詳細介紹u-boot FIT image

1. 前言

Linux kernel在ARM架構中引入device tree（全稱是flattened device tree，后續將會以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。隨著新的ARM64架構將FDT列為必選項，并將和體系結構有關的代碼剝離之后，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在啟動的時候，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。

本文將基于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）為例，介紹達到此目標的步驟，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命令啟動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，就是太啰嗦了）：

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

boot指令（booti等）有比較復雜的參數；

無法靈活地處理二進制文件的校驗、解壓縮等操作；

等等。

為了解決上述缺點，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，就是為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。然后在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，其特征可總結為：

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架構中普及之后，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。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

為了簡單，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么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，格式為----/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，以配置項為單位加載、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]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";?
???? };?
};