LK / classic AOSP aboot · source analysis

Android boot image의 kernel·ramdisk 적재

boot partition header를 읽고 page 단위 offset으로 kernel, ramdisk, second stage를 배치하는 고전 경로를 읽습니다.

표의 버전은 소스 분석 기준이며 최신 보안 버전 권고가 아닙니다. TF-A LTS 2.14.3 이후에는 보안 수정이 있습니다. 제품 적용 시 공식 변경 기록과 사용 플랫폼의 errata를 확인하세요.

Series
16 / 20
Baseline
AOSP 9d6e28f
Commit
9d6e28f24ba0
Source
app/aboot/aboot.c:482-570 (발췌 범위)

Android boot image의 kernel·ramdisk 적재 단계에서 실제로 바뀌는 상태는 무엇인가?

header field의 byte size와 storage page alignment를 분리한다. destination address를 header가 직접 제공하는 모델의 신뢰 경계도 확인한다.

각 payload의 rounded read range와 destination range가 storage와 RAM의 허용 범위 안에 있어야 한다. 이 문장을 기준으로 코드를 위에서 아래로 읽으면, 함수 이름을 외우는 대신 어느 시점에 어떤 상태를 신뢰할 수 있는지 판단할 수 있다.

범위 주의

이 페이지는 현재 upstream LK가 아니라 classic AOSP aboot 고정 커밋을 다룬다. 현대 Android의 A/B, AVB, GKI 부트 경로와 동일하다고 간주하지 않는다.

객체와 주소가 놓이는 구조

그림 1. Android boot image의 kernel·ramdisk 적재에서 입력, 내부 상태, 출력의 경계
입력과 전제내부 상태외부로 공개되는 결과
01boot header page
02kernel payload
03ramdisk payload
04tags/DT area

boot_img_hdr / image buffers를 중심에 놓고 왼쪽의 입력이 어떤 검사를 거쳐 오른쪽 결과로 공개되는지 표시했다. 실제 디버깅에서는 각 블록의 주소와 크기를 로그에 대입한다.

실행 흐름

그림 2. 정상 경로의 주요 호출과 상태 전달
boot partition
boot_img_hdr
page rounding
kernel/ramdisk load
boot_linux

화살표는 단순 호출 순서만 뜻하지 않는다. 각 단계가 성공을 반환할 때 다음 단계가 읽을 수 있는 상태가 무엇인지 함께 확인한다. 오류 반환이 발생하면 바로 다음 화살표로 진행하지 않고 해당 단계의 정리 경로를 따라간다.

단계별 입력과 출력

각 단계의 입력과 처리 후 바뀌는 상태를 정리한 표다. 사용 중인 소스 버전에서 다른 필드를 변경한다면 그에 맞춰 표도 수정한다.

#단계진입 시 신뢰할 상태성공 뒤 남아야 할 상태다음 소비자
01boot partitionclassic aboot storage boot pathboot header pageboot_img_hdr
02boot_img_hdrboot partition 완료 상태kernel payloadpage rounding
03page roundingboot_img_hdr 완료 상태ramdisk payloadkernel/ramdisk load
04kernel/ramdisk loadpage rounding 완료 상태tags/DT areaboot_linux
05boot_linuxkernel/ramdisk load 완료 상태tags/DT area이 단계의 처리 결과를 사용하는 코드

분석 범위의 전제와 비교해, 다음 단계에 잘못된 입력을 넘긴 부분부터 조사한다.

주소와 객체의 이동을 그림으로 읽기

아래 그림은 주소, 객체를 사용하는 기간, 제어권을 넘기는 시점을 중심으로 정리했다. 실제 주소와 크기는 사용 중인 보드의 bdinfo, 맵 파일과 링커 심벌로 확인한다.

그림 3. classic Android boot image의 page 단위 배치

크기는 개념 비율이다. 실제 분석에서는 map, symbol과 runtime 출력의 시작·끝 주소를 대입한다.

큰 file offset↓ 주소 감소
boot headermagic·page_size·component sizes
kernelpage aligned payload
ramdiskpage aligned compressed cpio
second stageoptional
DT/DTB area구형 header의 board data
낮은 주소예약 cursor 진행 방향
그림 4. MMC에서 boot image를 읽고 component를 확정하는 순서

호출 이름만 나열하지 않고, 각 단계가 다음 단계에 넘기는 상태를 기준으로 실행 순서를 표시한다.

