secure boot (一)fit image

鼠扑  金牌会员 | 2022-9-21 22:36:05 | 显示全部楼层 | 阅读模式
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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。
  1. /*
  2. * Simple U-Boot uImage source file containing a single kernel
  3. */
  5. /dts-v1/;
  7. / {
  8.         description = "Simple image with single Linux kernel";
  9.         #address-cells = <1>;
  11.         images {
  12.                 kernel@1 {
  13.                         description = "Vanilla Linux kernel";
  14.                         data = /incbin/("./vmlinux.bin.gz");        # Image data 具体路径
  15.                         type = "kernel";
  16.                         arch = "ppc";
  17.                         os = "linux";
  18.                         compression = "gzip";
  19.                         load = <00000000>;
  20.                         entry = <00000000>;
  21.                         hash@1 {
  22.                                 algo = "crc32";
  23.                         };
  24.                         hash@2 {
  25.                                 algo = "sha1";
  26.                         };
  27.                 };
  28.         };
  30.         configurations {
  31.                 default = "config@1";
  32.                 config@1 {
  33.                         description = "Boot Linux kernel";
  34.                         kernel = "kernel@1";
  35.                 };
  36.         };
  37. };
复制代码
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
  1. / o image-tree
  2.     |- description = "image description"
  3.     |- timestamp = <12399321>
  4.     |- #address-cells = <1>
  5.     |
  6.     o images
  7.     | |
  8.     | o image@1 {...}
  9.     | o image@2 {...}
  10.     | ...
  11.     |
  12.     o configurations
  13.       |- default = "conf@1"
  14.       |
  15.       o conf@1 {...}
  16.       o conf@2 {...}
  17.       ...
复制代码

  • 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.
  1. o image@1
  2.    |- description = "component sub-image description"
  3.    |- data = /incbin/("path/to/data/file.bin")
  4.    |- type = "sub-image type name"
  5.    |- arch = "ARCH name"
  6.    |- os = "OS name"
  7.    |- compression = "compression name"
  8.    |- load = <00000000>
  9.    |- entry = <00000000>
  10.    |
  11.    o hash@1 {...}
  12.    o hash@2 {...}
  13.    ...
复制代码

  • 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
  1. o hash@1
  2.   |- algo = "hash or checksum algorithm name"
  3.   |- value = [hash or checksum value]
复制代码

  • 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
  1. o configurations
  2.   |- default = "default configuration sub-node unit name"
  3.   |
  4.   o config@1 {...}
  5.   o config@2 {...}
  6.   ...
复制代码

  • 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
  1. o config@1
  2.   |- description = "configuration description"
  3.   |- kernel = "kernel sub-node unit name"
  4.   |- ramdisk = "ramdisk sub-node unit name"
  5.   |- fdt = "fdt sub-node unit-name" [, "fdt overlay sub-node unit-name", ...]
  6.   |- fpga = "fpga sub-node unit-name"
  7.   |- loadables = "loadables sub-node unit-name"
复制代码

