基于嵌入式操作系统实现safe mode安全模式的应用方案

余涛 发表于 2020-09-24 09:56:21 收藏 已收藏
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基于嵌入式操作系统实现safe mode安全模式的应用方案

余涛 发表于 2020-09-24 09:56:21
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目前的各种嵌入式产品已经丰富多彩,它们正改变着我们的生活方式。随着嵌入式产品功能的增加,如何让用户对已购买的产品的升级能安全地、顺利地完成,避免升级过程中出现的意外掉电所引起的产品故障,这样的问题要求嵌入产品设计开发者在设计时就将产品的 safe mode 安全模式考虑进去。这里我们将以一个嵌入式Linux 网络播放器为例,来说明 safe mode 安全模式的设计与实现。通过本文,我们可以了解到针对一个实际的嵌入式系统,设计中需要注意的技术要点和实现细节。

为什么需要 safe mode(安全模式)

当用户购买一个产品后,在后续的服务中,可能还会发生一些费用,让产品开发商增加成本,如免费电话咨询,产品的维修、寄送。所以说将产品的卖出并不意味着最终的赢利。这样的情况下,产品的设计就需要更加合理,更加优化,来满足用户各种可能的需求。特别是在发生异常故障的时候,如果能引导客户自行完成诊断、修复,那么将大大降低后续的服务成本。正因为如此,产品故障时,就很需要safe mode安全模式来帮助用户完成恢复的工作。

从节约产品的成本、产品所能提供的功能上来看,safe mode 是大有裨益的。

大家所熟知的 windows 系统,也提供了 safe mode 安全模式,它就可以帮助用户解决系统不稳定,硬件冲突等诸多故障,让用户在自己可以操作的能力范围内先行对系统进行诊断与修复。在很大程度上, windows 的 safe mode 给用户与 Microsoft 都带来了很大的便利。

嵌入式Linux产品与其他IT产品不同的地方,主要是使用flash来存贮运行时的系统。它没有大的内存,没有大的存储空间,但它却也是一个完整的系统。

在通常情况下,嵌入式Linux产品的flash上的内容是不会被破坏的,也即它们会有着较好的稳定性,不会因为用户的常规使用而导致flash上的 firmware被破坏。但随着产品的更新升级,用户也需要在自己家中完成对已购买商品的更新换代。而用户大多属于非技术熟悉者,在更新升级中就可能出现种种意想不到的情况。

比如在用户做firmware升级更新时,平时不会出现问题的firmware可能在这个过程中,就面临着巨大的风险,极有可能致使用户的系统无法启动,不能正常工作。这样的情况是我们不愿意看到的,而实际中却的的确确可能会发生。

考虑这样一个场景:当用户对产品进行firmware升级时,如果在烧写flash的过程中,意外掉电,那么用户手中的产品就将无法再次启动,因为 rootfs系统已经被破坏了。用户所能做的,也只能将产品送回产商进行维修。这样来回的过程不仅耗费用户的精力,同样也会增加产品开发商的成本。在产品升级换代很快的当前市场情况下,这样的情况可能会经常发生。

如何避免这样的情况的发生呢?如果我们可以提供一个机制,在进行升级前即往flash中写入一个标记,正常完成后,再写入另一个标记来表示整个过程的正常结束,否则的话,烧写时掉电不会写入第二个标记,只有第一个标记,那么就认为产品故障,这个时候,进入另一个新的提示界面,让用户自己选择从 USB或FTP来重新升级firmware。这样的话,整个过程用户就完全可以在界面的友好提示下自己完成,方便了用户与产品开发商。

系统架构

本文以一个实际的产品为例,来说明safe mode的设计。

系统架构

基于嵌入式操作系统实现safe mode安全模式的应用方案

本系统为一个嵌入式Linux网络播放器,主要的功能为播放家庭网络中的多媒体文件,在家庭客厅等环境中有着大量的应用,它可以给用户提供更方便快捷的媒体文件的播放方式,并能充分利用家庭音响系统的巨大功能,而非PC环境下有限的外部设备,大大改善了媒体文件的播放体验。

