn)制文件的加載位置。

hash@1：鏡像使用的校驗(yàn)算法，如sha256，crc32等。

Hash nodes

ohash@1
|-algo="hashorchecksumalgorithmname"
|-value=[hashorchecksumvalue]

algo：算法名稱，如crc32，md5，sha256等。

value：算法校驗(yàn)值，即algo計算后的數(shù)值。

'/configurations' node

oconfigurations
|-default="defaultconfigurationsub-nodeunitname"
|
oconfig@1{...}
oconfig@2{...}
...

default：默認(rèn)的子節(jié)點(diǎn)的配置

config@1: 該配置具體使用那些kernel Image，ramdisk Image等。

Configuration nodes

oconfig@1
|-description="configurationdescription"
|-kernel="kernelsub-nodeunitname"
|-ramdisk="ramdisksub-nodeunitname"
|-fdt="fdtsub-nodeunit-name"[,"fdtoverlaysub-nodeunit-name",...]
|-fpga="fpgasub-nodeunit-name"
|-loadables="loadablessub-nodeunit-name"

description：該配置的名稱。

kernel：鏡像類型為kernel的單元的名稱。

ramdisk：鏡像類型為ramdisk的單元的名稱。

fdt：鏡像類型為fdt的單元的名稱。

loadables：額外的可加載的二進(jìn)制文件的列表，U-Boot將在給定的起始地址加載每個二進(jìn)制文件。

舉例

如下是一個有多種kernels, ramdisks and FDT blobs鏡像多套配置的its文件。它包含了3種配置，每種配置使用了不同的kernel、ramdisk和fdt，默認(rèn)配置項(xiàng)由“default”指定，當(dāng)然也可以在運(yùn)行時指定。

/*
*U-BootuImagesourcefilewithmultiplekernels,ramdisksandFDTblobs
*/

/dts-v1/;

/{
description="Variouskernels,ramdisksandFDTblobs";
#address-cells=<1>;

images{
kernel@1{
description="vanilla-2.6.23";
data=/incbin/("./vmlinux.bin.gz");
type="kernel";
arch="ppc";
os="linux";
compression="gzip";
load=<00000000>;
entry=<00000000>;
hash@1{
algo="md5";
};
hash@2{
algo="sha1";
};
};

kernel@2{
description="2.6.23-denx";
data=/incbin/("./2.6.23-denx.bin.gz");
type="kernel";
arch="ppc";
os="linux";
compression="gzip";
load=<00000000>;
entry=<00000000>;
hash@1{
algo="sha1";
};
};

kernel@3{
description="2.4.25-denx";
data=/incbin/("./2.4.25-denx.bin.gz");
type="kernel";
arch="ppc";
os="linux";
compression="gzip";
load=<00000000>;
entry=<00000000>;
hash@1{
algo="md5";
};
};

ramdisk@1{
description="eldk-4.2-ramdisk";
data=/incbin/("./eldk-4.2-ramdisk");
type="ramdisk";
arch="ppc";
os="linux";
compression="gzip";
load=<00000000>;
entry=<00000000>;
hash@1{
algo="sha1";
};
};

ramdisk@2{
description="eldk-3.1-ramdisk";
data=/incbin/("./eldk-3.1-ramdisk");
type="ramdisk";
arch="ppc";
os="linux";
compression="gzip";
load=<00000000>;
entry=<00000000>;
hash@1{
algo="crc32";
};
};

fdt@1{
description="tqm5200-fdt";
data=/incbin/("./tqm5200.dtb");
type="flat_dt";
arch="ppc";
compression="none";
hash@1{
algo="crc32";
};
};

fdt@2{
description="tqm5200s-fdt";
data=/incbin/("./tqm5200s.dtb");
type="flat_dt";
arch="ppc";
compression="none";
load=<00700000>;
hash@1{
algo="sha1";
};
};

};

configurations{
default="config@1";

config@1{
description="tqm5200vanilla-2.6.23configuration";
kernel="kernel@1";
ramdisk="ramdisk@1";
fdt="fdt@1";
};

config@2{
description="tqm5200sdenx-2.6.23configuration";
kernel="kernel@2";
ramdisk="ramdisk@1";
fdt="fdt@2";
};

config@3{
description="tqm5200sdenx-2.4.25configuration";
kernel="kernel@3";
ramdisk="ramdisk@2";
};
};
};

FIT Image的編譯和啟動

在服務(wù)器上，可以使用mkimage工具制作 FIT Image。

如下是kernel_fdt.its，下面將使用該文件制作itb。

/*
*SimpleU-BootuImagesourcefilecontainingasinglekernelandFDTblob
*/

/dts-v1/;

/{
description="SimpleimagewithsingleLinuxkernelandFDTblob";
#address-cells=<1>;

images{
kernel@1{
description="VanillaLinuxkernel";
data=/incbin/("./vmlinux.bin.gz");
type="kernel";
arch="ppc";
os="linux";
compression="gzip";
load=<00000000>;
entry=<00000000>;
hash@1{
algo="crc32";
};
hash@2{
algo="sha1";
};
};
fdt@1{
description="FlattenedDeviceTreeblob";
data=/incbin/("./target.dtb");
type="flat_dt";
arch="ppc";
compression="none";
hash@1{
algo="crc32";
};
hash@2{
algo="sha1";
};
};
};

configurations{
default="conf@1";
conf@1{
description="BootLinuxkernelwithFDTblob";
kernel="kernel@1";
fdt="fdt@1";
};
};
};

