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启动内核

本章节主要介绍与启动内核相关的命令和处理流程。

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镜像类型

本节介绍 U-Boot 中涉及到的各种镜像类型。

  • Image

    Image 文件是 Linux 编译生成的非压缩镜像文件，基于 ELF 文件 vmlinux 提取得到：

    riscv64-unknown-linux-gnu-objcopy -O binary -O binary -R .note -R .note.gnu.build-id -R .comment -S vmlinux arch/riscv/boot/Image
    • ARM64 和 RISCV 产生的 Image 文件自带一个镜像信息头，U-Boot 可以使用 booti 命令对该镜像进行解析和启动。
    • ARM32 上产生的 Image 文件不带镜像信息头。在 ArtInChip 方案中，U-Boot 也实现了一个特殊的 booti32 命令，可以直接启动未压缩的 Image 文件。

  • Image.gz

    包括 Image.gz、Image.bz2、Image.lzo、Image.lzmo 和 Image.lz4 等类型的压缩文件，是基于 Image 文件直接压缩得到。

    ARM64 和 RISCV 都采用这种方式产生对应的压缩文件。U-Boot 中可以使用 booti 命令解析和启动对应的压缩镜像文件。

  • zImage

    zImage 是 Linux 编译生成的压缩内核 Image 格式，基于 Image 文件生成。zImage 是一个运行时自解压缩的镜像文件。

    内核生成 zImage 时，首先将未压缩的 Image 通过 gzip 压缩 （默认选择 gzip 压缩），生成 pyggy_data， 然后再与相关的解压缩代码编译和链接，生成 zImage：

    cat arch/arm/boot/compressed/../Image | gzip -n -f -9 > arch/arm/boot/compressed/piggy_data

    在 U-Boot 中可以使用 bootz 命令进行解析和启动该镜像文件。

  • uImage

    uImage 基于 zImage 生成，仅在头部添加 U-Boot Image 的头信息，以便 U-Boot 正确解析。 实际上在新的内核中，已经不再生成该镜像文件。

    在 U-Boot 中使用 bootm 命令进行解析和启动该镜像文件。

  • FIT Image

    FIT Image 是一种打包格式，可以将多个镜像文件打包在一起，合并成一个 .itb 文件。 打包的具体细节通过对应的 .its 文件进行描述，然后通过 mkimage 工具进行打包。

    FIT Image 可以通过 bootm 命令进行解析和启动。

  • AIC 镜像

    在固件升级和 BROM 启动过程中，BROM 需要读取 AIC 自定义格式的镜像，以 .aic 结尾。 AIC 镜像使用 mk_image.py 脚本生成，生成的细节通过 image_cfg.json 文件进行描述。

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加载内核

本节介绍 ArtInChip 平台从存储介质中加载内核和启动的流程。

U-Boot 中启动所需的数据，以及启动内核通过命令行来实现，一系列的命令组成启动脚本。在 ArtInChip 的方案中，相关的启动脚本在 env.txt 环境变量中提供，并且最终由变量 autoboot= 串在一起。

U-Boot 在执行自动启动时，首先读取和执行环境变量 bootcmd 的内容，bootcmd 被设置为 run autoboot 。

autoboot

autoboot 变量的内容被设置为一个启动命令脚本。该脚本通过检测当前的启动存储介质类型来执行不同的内核加载和启动命令。例如：
autoboot=if test ${boot_device} = nand; then \
                run nand_boot; \
        elif test ${boot_device} = nor; then \
                run nor_boot; \
        elif test ${boot_device} = mmc; then \
                if test $? -eq 1; then \
                        echo "Run sd card upgrade program"; \
                        aicupg mmc 1; \
                fi; \
                if test $? -eq 1; then \
                        echo "Run sd card fat32 upgrade program"; \
                        aicupg fat mmc 1; \
                fi; \
                run mmc_boot; \
        elif test ${boot_device} = usb; then \
                echo "Run USB upgrade program"; \
                aicupg usb 0; \
        fi; \
    if test $? -eq 1; then \
                echo "Try NFS boot ..."; \
            run nfs_boot; \
    fi
bootcmd=run autoboot;

MMC 启动脚本

无论是 SD 卡还是 eMMC，ArtInChip 平台上都采用 GPT 的方式对存储空间进行分区。

Kernel 以及 DTB 都存放在单独的分区中，U-Boot 通过分区名字读取指定分区的内容。例如，在下列启动脚本中，通过 U-Boot 已有的命令对 MMC 设备进行数据读取，加载内核和 DTB 数据：
mmc_boot=echo "Try to boot from MMC..."; \
         run set_mmc_args; \
         mmc dev ${boot_devnum}; \
         run mmc_loaddtb; \
         run mmc_loadknl; \
         booti ${knl_addr} - ${dtb_addr};

  • 通过 BROM/SPL 传递的参数信息可获取 MMC 的设备 ID boot_devnum ，并在 board_late_init() 被调用时修改到环境变量 boot_devnum 中。

  • Kernel 和 DTB 相关的加载地址 knl_addr, dtb_addr 在 env.txt 中根据项目实际情况进行设置。

  • 其它使用到的命令可参考源码：

    • cmd/mmc.c

    • cmd/bootm.c

    • cmd/booti.c

    • cmd/booti32.c

SPI NAND 启动脚本

对于使用 NAND 的项目，Kernel 和 DTB 保存的方式可能是 MTD 分区，或者 UBI Volume， 具体项目根据需要进行选择。

  • Kernel 保存在 MTD 分区

    对于使用 MTD 分区保存 Kernel 和 DTB 的项目，在启动脚本中，使用 MTD 命令加载对应的分区内容：
    nand_boot=echo "Try to boot from nand flash..."; \
          run set_nand_args; \
          setenv nand_boot_mtdparts_cnt 7; \
          mtd read kernel ${knl_addr} 0 0x590000; \
          mtd read dtb ${dtb_addr} 0 0x6000; \
          booti ${knl_addr} - ${dtb_addr};