01partition 선택
02header page read
03magic·page_size 검증
04kernel offset·size
05ramdisk offset·size
06DT 선택
07destination read

원본 코드

아래 코드는 LK / classic AOSP aboot AOSP 9d6e28f의 app/aboot/aboot.c에서 482-570줄을 그대로 가져온 것이다. 설명을 위해 실제 코드를 가짜 의사 코드로 바꾸지 않았다.

commit9d6e28f24ba01e563d0b3801c6c6c95d756db623anchor · L506int boot_linux_from_mmc(void)
482	enter_critical_section();
483
484	/* do any platform specific cleanup before kernel entry */
485	platform_uninit();
486
487	arch_disable_cache(UCACHE);
488
489#if ARM_WITH_MMU
490	arch_disable_mmu();
491#endif
492	bs_set_timestamp(BS_KERNEL_ENTRY);
493	entry(0, machtype, (unsigned*)tags_phys);
494}
495
496unsigned page_size = 0;
497unsigned page_mask = 0;
498
499#define ROUND_TO_PAGE(x,y) (((x) + (y)) & (~(y)))
500
501static unsigned char buf[4096]; //Equal to max-supported pagesize
502#if DEVICE_TREE
503static unsigned char dt_buf[4096];
504#endif
505
506int boot_linux_from_mmc(void)
507{
508	struct boot_img_hdr *hdr = (void*) buf;
509	struct boot_img_hdr *uhdr;
510	unsigned offset = 0;
511	unsigned long long ptn = 0;
512	int index = INVALID_PTN;
513
514	unsigned char *image_addr = 0;
515	unsigned kernel_actual;
516	unsigned ramdisk_actual;
517	unsigned imagesize_actual;
518	unsigned second_actual = 0;
519
520#if DEVICE_TREE
521	struct dt_table *table;
522	struct dt_entry *dt_entry_ptr;
523	unsigned dt_table_offset;
524	uint32_t dt_actual;
525#endif
526
527	uhdr = (struct boot_img_hdr *)EMMC_BOOT_IMG_HEADER_ADDR;
528	if (!memcmp(uhdr->magic, BOOT_MAGIC, BOOT_MAGIC_SIZE)) {
529		dprintf(INFO, "Unified boot method!\n");
530		hdr = uhdr;
531		goto unified_boot;
532	}
533	if (!boot_into_recovery) {
534		index = partition_get_index("boot");
535		ptn = partition_get_offset(index);
536		if(ptn == 0) {
537			dprintf(CRITICAL, "ERROR: No boot partition found\n");
538                    return -1;
539		}
540	}
541	else {
542		index = partition_get_index("recovery");
543		ptn = partition_get_offset(index);
544		if(ptn == 0) {
545			dprintf(CRITICAL, "ERROR: No recovery partition found\n");
546                    return -1;
547		}
548	}
549
550	if (mmc_read(ptn + offset, (unsigned int *) buf, page_size)) {
551		dprintf(CRITICAL, "ERROR: Cannot read boot image header\n");
552                return -1;
553	}
554
555	if (memcmp(hdr->magic, BOOT_MAGIC, BOOT_MAGIC_SIZE)) {
556		dprintf(CRITICAL, "ERROR: Invalid boot image header\n");
557                return -1;
558	}
559
560	if (hdr->page_size && (hdr->page_size != page_size)) {
561		page_size = hdr->page_size;
562		page_mask = page_size - 1;
563	}
564
565	/*
566	 * Update the kernel/ramdisk/tags address if the boot image header
567	 * has default values, these default values come from mkbootimg when
568	 * the boot image is flashed using fastboot flash:raw
569	 */
570	update_ker_tags_rdisk_addr(hdr);

발췌 범위와 읽기 기준

원문 482-570줄에는 앞뒤 문맥이 포함됩니다. 기준 구문 int boot_linux_from_mmc(void)은 L506에 있습니다. 발췌 첫 줄을 함수 정의의 시작으로 해석하지 않습니다.

header field의 byte size와 storage page alignment를 분리한다. destination address를 header가 직접 제공하는 모델의 신뢰 경계도 확인한다.

함께 읽어야 하는 원본 코드

첫 코드 조각만으로 동작이 완성되지 않는 경우 호출 매크로, 객체 정의와 실제 실행 목록을 같은 페이지에 묶었다. 각 조각은 같은 기준 commit에서 가져왔다.

01. boot image header의 kernel, tags, ramdisk 주소 보정

app/aboot/aboot.c 148-230줄이다.