$mkimage-fkernel_fdt.itskernel_fdt.itb
DTC:dts->dtbonfile"kernel_fdt.its"
$
$mkimage-lkernel_fdt.itb
FITdescription:SimpleimagewithsingleLinuxkernelandFDTblob
Created:TueMar1116222008
Image0(kernel@1)
Description:VanillaLinuxkernel
Type:KernelImage
Compression:gzipcompressed
DataSize:1092037Bytes=1066.44kB=1.04MB
Architecture:PowerPC
OS:Linux
LoadAddress:0x00000000
EntryPoint:0x00000000
Hashalgo:crc32
Hashvalue:2c0cc807
Hashalgo:sha1
Hashvalue:264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
Image1(fdt@1)
Description:FlattenedDeviceTreeblob
Type:FlatDeviceTree
Compression:uncompressed
DataSize:16384Bytes=16.00kB=0.02MB
Architecture:PowerPC
Hashalgo:crc32
Hashvalue:0d655d71
Hashalgo:sha1
Hashvalue:25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
DefaultConfiguration:'conf@1'
Configuration0(conf@1)
Description:BootLinuxkernelwithFDTblob
Kernel:kernel@1
FDT:fdt@1

在當(dāng)前目錄下就可以找到kernel_fdt.itb，itb文件就可以加載到設(shè)備上啟動。

>tftp900000/path/to/tftp/location/kernel_fdt.itb
UsingFECdevice
TFTPfromserver192.168.1.1;ourIPaddressis192.168.160.5
Filename'/path/to/tftp/location/kernel_fdt.itb'.
Loadaddress:0x900000
Loading:#################################################################
###########
done
Bytestransferred=1109776(10ef10hex)
=>iminfo

##CheckingImageat00900000...
FITimagefound
FITdescription:SimpleimagewithsingleLinuxkernelandFDTblob
Created:2008-03-111522UTC
Image0(kernel@1)
Description:VanillaLinuxkernel
Type:KernelImage
Compression:gzipcompressed
DataStart:0x009000ec
DataSize:1092037Bytes=1MB
Architecture:PowerPC
OS:Linux
LoadAddress:0x00000000
EntryPoint:0x00000000
Hashalgo:crc32
Hashvalue:2c0cc807
Hashalgo:sha1
Hashvalue:264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
Image1(fdt@1)
Description:FlattenedDeviceTreeblob
Type:FlatDeviceTree
Compression:uncompressed
DataStart:0x00a0abdc
DataSize:16384Bytes=16kB
Architecture:PowerPC
Hashalgo:crc32
Hashvalue:0d655d71
Hashalgo:sha1
Hashvalue:25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
DefaultConfiguration:'conf@1'
Configuration0(conf@1)
Description:BootLinuxkernelwithFDTblob
Kernel:kernel@1
FDT:fdt@1
=>bootm
##BootingkernelfromFITImageat00900000...
Using'conf@1'configuration
Trying'kernel@1'kernelsubimage
Description:VanillaLinuxkernel
Type:KernelImage
Compression:gzipcompressed
DataStart:0x009000ec
DataSize:1092037Bytes=1MB
Architecture:PowerPC
OS:Linux
LoadAddress:0x00000000
EntryPoint:0x00000000
Hashalgo:crc32
Hashvalue:2c0cc807
Hashalgo:sha1
Hashvalue:264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
VerifyingHashIntegrity...crc32+sha1+OK
UncompressingKernelImage...OK
##FlattenedDeviceTreefromFITImageat00900000
Using'conf@1'configuration
Trying'fdt@1'FDTblobsubimage
Description:FlattenedDeviceTreeblob
Type:FlatDeviceTree
Compression:uncompressed
DataStart:0x00a0abdc
DataSize:16384Bytes=16kB
Architecture:PowerPC
Hashalgo:crc32
Hashvalue:0d655d71
Hashalgo:sha1
Hashvalue:25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
VerifyingHashIntegrity...crc32+sha1+OK
Bootingusingthefdtblobat0xa0abdc
LoadingDeviceTreeto007fc000,end007fffff...OK
[0.000000]Usinglite5200machinedescription
[0.000000]Linuxversion2.6.24-rc6-gaebecdfc(m8@hekate)(gccversion4.0.0(DENXELDK4.14.0.0))#1SatJan121548CET2008

bootm啟動不同的配置

對于FIT Image，bootm有多種啟動方式。

1.bootm
2.bootm[]:
3.bootm[]#[#]:[]:
5.bootm[]:[]:[]:
6.bootm[]:[]:
7.bootm[]:-[]:
8.bootm[]:-

對于有多種鏡像，多套配置的itb，都是以configurations 中default 指定的配置啟動。

bootm200000

也可以手動指定使用那套配置

bootm200000#cfg@1

也可以手動搭配不同的鏡像節(jié)點(diǎn)啟動

bootm200000:kernel@1800000:ramdisk@2
bootm200000:kernel@1800000:ramdisk@1800000:fdt@1
bootm200000:kernel@2200000:ramdisk@2600000
bootm200000:kernel@2-200000:fdt@1

如果bootm的時候不指定地址，則會使用CONFIG_SYS_LOAD_ADDR配置的地址。

總結(jié)

本文對FIT Image作了簡單的介紹，更詳細(xì)的內(nèi)容可以參考官方文檔。后面有時間會動手制作一個FIT Image在板子上跑下。

FIT Image可以兼容于多種板子，而無需重新進(jìn)行編譯燒寫。對于有多個kernel節(jié)點(diǎn)或者fdt節(jié)點(diǎn)等等，兼容性更強(qiáng)。同時，可以有多種configurations，來對kernel、fdt、ramdisk來進(jìn)行組合。