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secure boot (一)FIT Image

前言

secure boot 和FIT Image是前段时间接触到的，其实早就该总结下了，奈何懒癌犯了，拖了好久才写出来。

之前也有人问我，工作后最大的感受是什么？我的回答是：“快速学习”。

就嵌入式来讲，大多数应届生在校期间可能都没做过完整的项目，仅凭在校期间学习的内容很难胜任公司的要求。

就底层驱动来讲，虽然我之前也学习过韦东山老师的上s3c2440的课程，但是到了公司才发现，这些内容其实都已经过时了。

但并不是说这些内容都没有必要去学习了。在学习的过程中，认为最重要的是培养我们的自学能力。

很多初学者在刚开始学习时，可能就败在了搭建环境上。搭建环境时遇到问题不知道怎么办？

我们日常开发中遇到的90%的问题，在网上都有人遇到过，也有相应的解决办法。学会利用bing，google，stackoverflow等搜索工具是一项很重要的技能。

如果遇到了网上没有的问题怎么办？软件问题要先搞清楚原理，再去看代码逻辑。硬件问题看官方手册。像Linux kernel，ARM等都提供了完善的手册，大部分问题在手册中都有相应说明。

好了，扯远了。下面回归正题。

本文主要介绍了FIT Image起源，制作方法，its的语法结构，bootm 启动FIT Image的方式。

本文这篇文章是对后面介绍的secure boot做铺垫。ARMv8 secure boot一种实现的方式就是利用了FIT Image的特性。

zImage，uImage， Legacy uImage 和 FIT uImage

内核经过编译后，会生成一个elf的可执行程序，叫vmlinux，这个就是原始的未经任何处理加工的原版内核elf文件。不过，最终烧写在嵌入式设备上的并不是这个文件。而是经过objcopy工具加工后的专门用于烧录的镜像格式Image。

原则上Image就可以直接被烧录到Flash上进行启动执行，但linux的内核开发者觉得Image还是太大了，因此对Image进行了压缩，并且在Image压缩后的文件的前端附加了一部分解压缩代码，构成了一个压缩格式的镜像文件就叫zImage。

解压的时候，通过zImage镜像头部的解压缩代码进行自解压，然后执行解压出来的内核镜像。

Uboot要正确启动Linux内核，就需要知道内核的一些信息，比如镜像的类型（kernel image，dtb，ramdisk image），镜像在内存的位置，镜像的链接地址，镜像文件是否有压缩等等。

Uboot为了拿到这些信息，发明了一种内核格式叫uImage，也叫Legacy uImage。uImage是由zImage加工得到的，uboot中有一个工具mkimage，该工具会给zImage加一个64字节的header，将启动内核所需的信息存储在header中。uboot启动后，从header中读取所需的信息，按照指示，进行相应的动作即可。

header格式可以参考：include/image.h。mkimage源码在tools/mkimage

FIT image的来源

有了Legacy uImage后，为什么又搞出来一个FIT uImage呢？

在Linus Torvalds 看来，内核中arch/arm/mach-xxx充斥着大量的垃圾代码。因为内核并不关心板级细节，比如板上的platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info等等。大家有兴趣可以看下s3c2410的板级目录，代码量在数万行。

因此，ARM社区引入了Device Tree，使用Device Tree后，许多硬件的细节可以直接透过它传递给Linux，而不再需要在kernel中进行大量的冗余编码。

为了更好的支持单个固件的通用性，Uboot也需要对这种uImage固件进行支持。FIT uImage中加入多个dtb文件 和ramdisk文件，当然如果需要的话，同样可以支持多个kernel文件。

内核中的FDT全程为flattened device tree，FIT全称叫flattened image tree。FIT利用了Device Tree Source files（DTS）的语法，生成的Image文件也和dtb文件类似（称作itb）。

这样的目的就是能够使同一个uImage能够在Uboot中选择特定的kernel/dtb和ramdisk进行启动了，达成一个uImage可以通用多个板型的目的。

制作FIT Image

制作FIT Image需要用到两个工具，mkimage和的dtc。dtc要导入到环境变量$PATH中，mkimage会调用dtc。

mkimage的输入为 image source file,它定义了启动过程中image的各种属性，扩展名为.its。its只是描述了Image的属性，实际的Image data 是在uImage中，具体路径由its指定。

如下是kernel 的its文件,后面会介绍各项内容的含义。 

/*
?*?Simple?U-Boot?uImage source file?containing?a?single?kernel
?*/

/dts-v1/;

