secure boot (一)FIT Image
前言
secure boot 和FIT Image是前段時(shí)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(shí)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(shí)，可能就敗在了搭建環(huán)境上。搭建環(huán)境時(shí)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(gè)elf的可執(zhí)行程序，叫vmlinux，這個(gè)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(gè)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(gè)壓縮格式的鏡像文件就叫zImage。
解壓的時(shí)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(gè)工具mkimage，該工具會給zImage加一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)dtb文件 和ramdisk文件，當(dāng)然如果需要的話，同樣可以支持多個(gè)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(gè)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(gè)uImage可以通用多個(gè)板型的目的。
制作FIT Image
制作FIT Image需要用到兩個(gè)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。
/* * 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 具體路徑 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的輸出是一個(gè)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(gè)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)
/ 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鏡像的時(shí)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(gè)個(gè)的配置項(xiàng)。u-boot在boot的時(shí)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.
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
o hash@1 |- algo = "hash or checksum algorithm name" |- value = [hash or checksum value]
-
algo：算法名稱，如crc32，md5，sha256等。
-
value：算法校驗(yàn)值，即algo計(jì)算后的數(shù)值。
'/configurations' node
o configurations
|- default = "default configuration sub-node unit name" |
o config@1 {...}
o config@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
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：該配置的名稱。
-
kernel：鏡像類型為kernel的單元的名稱。
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ramdisk：鏡像類型為ramdisk的單元的名稱。
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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(gè)二進(jìn)制文件。
舉例
如下是一個(gè)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(shí)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。
/* * 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。
> 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啟動不同的配置
對于FIT Image，bootm有多種啟動方式。
1. bootm2. bootm []:3. bootm []#[# 4. 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。
bootm 200000
也可以手動指定使用那套配置
bootm 200000#cfg@1
也可以手動搭配不同的鏡像節(jié)點(diǎn)啟動
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的時(shí)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(shí)間會動手制作一個(gè)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(gè)kernel節(jié)點(diǎn)或者fdt節(jié)點(diǎn)等等，兼容性更強(qiáng)。同時(shí)，可以有多種configurations，來對kernel、fdt、ramdisk來進(jìn)行組合。
下載文檔
