作者：wowo 發佈於：2016-9-2 21:49 分類：u-boot分析
1. 前言
Linux kernel在ARM架構中引入device tree（全稱是flattened device tree，後續將會以FDT代稱）的時候[1]，其實懷揣了一個Unify Kernel的夢想----同一個Image，可以支持多個不同的平臺。隨着新的ARM64架構將FDT列爲必選項，並將和體系結構有關的代碼剝離之後，這個夢想已經接近實現：
在編譯linux kernel的時候，不必特意的指定具體的架構和SOC，只需要告訴kernel本次編譯需要支持哪些板級的platform即可，最終將會生成一個Kernel image，以及多個和具體的板子（哪個架構、哪個SOC、哪個版型）有關的FDT image（dtb文件）。
bootloader在啓動的時候，根據硬件環境，加載不同的dtb文件，即可使linux kernel運行在不同的硬件平臺上，從而達到unify kernel的目標。
本文將基於嵌入式產品中普遍使用的u-boot，以其新的uImage格式（FIT image，Flattened uImage Tree）爲例，介紹達到此目標的步驟，以及背後的思考和意義。
2. Legacy uImage
從u-boot的角度看，它要boot一個二進制文件（例如kernel Image），需要了解該文件的一些信息，例如：
該文件的類型，如kernel image、dtb文件、ramdisk image等等？
該文件需要放在memory的哪個位置（加載地址）？
該文件需要從memory哪個位置開始執行（執行地址）？
該文件是否有壓縮？
該文件是否有一些完整性校驗的信息（如CRC）？
等等
結合“X-010-UBOOT-使用booti命令啓動kernel(Bubblegum-96平臺)”中有關booti的例子，上面信息被隱含在我們的命令行中了，例如：
通過DFU工具，將指定的image文件下載到指定的memory地址，間接的指定了二進制文件加載地址；
booti命令本身，說明加載的文件類型是ARM64平臺的Image文件；
通過booti的參數，可以指定Kernel Image、ramdisk、DTB文件的執行位置；
等等。
不過，這種做法缺點很明顯（總結來說，就是太囉嗦了）：
需要往memory中搬不同的二進制文件（Kernel、DTB、ramdisk等）；
boot指令（booti等）有比較複雜的參數；
無法靈活地處理二進制文件的校驗、解壓縮等操作；
等等。
爲了解決上述缺點，u-boot自定義了一種Image格式----uImage。最初的時候，uImage的格式比較簡單，就是爲二進制文件加上一個header（具體可參考“include/image.h”中的定義），標示該文件的特性。然後在boot該類型的Image時，從header中讀取所需的信息，按照指示，進行相應的動作即可。這種原始的Image格式，稱作Legacy uImage，其特徵可總結爲：
1）使用mkimage工具（位於u-boot source code的tools/mkimage中）生成。
2）支持OS Kernel Images、RAMDisk Images等多種類型的Image。
3）支持gzip、bzip2等壓縮算法。
4）支持CRC32 checksums。
5）等等。
最後，之所以稱作Legacy，說明又有新花樣了，這種舊的方式，我們就不再過多關注了，擁抱新事物去吧。
3. FIT uImage
3.1 簡介
device tree在ARM架構中普及之後，u-boot也馬上跟進、大力支持，畢竟，美好的Unify kernel的理想，需要bootloader的成全。爲了支持基於device tree的unify kernel，u-boot需要一種新的Image格式，這種格式需要具備如下能力：
1）Image中需要包含多個dtb文件。
2）可以方便的選擇使用哪個dtb文件boot kernel。
綜合上面的需求，u-boot推出了全新的image格式----FIT uImage，其中FIT是flattened image tree的簡稱。是不是覺得FIT和FDT（flattened device tree）有點像？沒錯，它利用了Device Tree Source files（DTS）的語法，生成的image文件也和dtb文件類似（稱作itb），下面我們會詳細描述。
3.2 思路
爲了簡單，我們可以直接把FIT uImage類比爲device tree的dtb文件，其生成和使用過程爲[2]：
image source file mkimage + dtc transfer to target