fileapp/aboot/aboot.canchor · L158static void update_ker_tags_rdisk_addr
148
149char max_download_size[MAX_RSP_SIZE];
150char sn_buf[13];
151
152extern int emmc_recovery_init(void);
153
154#if NO_KEYPAD_DRIVER
155extern int fastboot_trigger(void);
156#endif
157
158static void update_ker_tags_rdisk_addr(struct boot_img_hdr *hdr)
159{
160	/* overwrite the destination of specified for the project */
161	/*
162	 * Update the value to sane values only when the boot image
163	 * header does not have sane values, this is added to make sure
164	 * that we always use values from boot.img header and use the
165	 * force values when boot image header has default values.
166	 */
167#ifdef ABOOT_FORCE_KERNEL_ADDR
168	if (hdr->kernel_addr == ABOOT_DEFAULT_KERNEL_ADDR)
169		hdr->kernel_addr = ABOOT_FORCE_KERNEL_ADDR;
170#endif
171#ifdef ABOOT_FORCE_RAMDISK_ADDR
172	if (hdr->ramdisk_addr == ABOOT_DEFAULT_RAMDISK_ADDR)
173		hdr->ramdisk_addr = ABOOT_FORCE_RAMDISK_ADDR;
174#endif
175#ifdef ABOOT_FORCE_TAGS_ADDR
176	if (hdr->tags_addr == ABOOT_DEFAULT_TAGS_ADDR)
177		hdr->tags_addr = ABOOT_FORCE_TAGS_ADDR;
178#endif
179}
180
181static void ptentry_to_tag(unsigned **ptr, struct ptentry *ptn)
182{
183	struct atag_ptbl_entry atag_ptn;
184
185	memcpy(atag_ptn.name, ptn->name, 16);
186	atag_ptn.name[15] = '\0';
187	atag_ptn.offset = ptn->start;
188	atag_ptn.size = ptn->length;
189	atag_ptn.flags = ptn->flags;
190	memcpy(*ptr, &atag_ptn, sizeof(struct atag_ptbl_entry));
191	*ptr += sizeof(struct atag_ptbl_entry) / sizeof(unsigned);
192}
193
194unsigned char *update_cmdline(const char * cmdline)
195{
196	int cmdline_len = 0;
197	int have_cmdline = 0;
198	unsigned char *cmdline_final = NULL;
199	int pause_at_bootup = 0;
200
201	if (cmdline && cmdline[0]) {
202		cmdline_len = strlen(cmdline);
203		have_cmdline = 1;
204	}
205	if (target_is_emmc_boot()) {
206		cmdline_len += strlen(emmc_cmdline);
207	}
208
209	cmdline_len += strlen(usb_sn_cmdline);
210	cmdline_len += strlen(sn_buf);
211
212	if (target_pause_for_battery_charge()) {
213		pause_at_bootup = 1;
214		cmdline_len += strlen(battchg_pause);
215	}
216
217	if(target_use_signed_kernel() && auth_kernel_img) {
218		cmdline_len += strlen(auth_kernel);
219	}
220
221	/* Determine correct androidboot.baseband to use */
222	switch(target_baseband())
223	{
224		case BASEBAND_APQ:
225			cmdline_len += strlen(baseband_apq);
226			break;
227
228		case BASEBAND_MSM:
229			cmdline_len += strlen(baseband_msm);
230			break;

내부 동작을 더 깊게 읽기

01

진입 조건을 먼저 고정한다

boot partition에서 들어온 실행은 classic aboot storage boot path에 놓여 있다. 이때 interrupt, MMU/cache, stack, heap 중 무엇이 이미 준비되었는지 소스의 호출자까지 올라가 확인한다. 같은 함수라도 SPL, relocation 전후, app thread처럼 호출 문맥이 달라지면 허용되는 API와 지연 시간이 달라진다.

header field의 byte size와 storage page alignment를 분리한다. destination address를 header가 직접 제공하는 모델의 신뢰 경계도 확인한다.

02

중심 객체의 생성과 공개를 나눈다

이 글의 중심 객체는 boot_img_hdr / image buffers다. 메모리를 확보한 시점, 필드를 채운 시점, 전역 list나 다른 subsystem에 공개한 시점을 구분한다. 공개 뒤 오류가 발생한다면 목록에서 제거하고 child, buffer, reference를 역순으로 정리하는지 확인한다.

빌드 산출물 관점에서는 최종 부트로더 이미지 안에 해당 symbol과 section이 실제로 포함되었는지도 map과 objdump로 검증한다.

03

주소, 크기와 정렬을 계산한다

부트 코드에서는 주소 계산 오류를 주의해야 한다. 원본과 목적지의 주소 범위, 헤더에 기록된 데이터 크기, 블록·페이지 단위를 표로 정리하고 각 구간의 끝 주소를 계산한다. 끝 주소가 start + size - 1처럼 마지막 바이트를 가리키는지, 구간 바로 다음 주소를 가리키는지는 API 규약에서 확인한다.

04

성공 flag와 실제 완료 시점을 맞춘다

boot_img_hdr → page rounding → kernel/ramdisk load 구간에서는 부분 초기화 상태가 생길 수 있다. flag, list insertion, callback 등록, storage write 완료 중 무엇이 성공의 기준인지 찾는다. hardware write나 DMA가 포함되면 함수 반환과 장치 완료가 같은 시점인지도 확인한다.