本系统的架构如下图:

产品所使用的flash总大小为16M。

系统包括三大部分,即bootloader,config, kernel + rootfs:

另外,/dev/mtdblock/0,在系统中对应整个flash block,即整个16M空间。

系统启动时,bootloader将kernel和根文件映象从flash上读取到RAM空间中,为内核设置启动参数,调用内核,进入application,进行媒体文件的播放。

这个通常意义上的嵌入式Linux系统,它是不带safe mode安全模式的。

这样的系统,在做系统更新升级时,主要是对kernel+rootfs部分进行升级,以此来增加系统的功能。

升级时,application主要是操作/dev/mtdblock/3设备文件:

第一步:下载新的firmware到ramfs中,也即ram disk中,比如/tmp目录下,采用的更新方式可以是USB或FTP;

第二步:read /tmp/firmware文件,并write到设备文件/dev/mtdblock/3上,即对已有的firmware进行了更新。

在升级的过程中,我们会提供友好的界面给用户,来提示下载进度与烧写flash的进度,让用户可以看到正在发生的状况。

最后烧写完成后,重新启动系统,即可进入到新的firmware中。

在通常的更新中,用户的产品配置config一般不去修改,保持用户已经做的配置选项,不能破坏。Config内容对应为/dev/mtdblock/2设备文件。

从USB/FTP 上更新时,所使用的firmware文件需要是一个更加完整的image文件,可以包括bootloader, default config, kernel+rootfs,并让application可以做到视image中的标记来决定是否需要更新bootloader、config等内容,这样会更加灵活。

在更新firmware时,如果掉电,那么kernel + rootfs部分将会出现不完整的情况,也就是说只写入了部分内容,而中途中断了,这样的话,一个不完整的系统将无法正常工作。在这样的情况下就需要safe mode安全模式了。

safe mode架构设计

Safe mode的设计中,对原来的系统增加了两个部分的内容:

kernel + rootfs,即简单的UI界面与功能;

magic number,即烧写flash的标记。

safe mode实际上也是一个kernel + rootfs部分,只是它所具有的功能只包括一些简单的界面,主要是提供网络设置,从USB/FTP下载firmware,完成对flash的烧写。

为了区分,这里,将主功能部分的kernel + rootfs称为master。

我们将safe mode存放在Master的后部,预留的flash大小为4M。

Magic number只占用一个字节的大小,是在这4M的最后的部分的一个字节,也即原始系统的15872K的最后一个字节位置处。

在开始烧写flash前,将magic number设置为0x55,表示烧写的开始。烧写正常结束后,将magic number设置为0xAA,表示烧写正常结束。

如果新产品中具备了safe mode模式,那么在以后再次更新升级时,开始烧写flash时,magic number的位置将会有0x55标记,如果烧写中途掉电,在重新启动后,将由bootloader来检查magic number的值,如果内容为0x55,那么bootloader将从safemode部分读出kernel和根文件映象,再为内核设置启动参数,调用内核,进入safe mode application。

如果bootloader读到magic number为0xAA,那么说明master firmware是正常的,就将直接进入master。

所以涉及到safe mode的地方也包括了对bootloader的修改,需要在系统上电阶段也检查safe mode的magic number,这个过程是必不可少的,只有在启动阶段就检查magic number,才能跳过损坏的master系统,进入安全模式,达到恢复系统的目的。

safe mode架构实现

在safe mode的实现中,需要保持原有master部分的稳定,所以对master系统的building system不做大的改动,也就是保持safe mode的building system与master的building system共存。原则上来说,要避免对master系统带来大的冲突。

Master building system主要涉及到的编译过程为:

make

make rootfs

这个时候将得到master.bin

safe mode building system和其类似,只是make rootfs部分有所区分:

make

make smrootfs

这个时候将得到safemode.bin

最后再将master与safe

mode部分做一个合并,得到一个整的rootfs

make dualrootfs

make dist

make

dualrootfs将调用一个外部的程序make_dual.c,所做的事情是要得到一个15872K的rootfs。这个rootfs包含的内容为master.bin + safemode.bin。