+ -----------------------------> image file -----------------------------------> bootm
image data file(s)
其中image source file(.its)和device tree source file(.dts)類似，負責描述要生成的image file的信息（上面第2章描述的信息）。mkimage和dtc工具，可以將.its文件以及對應的image data file，打包成一個image file。我們將這個文件下載到麼memory中，使用bootm命令就可以執行了。
3.3 image source file的語法
image source file的語法和device tree source file完全一樣（可參考[3][4][5]中的例子），只不過自定義了一些特有的節點，包括images、configurations等。說明如下：
1）images節點
指定所要包含的二進制文件，可以指定多種類型的多個文件，例如multi.its[5]中的包含了3個kernel image、2個ramdisk image、2個fdt image。每個文件都是images下的一個子node，例如：
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";
};
};
可以包括如下的關鍵字：
description，描述，可以隨便寫；
data，二進制文件的路徑，格式爲----/incbin/("path/to/data/file.bin")；
type，二進制文件的類型，"kernel", "ramdisk", "flat_dt"等，具體可參考中[6]的介紹；
arch，平臺類型，“arm”, “i386”等，具體可參考中[6]的介紹；
os，操作系統類型，linux、vxworks等，具體可參考中[6]的介紹；
compression，二進制文件的壓縮格式，u-boot會按照執行的格式解壓；
load，二進制文件的加載位置，u-boot會把它copy對應的地址上；
entry，二進制文件入口地址，一般kernel Image需要提供，u-boot會跳轉到該地址上執行；
hash，使用的數據校驗算法。
2）configurations
可以將不同類型的二進制文件，根據不同的場景，組合起來，形成一個個的配置項，u-boot在boot的時候，以配置項爲單位加載、執行，這樣就可以根據不同的場景，方便的選擇不同的配置，實現unify kernel目標。還以multi.its[5]爲例，
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";
};
};
它包含了3種配置，每種配置使用了不同的kernel、ramdisk和fdt，默認配置項由“default”指定，當然也可以在運行時指定。
3.4 Image的編譯和使用
FIT uImage的編譯過程很簡單，根據實際情況，編寫image source file之後（假設名稱爲kernel_fdt.its），在命令行使用mkimage工具編譯即可：
$ mkimage -f kernel_fdt.its kernel_fdt.itb
其中-f指定需要編譯的source文件，並在後面指定需要生成的image文件（一般以.itb爲後綴，例如kernel_fdt.itb）。
Image文件生成後，也可以使用mkimage命令查看它的信息：
$ mkimage -l kernel.itb
最後，我們可以使用dfu工具將生成的.idb文件，下載的memory的某個地址（沒有特殊要求，例如0x100000），然後使用bootm命令即可啓動，步驟包括：
1）使用iminfo命令，查看memory中存在的images和configurations。
2）使用bootm命令，執行默認配置，或者指定配置。
使用默認配置啓動的話，可以直接使用bootm：
bootm 0x100000
選擇其它配置的話，可以指定配置名:
bootm 0x100000#config@2
以上可參考“doc/uImage.FIT/howto.txt[2]”，具體細節我們會在後續的文章中結合實例說明。
4. 總結
本文簡單的介紹了u-boot爲了實現Unify kernel所做的努力，但有一個問題，大家可以思考一下：bootloader的unify怎麼保證呢？
SOC廠家提供（固化、提供二進制文件等）？
格式統一，UEFI？
後面有時間的話，可以追着這個疑問研究研究。
5. 參考文檔
[4] doc/uImage.FIT/kernel_fdt.its
[6] doc/uImage.FIT/source_file_format.txt
原創文章，轉發請註明出處。蝸窩科技，www.wowotech.net。