1. 前言

Linux kernel在ARM架構(gòu)中引入device tree（全稱是flattened device tree，后續(xù)將會(huì)以FDT代稱）的時(shí)候[1]，其實(shí)懷揣了一個(gè)Unify Kernel的夢(mèng)想----同一個(gè)Image，可以支持多個(gè)不同的平臺(tái)。隨著新的ARM64架構(gòu)將FDT列為必選項(xiàng)，并將和體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的代碼剝離之后，這個(gè)夢(mèng)想已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)：

在編譯linux kernel的時(shí)候，不必特意的指定具體的架構(gòu)和SOC，只需要告訴kernel本次編譯需要支持哪些板級(jí)的platform即可，最終將會(huì)生成一個(gè)Kernel image，以及多個(gè)和具體的板子（哪個(gè)架構(gòu)、哪個(gè)SOC、哪個(gè)版型）有關(guān)的FDT image（dtb文件）。

bootloader在啟動(dòng)的時(shí)候，根據(jù)硬件環(huán)境，加載不同的dtb文件，即可使linux kernel運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上，從而達(dá)到unify kernel的目標(biāo)。

本文將基于嵌入式產(chǎn)品中普遍使用的u-boot，以其新的uImage格式（FIT image，F(xiàn)lattened uImage Tree）為例，介紹達(dá)到此目標(biāo)的步驟，以及背后的思考和意義。

2. Legacy uImage

從u-boot的角度看，它要boot一個(gè)二進(jìn)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(gè)位置（加載地址）？

該文件需要從memory哪個(gè)位置開(kāi)始執(zhí)行（執(zhí)行地址）？

該文件是否有壓縮？

該文件是否有一些完整性校驗(yàn)的信息（如CRC）？

等等

結(jié)合“X-010-UBOOT-使用booti命令啟動(dòng)kernel(Bubblegum-96平臺(tái))”中有關(guān)booti的例子，上面信息被隱含在我們的命令行中了，例如：

通過(guò)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(jìn)制文件加載地址；

booti命令本身，說(shuō)明加載的文件類型是ARM64平臺(tái)的Image文件；

通過(guò)booti的參數(shù)，可以指定Kernel Image、ramdisk、DTB文件的執(zhí)行位置；

等等。

不過(guò)，這種做法缺點(diǎn)很明顯（總結(jié)來(lái)說(shuō)，就是太啰嗦了）：

需要往memory中搬不同的二進(jìn)制文件（Kernel、DTB、ramdisk等）；

boot指令（booti等）有比較復(fù)雜的參數(shù)；

無(wú)法靈活地處理二進(jìn)制文件的校驗(yàn)、解壓縮等操作；

等等。

為了解決上述缺點(diǎn)，u-boot自定義了一種Image格式----uImage。最初的時(shí)候，uImage的格式比較簡(jiǎn)單，就是為二進(jìn)制文件加上一個(gè)header（具體可參考“include/image.h”中的定義），標(biāo)示該文件的特性。然后在boot該類型的Image時(shí)，從header中讀取所需的信息，按照指示，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作即可。這種原始的Image格式，稱作Legacy uImage，其特征可總結(jié)為：

1）使用mkimage工具（位于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。

最后，之所以稱作Legacy，說(shuō)明又有新花樣了，這種舊的方式，我們就不再過(guò)多關(guān)注了，擁抱新事物去吧。

3. FIT uImage

3.1 簡(jiǎn)介

device tree在ARM架構(gòu)中普及之后，u-boot也馬上跟進(jìn)、大力支持，畢竟，美好的Unify kernel的理想，需要bootloader的成全。為了支持基于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(gè)dtb文件。

2）可以方便的選擇使用哪個(gè)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(jiǎn)稱。是不是覺(jué)得FIT和FDT（flattened device tree）有點(diǎn)像？沒(méi)錯(cuò)，它利用了Device Tree Source files（DTS）的語(yǔ)法，生成的image文件也和dtb文件類似（稱作itb），下面我們會(huì)詳細(xì)描述。

3.2 思路

為了簡(jiǎn)單，我們可以直接把FIT uImage類比為device tree的dtb文件，其生成和使用過(guò)程為[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(fù)責(zé)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(duì)應(yīng)的image data file，打包成一個(gè)image file。我們將這個(gè)文件下載到么memory中，使用bootm命令就可以執(zhí)行了。

3.3 image source file的語(yǔ)法

image source file的語(yǔ)法和device tree source file完全一樣（可參考[3][4][5]中的例子），只不過(guò)自定義了一些特有的節(jié)點(diǎn)，包括images、configurations等。說(shuō)明如下：

1）images節(jié)點(diǎn)

指定所要包含的二進(jìn)制文件，可以指定多種類型的多個(gè)文件，例如multi.its[5]中的包含了3個(gè)kernel image、2個(gè)ramdisk image、2個(gè)fdt image。每個(gè)文件都是images下的一個(gè)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(guān)鍵字：

description，描述，可以隨便寫；

data，二進(jìn)制文件的路徑，格式為----/incbin/("path/to/data/file.bin")；

type，二進(jìn)制文件的類型，"kernel", "ramdisk", "flat_dt"等，具體可參考中[6]的介紹；

arch，平臺(tái)類型，“arm”, “i386”等，具體可參考中[6]的介紹；

os，操作系統(tǒng)類型，linux、vxworks等，具體可參考中[6]的介紹；

compression，二進(jìn)制文件的壓縮格式，u-boot會(huì)按照?qǐng)?zhí)行的格式解壓；

load，二進(jìn)制文件的加載位置，u-boot會(huì)把它c(diǎn)opy對(duì)應(yīng)的地址上；

entry，二進(jìn)制文件入口地址，一般kernel Image需要提供，u-boot會(huì)跳轉(zhuǎn)到該地址上執(zhí)行；

hash，使用的數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法。

2）configurations

可以將不同類型的二進(jìn)制文件，根據(jù)不同的場(chǎng)景，組合起來(lái)，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(chǎng)景，方便的選擇不同的配置，實(shí)現(xiàn)unify kernel目標(biāo)。還以multi.its[5]為例，

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(rèn)配置項(xiàng)由“default”指定，當(dāng)然也可以在運(yùn)行時(shí)指定。

3.4 Image的編譯和使用

FIT uImage的編譯過(guò)程很簡(jiǎn)單，根據(jù)實(shí)際情況，編寫image source file之后（假設(shè)名稱為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，并在后面指定需要生成的image文件（一般以.itb為后綴，例如kernel_fdt.itb）。

Image文件生成后，也可以使用mkimage命令查看它的信息：

$ mkimage -l kernel.itb

最后，我們可以使用dfu工具將生成的.idb文件，下載的memory的某個(gè)地址（沒(méi)有特殊要求，例如0x100000），然后使用bootm命令即可啟動(dòng)，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(zhí)行默認(rèn)配置，或者指定配置。

使用默認(rèn)配置啟動(dòng)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(xì)節(jié)我們會(huì)在后續(xù)的文章中結(jié)合實(shí)例說(shuō)明。

4. 總結(jié)

本文簡(jiǎn)單的介紹了u-boot為了實(shí)現(xiàn)Unify kernel所做的努力，但有一個(gè)問(wèn)題，大家可以思考一下：bootloader的unify怎么保證呢？

SOC廠家提供（固化、提供二進(jìn)制文件等）？

格式統(tǒng)一，UEFI？

后面有時(shí)間的話，可以追著這個(gè)疑問(wèn)研究研究。

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