嵌入式Linux 的safe mode 设计与实现

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

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[!--empirenews.page--]

　　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write　1776K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。