本系统中一般master.bin的大小约为10000K,再加上safemode.bin的4M,总大小并未达到15872K,那么中间多出的部分,我们需要将其补0填充好。需要补充的0的大小约为15872-4*1024-10000=1776K

make_dual.c就是完成上面的合并,补0的工作。它read master.bin,write rootfs,然后write1776K个零到rootfs中,接下来read safemode.bin,再继续write 到rootfs中。

这样就得到了完整的、带master与safe mode的rootfs。

safe mode实现中遇到的问题及其解决

体积限制:

在safe mode的开发中,首先遇到的一个问题就是如何从已有的系统中简化出一个safe mode的application环境。

对master原有系统的裁剪来得到safe mode,将会比较容易,如果从头另写一套,将会花费较大精力,稳定性也无法得到确实的保障,所以最终采用的是精简master的系统来得到safe mode的大框架。

在实现safe mode时,要做的工作的原则是做到safe mode的rootfs尽量小,低于4M,并且保持与master外围特性的一致,这样可以避免重复开发,同时代码的共用可以减少维护的不便,提高整个系统的灵活度、稳定度。

就一个能运行的嵌入系统来说,最基本的内容应该包括Linux kernel,busybox工具包、图形驱动等内容。

在本系统中,为了支持FTP下载,需要有network的支持,也即需要包括wired/wireless的支持。

为了支持USB下载方式,就需要USB monitor管理进程的支持,这个主要是保持了与master系统的一致,而没有另外去写一个体积更小的USB管理模块。

wireless模块:

本来在设计时,可以考虑不加入wireless的支持,但为了更加方便用户,保持用户的使用习惯,我们还是加入了对wireless的支持,这样也保持了与master系统的一致,但支持的代价是,safe mode的体积增大了大约250K。

在wireless module中,做了一个优化,master系统中wireless module在insmod时,是使用的rootfs中的/lib/module/wireless/XXX.o,这些未压缩的.o文件在rootfs系统中将占用较大空间,这样一来,对应的safe mode的内容将会超出4M的大小。为了解决这个问题,我们将这些wireless module压缩成wireless.tar.gz文件,放置到safemode.bin中,在Linux启动时,在/etc/rc脚本中将 wireless.tar.gz解压缩到ramfs中即/tmp/lib/module/wireless下,然后再从这里insmod安装 wireless模块。这样所做的努力,wireless module从原来的790K,缩减到了250K,而功能保持了一致。

字体:

master 系统的字体使用的是freetype2,字体文件arialbd.ttf大约为280K,这也将占用大量的空间。由于safe mode在显示界面方面没有过高的要求,能让用户看到基本的图形界面就已经达到目的了,所以在safe mode中需要将freetype去掉。但由于master模式与safe mode都使用相同的图形引擎,这样就导致了,如果在safe mode中去掉freetype,那么就需要再次重新build基础的图形库,这样在master与safe mode的单独编译过程中就需要反复去make clean这些库。这会给每次的编译带来很大的不便,每次make clean等操作会占用大量的时间,耗时耗力。

基于这个考虑,我们决定master与safe mode在编译过程中都使用相同的图形库,即都编译生成freetype库。但在运行时,safe mode不去使用freetype。也就是说,freetype库会被编译进来,但字体文件不需要加到safe mode中,这样做的代价就是编译出来的safe mode的application比完全无freetype库的情况要大100K左右,但却保持了与master相同的库结构,而freetype字体就不再需要了,也就节约出了大约280K的空间。

最终优化的结果,safe mode的4M,包括Linux kernel, buzybox, safe mode application等压缩后的大小:

优化结果

后续版本的兼容:

在safe mode的设计中,对后续多个版本升级的支持也是一个需要仔细考虑的地方。因为后续版本会存在很多的不确定性,如果发出的版本不能很好地兼容后续版本,那么将会给产品带来巨大的风险。

后续版本的可能情况,主要分两种:结构分区变化不大,结构分区变化巨大。

对后续版本中变化不大的情况,也即类似master + safe mode的情况,当再次更新时,只需要操作/dev/mtdblock/3对应master,/dev/mtdblock/4对应safe mode,即可。

但如果后续版本变化非常大,那么就需要特别注意了。

可以考虑这样一个情况:如果后续的版本,需求发生了大的变化,比如需要将原来master所在的分区再分成多个分区:

后续版本需求变化

那么从老版本升级到新版本时,这些分区的内容如何保证烧写后能正常工作呢?

