教学：secure boot (一)FIT Image
2022-09-05
来源：电子技术应用专栏作家 嵌入式与Linux那些事
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 = <1>;
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 = <00000000>;
entry = <00000000>;
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 = <12399321>
|- #address-cells = <1>
|
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 = <00000000>
|- entry = <00000000>
|
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 = <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 = "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 = <1>;
images {
kernel@1 {
description = "Vanilla Linux kernel";
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 = "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. bootm <addr1>
2. bootm [<addr1>]:<subimg1>
3. bootm [<addr1>]#<conf>[#<extra-conf[#...]]
4. bootm [<addr1>]:<subimg1> [<addr2>]:<subimg2>
5. bootm [<addr1>]:<subimg1> [<addr2>]:<subimg2> [<addr3>]:<subimg3>
6. bootm [<addr1>]:<subimg1> [<addr2>]:<subimg2> <addr3>
7. bootm [<addr1>]:<subimg1> - [<addr3>]:<subimg3>
8. bootm [<addr1>]:<subimg1> - <addr3>
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。
更多信息可以来这里获取==>>电子技术应用-AET<<
电子技术应用专栏作家 嵌入式与Linux那些事
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/MtfGhhP_6PSa_mTeLn_XFQ