/?{
?description?= "Simple?image?with?single?Linux?kernel"; #address-cells?=; images?{
??kernel@1?{
???description?= "Vanilla?Linux?kernel";
???data?=?/incbin/("./vmlinux.bin.gz"); #?Image?data?具体路径 type = "kernel";
???arch?= "ppc";
???os?= "linux";
???compression?= "gzip";
???load?=;
???entry?=; hash@1?{
????algo?= "crc32";
???}; hash@2?{
????algo?= "sha1";
???};
??};
?};

?configurations?{
??default?= "config@1";
??config@1?{
???description?= "Boot?Linux?kernel";
???kernel?= "kernel@1";
??};
?};
};

mkimage的输出是一个后缀为.itb的二进制文件，包含了所有需要的数据（kernel，dtb，ramdisk）。itb文件制作好之后，就可以直接加载到嵌入式设备上，通过bootm命令启动。

总结下制作FIT Image的4个必要文件：

  • mkimage，
  • dtc
  • its（image source file (*.its)）
  • image data file(s)。

its语法结构

uImage Tree 的根节点结构 

/?o?image-tree
????|-?description?= "image?description" |-?timestamp?=|- #address-cells?= |
????o?images
????|?|
????|?o?image@1?{...}
????|?o?image@2?{...}
????|?...
????|
????o?configurations
??????|-?default?= "conf@1" |
??????o?conf@1?{...}
??????o?conf@2?{...}
??????...

  • description：描述uImage的文本。

  • timestamp：修改Image镜像的时间，由mkimage工具自动生成。在security boot中，timestamp不同也会被认为是不同的Image。

  • images：子镜像，如kernel Image，ramdisk Image。

  • configurations：配置项节点，可以将不同类型的二进制文件，根据不同的场景，组合起来，形成一个个的配置项。u-boot在boot的时候，以配置项为单位加载、执行，这样就可以根据不同的场景，方便的选择不同的配置。

'/images' node

该节点中描述了Image镜像必要的信息. 

o?image@1
???|-?description?= "component?sub-image?description" |-?data?=?/incbin/("path/to/data/file.bin")
???|- type = "sub-image?type?name" |-?arch?= "ARCH?name" |-?os?= "OS?name" |-?compression?= "compression?name" |-?load?=|-?entry?=|
???o hash@1?{...}
???o hash@2?{...}
???...

  • description：子镜像的文本描述，可以随便写。

  • type：子镜像的类型，比如standalone，kernel，ramdisk，firmware等等。

  • data：包含该节点二进制文件的路径。

  • compression：压缩方式，比如none，gzip，bzip2。

  • os：操作系统的名称，如solaris，uboot，qnx等。

  • arch：平台架构，如arm，mips，i386等。

  • entry：二进制文件入口地址，即链接地址。

  • load：二进制文件的加载位置。

  • hash@1：镜像使用的校验算法，如sha256，crc32等。

Hash nodes 

o hash@1
??|-?algo?= "hash?or?checksum?algorithm?name" |-?value?=?[hash or?checksum?value]

  • algo：算法名称，如crc32，md5，sha256等。

  • value：算法校验值，即algo计算后的数值。

'/configurations' node 

o?configurations
??|-?default?= "default?configuration?sub-node?unit?name" |
??o?config@1?{...}
??o?config@2?{...}
??...

  • default：默认的子节点的配置

  • config@1: 该配置具体使用那些kernel Image，ramdisk Image等。

Configuration nodes 

o?config@1
??|-?description?= "configuration?description" |-?kernel?= "kernel?sub-node?unit?name" |-?ramdisk?= "ramdisk?sub-node?unit?name" |-?fdt?= "fdt?sub-node?unit-name" [, "fdt?overlay?sub-node?unit-name",?...]
??|-?fpga?= "fpga?sub-node?unit-name" |-?loadables?= "loadables?sub-node?unit-name"

  • description：该配置的名称。

  • kernel：镜像类型为kernel的单元的名称。

  • ramdisk：镜像类型为ramdisk的单元的名称。

  • fdt：镜像类型为fdt的单元的名称。

  • loadables：额外的可加载的二进制文件的列表，U-Boot将在给定的起始地址加载每个二进制文件。

举例

如下是一个有多种kernels, ramdisks and FDT blobs镜像多套配置的its文件。它包含了3种配置，每种配置使用了不同的kernel、ramdisk和fdt，默认配置项由“default”指定，当然也可以在运行时指定。 