解决的办法就是在老版本中,将后续的rootfs部分作为一个整体来操作,也就是说烧写时,是将master + part1 + part2+ safe mode作为一个整体来对待。在老版本看来,新版本中的这15872K的内容,不管它其中有多少个不同的分区,还是master + safe mode。在烧写时,还是按/dev/mtdblock/3对应master,/dev/mtdblock/4对应safe mode的方式来烧写,完成将15872K的内容完整烧写进flash即可。

为了做到这一点,在烧写中,我们将全部的15872K的内容分成两段,第一段为15872-4*1024=11776K,需要将其write到/dev/mtdblock/3中,第二段为4M,需要将其write到/dev/mtdblock/4中。这样全部的15872K的内容就完整地烧写完,而再次启动后的kernel会分辨出 master + part1 + part2 + safe mode,它们的总大小依然保持15872K不变。这整个过程中,都不用去理会新版本中到底包括哪些内容,哪些分区,只要保证是将15872K的内容全部完整地烧写进去就可以了。

整体rootfs的设计思想在这里帮了一个大忙,简化了升级更新时所需要考虑的复杂度,使设计变得更加灵活与易于维护。

这样才新发布的firmware里,如果分为多个分区,那么就保证再次升级时,将15872K的内容分成多段,写到类似/dev/mtdblock/3、4、5、6这样的设备文件里就可以了,只要保证这些区域是连续的、并且烧写的内容是全部的那15872K内容即可。

Magic number:

值得注意的是,随着不同的版本的变化,magic number的位置还是应该保持在15872K的最后一个字节的位置。但这就出现一个问题,在不同的版本中,这个magic number的位置会是在不同的partition的最后一个字节。比如某个版本可能是在/dev/mtdblock/4的最后,但再后续的版本它会变成了/dev/mtdblock/7的最后面,这样就会存在很大的不确定性。所以在一个各个版本中,写magic number标记位时,需要一个统一的方法来做到这件事。最容易想到的办法当然就是magic number这个位置相对起始位置0是不变的。而前面提到过的/dev/mtdblock/0就刚好是代表了可以操作的整个flash分区。

有了/dev/mtdblock/0,这样我们就可以open 它,seek到magic number的位置,然后write下0x55或0xAA,这样就保持了写magic number的代码的一致性,不需要根据不同的分区,多次修改操作magic number的有关函数。

Booloader:

Bootloader的修改,也涉及到对magic number的读取,它的读取就相对简单一些,直接使用magic number在RAM中映射的绝对地址即可。

Bootloader检查完magic number后,需要将相对地址为0xBC0000的safe mode的kernel + rootfs读入到RAM,然后设置启动参数,调用内核,进入safe mode提示界面。

Linux kernel:

与老的、不带safe mode的image相比,新的image里的Linux kernel从总体的角度来说,并没有大的变化。在新做的master与safe mode的image中,它们各自需要包含一个Linux kernel,这两个kernel唯一的不同就是启动时所需要的rootfs在RAM中的映射位置不同。它们都有着相同的partition分区设置,编译选项等。

Safe mode必须包含自己的Linux kernel,因为它是运行在master损坏的情况下,master kernel已经不能启动了。

总结

上面的内容是在实际开发中对safe mode的设计与实现的一个描述。从这个描述中,可以看到safe mode在嵌入式Linux产品扮演着重要的角色,对它的设计涉及到很多方面,要考虑系统的尺寸,与现有buidling环境的的兼容性,对后续版本的升级的兼容性等诸多方面。

从某种意义上来说,safe mode的设计关系到产品的成败,一个好的safe mode的设计将会给产品带来巨大的灵活性与可扩展性,大大地方便了客户与产品开发商。

责任编辑:gt

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