  • 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。
  1. /*
  2. * U-Boot uImage source file with multiple kernels, ramdisks and FDT blobs
  3. */
  5. /dts-v1/;
  7. / {
  8.         description = "Various kernels, ramdisks and FDT blobs";
  9.         #address-cells = <1>;
  11.         images {
  12.                 kernel@1 {
  13.                         description = "vanilla-2.6.23";
  14.                         data = /incbin/("./vmlinux.bin.gz");
  15.                         type = "kernel";
  16.                         arch = "ppc";
  17.                         os = "linux";
  18.                         compression = "gzip";
  19.                         load = <00000000>;
  20.                         entry = <00000000>;
  21.                         hash@1 {
  22.                                 algo = "md5";
  23.                         };
  24.                         hash@2 {
  25.                                 algo = "sha1";
  26.                         };
  27.                 };
  29.                 kernel@2 {
  30.                         description = "2.6.23-denx";
  31.                         data = /incbin/("./2.6.23-denx.bin.gz");
  32.                         type = "kernel";
  33.                         arch = "ppc";
  34.                         os = "linux";
  35.                         compression = "gzip";
  36.                         load = <00000000>;
  37.                         entry = <00000000>;
  38.                         hash@1 {
  39.                                 algo = "sha1";
  40.                         };
  41.                 };
  43.                 kernel@3 {
  44.                         description = "2.4.25-denx";
  45.                         data = /incbin/("./2.4.25-denx.bin.gz");
  46.                         type = "kernel";
  47.                         arch = "ppc";
  48.                         os = "linux";
  49.                         compression = "gzip";
  50.                         load = <00000000>;
  51.                         entry = <00000000>;
  52.                         hash@1 {
  53.                                 algo = "md5";
  54.                         };
  55.                 };
  57.                 ramdisk@1 {
  58.                         description = "eldk-4.2-ramdisk";
  59.                         data = /incbin/("./eldk-4.2-ramdisk");
  60.                         type = "ramdisk";
  61.                         arch = "ppc";
  62.                         os = "linux";
  63.                         compression = "gzip";
  64.                         load = <00000000>;
  65.                         entry = <00000000>;
  66.                         hash@1 {
  67.                                 algo = "sha1";
  68.                         };
  69.                 };
  71.                 ramdisk@2 {
  72.                         description = "eldk-3.1-ramdisk";
  73.                         data = /incbin/("./eldk-3.1-ramdisk");
  74.                         type = "ramdisk";
  75.                         arch = "ppc";
  76.                         os = "linux";
  77.                         compression = "gzip";
  78.                         load = <00000000>;
  79.                         entry = <00000000>;
  80.                         hash@1 {
  81.                                 algo = "crc32";
  82.                         };
  83.                 };
  85.                 fdt@1 {
  86.                         description = "tqm5200-fdt";
  87.                         data = /incbin/("./tqm5200.dtb");
  88.                         type = "flat_dt";
  89.                         arch = "ppc";
  90.                         compression = "none";
  91.                         hash@1 {
  92.                                 algo = "crc32";
  93.                         };
  94.                 };
  96.                 fdt@2 {
  97.                         description = "tqm5200s-fdt";
  98.                         data = /incbin/("./tqm5200s.dtb");
  99.                         type = "flat_dt";
  100.                         arch = "ppc";
  101.                         compression = "none";
  102.                         load = <00700000>;
  103.                         hash@1 {
  104.                                 algo = "sha1";
  105.                         };
  106.                 };
  108.         };
  110.         configurations {
  111.                 default = "config@1";
  113.                 config@1 {
  114.                         description = "tqm5200 vanilla-2.6.23 configuration";
  115.                         kernel = "kernel@1";
  116.                         ramdisk = "ramdisk@1";
  117.                         fdt = "fdt@1";
  118.                 };
  120.                 config@2 {
  121.                         description = "tqm5200s denx-2.6.23 configuration";
  122.                         kernel = "kernel@2";
  123.                         ramdisk = "ramdisk@1";
  124.                         fdt = "fdt@2";
  125.                 };
  127.                 config@3 {
  128.                         description = "tqm5200s denx-2.4.25 configuration";
  129.                         kernel = "kernel@3";
  130.                         ramdisk = "ramdisk@2";
  131.                 };
  132.         };
  133. };
复制代码
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。
  1. /*
  2. * Simple U-Boot uImage source file containing a single kernel and FDT blob
  3. */
  5. /dts-v1/;
  7. / {
  8.         description = "Simple image with single Linux kernel and FDT blob";
  9.         #address-cells = <1>;
  11.         images {
  12.                 kernel@1 {
  13.                         description = "Vanilla Linux kernel";
  14.                         data = /incbin/("./vmlinux.bin.gz");
  15.                         type = "kernel";
  16.                         arch = "ppc";
  17.                         os = "linux";
  18.                         compression = "gzip";
  19.                         load = <00000000>;
  20.                         entry = <00000000>;
  21.                         hash@1 {