  • Kernel 保存在 UBI

    对于使用 UBI Volume 保存 Kernel 和 DTB 的项目，在启动脚本中，使用 UBI 命令加载对应的分区内容：
    nand_boot=echo "Try to boot from nand flash..."; \
          run set_nand_args; \
          setenv nand_boot_mtdparts_cnt 5; \
          ubi part ubiboot; \
          ubi read ${knl_addr} kernel && ubi read ${dtb_addr} dtb; \
          booti ${knl_addr} - ${dtb_addr};

    • MTD 分区 ubiboot 做成 UBI 设备，然后在该 UBI 设备中划分 kernel 和 dtb 两个 Volume。

      在操作 UBI Volume 前，必须先使用 ubi part Attach 对应的 MTD 分区。

    • 在 env.txt 中根据实际项目情况设置 Kernel 和 DTB 相关的加载地址 knl_addr 和 dtb_addr。

    • 其它使用到的命令可参考源码：

      • cmd/mtd.c

      • cmd/ubi.c

      • cmd/bootm.c

      • cmd/booti.c

      • cmd/booti32.c

SPI NOR 启动脚本

对于使用 SPI NOR 的项目，使用 MTD 分区的方式保存 Kernel 和 DTB，执行 NOR 启动时首先初始化相关的 NOR 分区，然后使用 MTD 命令读取分区的内容：
nor_boot=echo "Try to boot from nor flash..."; \
         sf probe; \
         run set_nor_args; \
         mtd read kernel ${knl_addr} 0 0x500000 && mtd read dtb ${dtb_addr} 0 0x20000; \
         booti ${knl_addr} - ${dtb_addr};

  • 读取的分区内容大小可根据项目的具体需要进行设定。

  • Kernel 和 DTB 相关的加载地址 knl_addr, dtb_addr 在 env.txt 中根据项目实际情况进行设置。

  • 其它使用到的命令可参考源码：

    • cmd/mtd.c

    • cmd/bootm.c

    • cmd/booti.c

    • cmd/booti32.c

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安全校验

U-Boot 原生代码仅支持 FIT Image 的签名校验。

  1. 在 do_bootm_states() 的 BOOTM_STATE_FINDOS 阶段，程序检查当前内核镜像的格式， 如果是 FIT Image 格式，则根据 FIT Image 的配置，加载对应的内核镜像：
    bootm_find_os(); // common/bootm.c
|-> boot_get_kernel(); // common/bootm.c
    |-> fit_image_load(); // common/image-fit.c
        |-> fit_image_select(); // common/image-fit.c
  2. 检查环境变量中是否有设置 “verify” 为 “no”。如果没有设置，或者被设置为 “yes”， 则在加载 FIT Image 时对镜像数据进行验证：
    images.verify = env_get_yesno("verify");
    fit_image_select(); // common/image-fit.c
|-> fit_image_verify(fit_hdr, noffset); // common/image-fit.c
    |-> fit_image_verify_with_data(fit, image_noffset, data, size);
        |-> fit_image_check_sig(fit, noffset, data, size, -1, &err_msg);
            |  // common/image-sig.c
            |-> fit_image_setup_verify(&info, ...); // common/image-fit-sig.c
            |   // 读取签名所用的算法等信息，以及验证所用的公钥信息
            |   // 并且保存到 info 中
            |
            |-> fit_image_hash_get_value();
            |-> info.crypto->verify(&info, &region, 1,
                                    fit_value, fit_value_len);
                rsa_verify(&info, &region, 1, fit_value, fit_value_len); // lib/rsa/rsa-verify.c

  3. 最终调用 rsa_verify 函数进行签名验证。 此处的 rsa_verify 可以对接到硬件 CE，具体可看 UCLASS_MOD_EXP 的相关内容。 如果没有硬件加速器的实现，则使用软件进行计算。

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修改 DTS

启动内核时，会通过参数 r2 将 FDT 传递给 Kernel。Bootargs 等信息也会通过 FDT 传递给 Kernel。

由于 bootargs 是在 U-Boot 运行时生成，如果需要传递 initrd 信息，也是通过 FDT 传递：
do_bootm(); // cmd/bootm.c
|-> do_bootm_states(); // common/bootm.c
    |-> bootm_os_get_boot_func(); common/bootm_os.c
        |-> do_bootm_linux(); // arch/riscv/lib/bootm.c
            |-> boot_prep_linux(); // arch/riscv/lib/bootm.c
            |   |-> image_setup_linux(); // common/image.c
            |       |-> image_setup_libfdt(); // common/image-fdt.c
            |           |-> fdt_chosen(fdt); // common/fdt_support.c
            |           |   |-> str = env_get("bootargs");
            |           |   |-> fdt_setprop(fdt, nodeoffset, "bootargs",
            |           |                   str, ...);
            |           |       // 修改 chosen  的 bootargs
            |           |-> fdt_initrd(blob, start, end); // common/fdt_support.c
            |               // "linux,initrd-start"
            |               // "linux,initrd-end"
            |
            |-> boot_jump_linux(images, flag); // arch/riscv/lib/bootm.c
                |-> kernel(gd->arch.boot_hart, images->ft_addr);