/*
?*?U-Boot?uImage source file?with?multiple?kernels,?ramdisks?and?FDT?blobs
?*/

/dts-v1/;

/?{
?description?= "Various?kernels,?ramdisks?and?FDT?blobs"; #address-cells?=; images?{
??kernel@1?{
???description?= "vanilla-2.6.23";
???data?=?/incbin/("./vmlinux.bin.gz"); type = "kernel";
???arch?= "ppc";
???os?= "linux";
???compression?= "gzip";
???load?=;
???entry?=; 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?=;
???entry?=; 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?=;
???entry?=; 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?=;
???entry?=; 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?=;
???entry?=; 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?=; hash@1?{
????algo?= "sha1";
???};
??};

?};

?configurations?{
??default?= "config@1";

??config@1?{
???description?= "tqm5200?vanilla-2.6.23?configuration";
???kernel?= "kernel@1";
???ramdisk?= "ramdisk@1";
???fdt?= "fdt@1";
??};

??config@2?{
???description?= "tqm5200s?denx-2.6.23?configuration";
???kernel?= "kernel@2";
???ramdisk?= "ramdisk@1";
???fdt?= "fdt@2";
??};

??config@3?{
???description?= "tqm5200s?denx-2.4.25?configuration";
???kernel?= "kernel@3";
???ramdisk?= "ramdisk@2";
??};
?};
};

FIT Image的编译和启动

在服务器上，可以使用mkimage工具制作 FIT Image。

如下是kernel_fdt.its，下面将使用该文件制作itb。 

/*
?*?Simple?U-Boot?uImage source file?containing?a?single?kernel?and?FDT?blob
?*/

/dts-v1/;

/?{
?description?= "Simple?image?with?single?Linux?kernel?and?FDT?blob"; #address-cells?=; images?{
??kernel@1?{
???description?= "Vanilla?Linux?kernel";
???data?=?/incbin/("./vmlinux.bin.gz"); type = "kernel";
???arch?= "ppc";
???os?= "linux";
???compression?= "gzip";
???load?=;
???entry?=; hash@1?{
????algo?= "crc32";
???}; hash@2?{
????algo?= "sha1";
???};
??};
??fdt@1?{
???description?= "Flattened?Device?Tree?blob";
???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?= "Boot?Linux?kernel?with?FDT?blob";
???kernel?= "kernel@1";
???fdt?= "fdt@1";
??};
?};
};
$?mkimage?-f?kernel_fdt.its?kernel_fdt.itb
DTC:?dts->dtb??on?file "kernel_fdt.its" $
$?mkimage?-l?kernel_fdt.itb
FIT?description:?Simple?image?with?single?Linux?kernel?and?FDT?blob
Created:??Tue?Mar?11?16:29:22?2008
?Image?0?(kernel@1)
??Description:?Vanilla?Linux?kernel
??Type:??Kernel?Image
??Compression:?gzip?compressed
??Data?Size:?1092037?Bytes?=?1066.44?kB?=?1.04?MB
??Architecture:?PowerPC
??OS:??Linux
??Load?Address:?0x00000000
??Entry?Point:?0x00000000
??Hash?algo:?crc32
??Hash?value:?2c0cc807
??Hash?algo:?sha1
??Hash?value:?264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
?Image?1?(fdt@1)
??Description:?Flattened?Device?Tree?blob
??Type:??Flat?Device?Tree
??Compression:?uncompressed
??Data?Size:?16384?Bytes?=?16.00?kB?=?0.02?MB
??Architecture:?PowerPC
??Hash?algo:?crc32
??Hash?value:?0d655d71
??Hash?algo:?sha1
??Hash?value:?25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
?Default?Configuration: 'conf@1' Configuration?0?(conf@1)
??Description:?Boot?Linux?kernel?with?FDT?blob
??Kernel:?kernel@1
??FDT:??fdt@1