다른 CPU, 인터럽트 처리기, USB 완료 콜백, 셸 명령에서도 이 상태를 읽는다면 메모리 접근 순서와 잠금 범위를 함께 확인한다.

05

제어권을 넘기기 전에 확인할 조건을 정리한다

정상 경로는 boot_linux에서 끝난다. 이 단계가 함수 반환인지, scheduler 전환인지, 다른 image로의 비복귀 분기인지 구분한다. 비복귀 handoff라면 cache clean/invalidate, interrupt disable, 장치 quiesce, argument register와 FDT 또는 image address가 최종 점검 항목이다.

호출한 함수로 돌아오는 경로라면 오류와 일부 처리만 완료된 상태를 구분하는지 확인한다. 이어서 다음 후보를 시도할지, 복구 절차를 실행할지 살펴본다.

구현을 읽을 때 놓치기 쉬운 부분

01

page 정렬이 모든 component offset을 결정한다

classic header 뒤 kernel, ramdisk, second stage와 DT 영역은 page size에 맞춰 이어진다. 각 offset은 이전 component의 실제 size를 page up한 값으로 계산해야 하며 header field를 byte pointer에 바로 더하면 안 된다.

64-bit 덧셈으로 end를 계산하고 download buffer 범위 안인지 component별로 검증한다.

02

header load address와 target memory map을 대조한다

kernel_addr, ramdisk_addr, tags_addr가 LK/aboot image, heap, framebuffer, secure carveout과 겹치지 않아야 한다. header 값을 강제 override하는 board code가 있다면 최종 destination을 로그에 남긴다.

copy 순서 중 source와 destination이 겹치는 경우를 별도로 처리한다.

03

cmdline과 device tree 선택은 image copy 뒤에도 바뀐다

header cmdline, target 추가 인자, serial number와 boot mode가 최종 kernel command line으로 합쳐진다. 길이 제한과 NUL 종료, 중복 보안 flag의 우선순위를 확인한다.

DT table을 쓰는 경로에서는 platform id와 revision match가 실패할 때 fallback entry가 무엇인지 기록한다.

객체와 수명

대상만들어지는 시점유효 범위확인할 조건
boot_img_hdr / image buffersboot_img_hdrboot_linux 또는 오류 정리 완료까지진입 전제와 상태 계약
입력 buffer / metadataboot partitionparse와 검증이 끝날 때까지길이, 정렬, 소유권, 변조 가능성
등록된 list / descriptorpage rounding하위 시스템을 종료하거나 다음 이미지에 제어권을 넘길 때까지중복 등록, 해제된 객체를 가리키는 포인터, 오류 후 자원 정리
hardware 또는 persistent state실제 write/probe가 완료된 뒤reset 또는 명시적 해제·갱신까지쓰기 완료, 시간 초과, 전원 차단, 이전 상태 복원
최종 부트로더 이미지link/image 생성 시점다음 stage가 새 image로 교체할 때까지적재 주소, 진입점, 섹션, 헤더의 일치 여부

실패 지점과 증상

#조건관찰되는 증상먼저 볼 단계
01header size overflowread 길이 wrapboot_img_hdr
02destination overlapkernel이 ramdisk 덮음page rounding
03page size 오판다음 payload offset 오류kernel/ramdisk load

로그가 끊긴 함수뿐 아니라 그 함수에 주소, 크기, 플래그를 전달한 앞 단계도 조사한다. 오류 처리 후 등록된 객체나 하드웨어 설정이 그대로 남아 있는지도 확인한다.

소스 밖에서 확인할 증거

소스에서 파악한 동작을 실제 빌드 결과와 대상 보드의 로그로 확인한다. 아래 명령의 보드 이름과 툴체인 접두사는 사용 중인 빌드 환경에 맞게 바꾼다.

#목적명령 또는 계측판정 기준
01ELF symbolnm -n build-*/lk.elf | grep 'int boot_linux_from_mmc'aboot app과 storage/USB callback의 link 주소를 확인한다.
02boot imageunpack_bootimg --boot_img boot.img --out outheader version, page size, kernel·ramdisk·DT 영역을 분리해 계산한다.
03partition 정보fastboot getvar allbootloader가 보는 slot, partition size, unlocked 상태를 기록한다.
04USB protocolfastboot -v <command>host request와 target response가 끊기는 packet을 찾는다.
05flash 경계partition base + offset + length 직접 계산block 단위와 byte 단위를 섞지 않았는지 검증한다.

직접 확인할 실험

  1. 01
    boot.img를 unpack해 계산 offset 대조

    boot_img_hdr 진입 전후에 boot header page의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

  2. 02
    kernel_size 경계값 변조 후 거부 확인

    page rounding 진입 전후에 kernel payload의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

  3. 03
    RAM 영역 겹침 검사를 추가해 실패 로그 확인

    kernel/ramdisk load 진입 전후에 ramdisk payload의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

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