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FIT Image 介绍

在 ArtInChip 启动系统的开发过程中，使用过不同的 Kernel Image 格式：

注：

Kernel Image 外网参考资源：http://www.wowotech.net/u-boot/fit_image_overview.html。未来需要改用 FIT Image (ITB Image)。

uImage：U-Boot 定义的一种启动镜像格式，由 64 字节的 U-Boot Image header 加上镜像内容构成。

uImage 中的镜像内容，可以是未压缩的 Image，也可以是压缩的 Image，由 Linux kernel 编译时生成（依赖 uboot-tools 包中的 mkimage 工具）。新版的 Linux kernel 不再生成 uImage 文件。

uImage 文件的启动命令：
```
bootm  kernel addr - dtb addr
```
其中 kernel addr 即 uImage 所在的内存地址。
zImage：Image 经过压缩和打包后，生成的文件。

将压缩后的 Image 作为 Payload，与一段解压缩代码一起编译链接，生成 zImage，因此 zImage 是一个可直接启动的自解压镜像。
启动命令为：
```
bootz kernel addr - dtb addr
```
其中 kernel addr 即 zImage 所在的内存地址。

ARM64，RISCV 架构的 Linux kernel 编译，不再生成 zImage 格式的文件。
Image.gz：Linux kernel 编译时生成的压缩文件，使用 gzip 算法直接对 Image 文件进行压缩生成。

除了 Image.gz，使用其它压缩算法和压缩工具还可以生成下列标准压缩文件：
- Image.lzo
- Image.lz4
- Image.bz2
- Image.lzma
U-Boot 的启动命令为：
```
booti  kernel addr - dtb addr
```
其中 kernel addr 即 Kernel 压缩文件所在的内存地址。
Image：Linux kernel 编译时生成的未压缩 Image。
U-Boot 可以通过 booti 命令直接运行该 Image（ARMv7 是 ArtInChip 自行添加的命令支持启动），启动命令格式为：
```
booti kernel addr - dtb addr
```
其中kernel addr 是 Image 文件所在的内存地址。

Image 文件的格式，在不同芯片架构上是不一样的。对于 ARM64 和 RISCV64，会有一个格式头。但是对于 ARM32，则没有头信息。
FIT Image (ITB Image)：Flattened Image Tree
原始参考文档:
```
source/uboot-2021.10/doc/usage/fit.rst
source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/howto.txt
source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/source_file_format.txt
source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/command_syntax_extensions.txt
```
如 howto.txt 开篇所提，当前社区使用 FIT Image 的主要理由是：
- 更灵活的处理各种类型的 image 类型 (压缩、非压缩、各种格式，各种配置组合)
- 可以处理安全启动过程中的安全校验（签名校验）

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FIT Image 配置和启动

FIT，即 Flattened Image Tree，是参考 Flattened Device Tree 命令而来，具有以下优势：

更灵活的处理各种类型的 image 类型 (压缩、非压缩、各种格式，各种配置组合)。
可以处理安全启动过程中的安全校验（签名校验）。

FIT 原始参考文档如下：

source/uboot-2021.10/doc/usage/fit.rst
source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/howto.txt
source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/source_file_format.txt
source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/command_syntax_extensions.txt

Flattened Image Tree，使用 DTS 的语法，通过一些新增的节点，描述生成镜像文件所使用的 Image 文件和配置。下文以 source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/kernel_fdt.its 为例进行说明：

/dts-v1/;

/ {
    description = "Simple image with single Linux kernel and FDT blob";
    #address-cells = <1>;

    images {
            kernel {
                    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";
                    fdt = "fdt-1";
            };
    };
};

上述示例包含了其中包含了 fdt + kernel，以及校验方式的配置。

FIT image 启动命令说明如下：

生成 itb image 的命令：
```
mkimage -f kernel_fdt.its kernel_fdt.itb
```
使用默认的配置进行启动：
```
bootm <kernel itb addr>
```
如果 its 中有多个配置，可以指定启动的配置组合，例如 bootm 0x81000000#conf-2：
```
bootm <kernel itb addr>#<conf-name>
```

更多说明请参考：source/uboot-2021.10/doc/uImage.FIT/command_syntax_extensions.txt。

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使用 FIT Image

ArtInChip 项目中，将 Kernel Image 改为使用 FIT Image 的原因：

快速启动的需要
减少分区的需要
安全启动的需要
支持 RISCV 的需要

快速启动

D21x 的快速启动，eMMC 的方案使用未压缩的 Image 速度最快，SPI NOR/SPI NAND 使用压缩的 zImage 比较合适。

同时 U-Boot 加载 Kernel 最好只读取 Kernel Image 实际大小的数据，避免过多读取无关数据，才能节省启动时间。

U-Boot 加载 Kernel 时，无论 Image 还是 zImage，都没有头信息，因此即读取 Kernel Image 的大小需要根据实际编译生成的镜像大小进行修改。

如果采用 FIT Image 则可以避免上述问题。

生成的 FIT Image 有一个信息头，U-Boot 可以先读取信息头的数据，得到 Image 大小，然后按照实际大小读取剩下的 Kernel Image 数据：

从存储介质读取的数据可以做到尽可能的少。
开发者不需要手动修改读取的数据大小。

当然是用了 FIT Image 之后，无论是使用压缩的 zImage/Image.gz 还是使用未压缩的 Image，对启动流程/启动命令都没有影响，开发者仅需修改 ITS 文件配置即可。

减少分区

在使用 FIT Image 之前，Kernel 启动所需的 DTB 保存在一个独立的分区中。

DTB 使用一个独立的分区保存对于 SPI NOR/SPI NAND 的方案而言是一种比较浪费空间的方式。

对于 SPI NOR 而言，一般存储空间都比较小，但是分区必须按照一个擦写单元进行，一般是 64KB，而 DTB 绝大多数在 32KB 以内。

对于 SPI NAND 而言，分区同样必须按照一个擦写块进行，一般是 128KB 或者 256KB，同时要考虑坏块的情况，需要多分配几个块进行备份。

使用 FIT Image，Kernel 所使用的 DTB 与 Kernel 一起进行打包，存放到同一个分区，有利于提高存储空间的利用效率，同时分区划分更简单。

安全启动

在安全启动方案中，安全信任链的校验过程如下：

BROM > SPL > U-Boot > Kernel > RootFS

按照上述顺序逐级进行安全校验。

在 SPL 校验 U-Boot 和 U-Boot 校验 Kernel 的阶段，如果使用 FIT Image，则已经有成熟的安全校验方案，并且启动处理流程与非安全方案基本一致。不采用 FIT Image，则安全方案和非安全方案所采用的启动流程差异性比较大，不利于方案的开发和维护。

支持 RISCV

RISCV 需要 OpenSBI 协助进行启动，OpenSBI 运行在 U-Boot 之前。

启动流程：BROM > SPL > OpenSBI > U-Boot > Kernel

RISCV 版本的 SPL 在加载运行 OpenSBI 和 U-Boot 时，仅支持使用 FIT Image，即需要将下列几个数据打包为一个 ITB 文件 (uboot.itb)：

OpenSBI
U-Boot
DTB

SPL 加载 uboot.itb，读取 DTB 和 U-Boot 到对应的位置，然后运行 OpenSBI，通过 OpenSBI 跳转到 U-Boot。启动的 DTB 是 OpenSBI 和 U-Boot 共用。

Kernel 也使用 FIT Image，可以简化 Image 的种类。