在当前目录下就可以找到kernel_fdt.itb，itb文件就可以加载到设备上启动。 

>?tftp?900000?/path/to/tftp/location/kernel_fdt.itb
Using?FEC?device
TFTP?from?server?192.168.1.1;?our?IP?address?is?192.168.160.5
Filename '/path/to/tftp/location/kernel_fdt.itb'.
Load?address:?0x900000
Loading: ################################################################# ########### done Bytes?transferred?=?1109776?(10ef10?hex)
=>?iminfo ##?Checking?Image?at?00900000?... FIT?image?found
???FIT?description:?Simple?image?with?single?Linux?kernel?and?FDT?blob
???Created:?????2008-03-11?15:29:22?UTC
????Image?0?(kernel@1)
?????Description:??Vanilla?Linux?kernel
?????Type:????Kernel?Image
?????Compression:??gzip?compressed
?????Data?Start:???0x009000ec
?????Data?Size:????1092037?Bytes?=??1?MB
?????Architecture:?PowerPC
?????OS:????Linux
?????Load?Address:?0x00000000
?????Entry?Point:??0x00000000
?????Hash?algo:????crc32
?????Hash?value:???2c0cc807
?????Hash?algo:????sha1
?????Hash?value:???264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
????Image?1?(fdt@1)
?????Description:??Flattened?Device?Tree?blob
?????Type:????Flat?Device?Tree
?????Compression:??uncompressed
?????Data?Start:???0x00a0abdc
?????Data?Size:????16384?Bytes?=?16?kB
?????Architecture:?PowerPC
?????Hash?algo:????crc32
?????Hash?value:???0d655d71
?????Hash?algo:????sha1
?????Hash?value:???25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
????Default?Configuration: 'conf@1' Configuration?0?(conf@1)
?????Description:??Boot?Linux?kernel?with?FDT?blob
?????Kernel:????kernel@1
?????FDT:????fdt@1
=>?bootm ##?Booting?kernel?from?FIT?Image?at?00900000?... Using 'conf@1' configuration
???Trying 'kernel@1' kernel?subimage
?????Description:??Vanilla?Linux?kernel
?????Type:????Kernel?Image
?????Compression:??gzip?compressed
?????Data?Start:???0x009000ec
?????Data?Size:????1092037?Bytes?=??1?MB
?????Architecture:?PowerPC
?????OS:????Linux
?????Load?Address:?0x00000000
?????Entry?Point:??0x00000000
?????Hash?algo:????crc32
?????Hash?value:???2c0cc807
?????Hash?algo:????sha1
?????Hash?value:???264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
???Verifying?Hash?Integrity?...?crc32+?sha1+?OK
???Uncompressing?Kernel?Image?...?OK ##?Flattened?Device?Tree?from?FIT?Image?at?00900000 Using 'conf@1' configuration
???Trying 'fdt@1' FDT?blob?subimage
?????Description:??Flattened?Device?Tree?blob
?????Type:????Flat?Device?Tree
?????Compression:??uncompressed
?????Data?Start:???0x00a0abdc
?????Data?Size:????16384?Bytes?=?16?kB
?????Architecture:?PowerPC
?????Hash?algo:????crc32
?????Hash?value:???0d655d71
?????Hash?algo:????sha1
?????Hash?value:???25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
???Verifying?Hash?Integrity?...?crc32+?sha1+?OK
???Booting?using?the?fdt?blob?at?0xa0abdc
???Loading?Device?Tree?to?007fc000,?end?007fffff?...?OK
[????0.000000]?Using?lite5200?machine?description
[????0.000000]?Linux?version?2.6.24-rc6-gaebecdfc?(m8@hekate)?(gcc?version?4.0.0?(DENX?ELDK?4.1?4.0.0)) #1?Sat?Jan?12?15:38:48?CET?2008

bootm启动不同的配置

对于FIT Image，bootm有多种启动方式。 

1.?bootm2.?bootm?[]:3.?bootm?[]#[# 4.?bootm?[]:[]:5.?bootm?[]:[]:[]:6.?bootm?[]:[]:7.?bootm?[]:-?????[]:8.?bootm?[]:-

对于有多种镜像，多套配置的itb，都是以configurations 中default 指定的配置启动。 

bootm?200000

也可以手动指定使用那套配置 

bootm?200000#cfg@1

也可以手动搭配不同的镜像节点启动 

bootm?200000:kernel@1?800000:ramdisk@2
bootm?200000:kernel@1?800000:ramdisk@1?800000:fdt@1
bootm?200000:kernel@2?200000:ramdisk@2?600000
bootm?200000:kernel@2?-?200000:fdt@1

如果bootm的时候不指定地址，则会使用CONFIG_SYS_LOAD_ADDR配置的地址。

总结

本文对FIT Image作了简单的介绍，更详细的内容可以参考官方文档。后面有时间会动手制作一个FIT Image在板子上跑下。

FIT Image可以兼容于多种板子，而无需重新进行编译烧写。对于有多个kernel节点或者fdt节点等等，兼容性更强。同时，可以有多种configurations，来对kernel、fdt、ramdisk来进行组合。

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