  22.                                 algo = "crc32";
  23.                         };
  24.                         hash@2 {
  25.                                 algo = "sha1";
  26.                         };
  27.                 };
  28.                 fdt@1 {
  29.                         description = "Flattened Device Tree blob";
  30.                         data = /incbin/("./target.dtb");
  31.                         type = "flat_dt";
  32.                         arch = "ppc";
  33.                         compression = "none";
  34.                         hash@1 {
  35.                                 algo = "crc32";
  36.                         };
  37.                         hash@2 {
  38.                                 algo = "sha1";
  39.                         };
  40.                 };
  41.         };
  43.         configurations {
  44.                 default = "conf@1";
  45.                 conf@1 {
  46.                         description = "Boot Linux kernel with FDT blob";
  47.                         kernel = "kernel@1";
  48.                         fdt = "fdt@1";
  49.                 };
  50.         };
  51. };
复制代码
  1. $ mkimage -f kernel_fdt.its kernel_fdt.itb
  2. DTC: dts->dtb  on file "kernel_fdt.its"
  3. $
  4. $ mkimage -l kernel_fdt.itb
  5. FIT description: Simple image with single Linux kernel and FDT blob
  6. Created:         Tue Mar 11 16:29:22 2008
  7. Image 0 (kernel@1)
  8.   Description:        Vanilla Linux kernel
  9.   Type:                Kernel Image
  10.   Compression:        gzip compressed
  11.   Data Size:        1092037 Bytes = 1066.44 kB = 1.04 MB
  12.   Architecture: PowerPC
  13.   OS:                Linux
  14.   Load Address: 0x00000000
  15.   Entry Point:        0x00000000
  16.   Hash algo:        crc32
  17.   Hash value:        2c0cc807
  18.   Hash algo:        sha1
  19.   Hash value:        264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
  20. Image 1 (fdt@1)
  21.   Description:        Flattened Device Tree blob
  22.   Type:                Flat Device Tree
  23.   Compression:        uncompressed
  24.   Data Size:        16384 Bytes = 16.00 kB = 0.02 MB
  25.   Architecture: PowerPC
  26.   Hash algo:        crc32
  27.   Hash value:        0d655d71
  28.   Hash algo:        sha1
  29.   Hash value:        25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
  30. Default Configuration: 'conf@1'
  31. Configuration 0 (conf@1)
  32.   Description:        Boot Linux kernel with FDT blob
  33.   Kernel:        kernel@1
  34.   FDT:                fdt@1
复制代码
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。
  1. > tftp 900000 /path/to/tftp/location/kernel_fdt.itb
  2. Using FEC device
  3. TFTP from server 192.168.1.1; our IP address is 192.168.160.5
  4. Filename '/path/to/tftp/location/kernel_fdt.itb'.
  5. Load address: 0x900000
  6. Loading: #################################################################
  7.          ###########
  8. done
  9. Bytes transferred = 1109776 (10ef10 hex)
  10. => iminfo
  12. ## Checking Image at 00900000 ...
  13.    FIT image found
  14.    FIT description: Simple image with single Linux kernel and FDT blob
  15.    Created:            2008-03-11        15:29:22 UTC
  16.     Image 0 (kernel@1)
  17.      Description:  Vanilla Linux kernel
  18.      Type:           Kernel Image
  19.      Compression:  gzip compressed
  20.      Data Start:   0x009000ec
  21.      Data Size:    1092037 Bytes =  1 MB
  22.      Architecture: PowerPC
  23.      OS:           Linux
  24.      Load Address: 0x00000000
  25.      Entry Point:  0x00000000
  26.      Hash algo:    crc32
  27.      Hash value:   2c0cc807
  28.      Hash algo:    sha1
  29.      Hash value:   264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
  30.     Image 1 (fdt@1)
  31.      Description:  Flattened Device Tree blob
  32.      Type:           Flat Device Tree
  33.      Compression:  uncompressed
  34.      Data Start:   0x00a0abdc
  35.      Data Size:    16384 Bytes = 16 kB
  36.      Architecture: PowerPC
  37.      Hash algo:    crc32
  38.      Hash value:   0d655d71
  39.      Hash algo:    sha1
  40.      Hash value:   25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
  41.     Default Configuration: 'conf@1'
  42.     Configuration 0 (conf@1)
  43.      Description:  Boot Linux kernel with FDT blob
  44.      Kernel:           kernel@1
  45.      FDT:           fdt@1
  46. => bootm
  47. ## Booting kernel from FIT Image at 00900000 ...
  48.    Using 'conf@1' configuration
  49.    Trying 'kernel@1' kernel subimage
  50.      Description:  Vanilla Linux kernel
  51.      Type:           Kernel Image
  52.      Compression:  gzip compressed
  53.      Data Start:   0x009000ec
  54.      Data Size:    1092037 Bytes =  1 MB
  55.      Architecture: PowerPC
  56.      OS:           Linux
  57.      Load Address: 0x00000000
  58.      Entry Point:  0x00000000
  59.      Hash algo:    crc32
  60.      Hash value:   2c0cc807
  61.      Hash algo:    sha1
  62.      Hash value:   264b59935470e42c418744f83935d44cdf59a3bb
  63.    Verifying Hash Integrity ... crc32+ sha1+ OK
  64.    Uncompressing Kernel Image ... OK
  65. ## Flattened Device Tree from FIT Image at 00900000
  66.    Using 'conf@1' configuration
  67.    Trying 'fdt@1' FDT blob subimage
  68.      Description:  Flattened Device Tree blob
  69.      Type:           Flat Device Tree
  70.      Compression:  uncompressed
  71.      Data Start:   0x00a0abdc
  72.      Data Size:    16384 Bytes = 16 kB
  73.      Architecture: PowerPC
  74.      Hash algo:    crc32
  75.      Hash value:   0d655d71
  76.      Hash algo:    sha1
  77.      Hash value:   25ab4e15cd4b8a5144610394560d9c318ce52def
  78.    Verifying Hash Integrity ... crc32+ sha1+ OK
  79.    Booting using the fdt blob at 0xa0abdc
  80.    Loading Device Tree to 007fc000, end 007fffff ... OK
  81. [    0.000000] Using lite5200 machine description
  82. [    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
复制代码
bootm启动不同的配置

对于FIT Image，bootm有多种启动方式。
[code]1. bootm 2. bootm []:3. bootm []#[#

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