doc: Move environment documentation to rST
[platform/kernel/u-boot.git] / doc / arch / sandbox.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+ */
2 .. Copyright (c) 2014 The Chromium OS Authors.
3 .. sectionauthor:: Simon Glass <sjg@chromium.org>
4
5 Sandbox
6 =======
7
8 Native Execution of U-Boot
9 --------------------------
10
11 The 'sandbox' architecture is designed to allow U-Boot to run under Linux on
12 almost any hardware. To achieve this it builds U-Boot (so far as possible)
13 as a normal C application with a main() and normal C libraries.
14
15 All of U-Boot's architecture-specific code therefore cannot be built as part
16 of the sandbox U-Boot. The purpose of running U-Boot under Linux is to test
17 all the generic code, not specific to any one architecture. The idea is to
18 create unit tests which we can run to test this upper level code.
19
20 Sandbox allows development of many types of new features in a traditional way,
21 rather than needing to test each iteration on real hardware. Many U-Boot
22 features were developed on sandbox, including the core driver model, most
23 uclasses, verified boot, bloblist, logging and dozens of others. Sandbox has
24 enabled many large-scale code refactors as well.
25
26 CONFIG_SANDBOX is defined when building a native board.
27
28 The board name is 'sandbox' but the vendor name is unset, so there is a
29 single board in board/sandbox.
30
31 CONFIG_SANDBOX_BIG_ENDIAN should be defined when running on big-endian
32 machines.
33
34 There are two versions of the sandbox: One using 32-bit-wide integers, and one
35 using 64-bit-wide integers. The 32-bit version can be build and run on either
36 32 or 64-bit hosts by either selecting or deselecting CONFIG_SANDBOX_32BIT; by
37 default, the sandbox it built for a 32-bit host. The sandbox using 64-bit-wide
38 integers can only be built on 64-bit hosts.
39
40 Note that standalone/API support is not available at present.
41
42
43 Prerequisites
44 -------------
45
46 Install the dependencies noted in :doc:`../build/gcc`.
47
48
49 Basic Operation
50 ---------------
51
52 To run sandbox U-Boot use something like::
53
54    make sandbox_defconfig all
55    ./u-boot
56
57 Note: If you get errors about 'sdl-config: Command not found' you may need to
58 install libsdl2.0-dev or similar to get SDL support. Alternatively you can
59 build sandbox without SDL (i.e. no display/keyboard support) by removing
60 the CONFIG_SANDBOX_SDL line in include/configs/sandbox.h or using::
61
62    make sandbox_defconfig all NO_SDL=1
63    ./u-boot
64
65 U-Boot will start on your computer, showing a sandbox emulation of the serial
66 console::
67
68    U-Boot 2014.04 (Mar 20 2014 - 19:06:00)
69
70    DRAM:  128 MiB
71    Using default environment
72
73    In:    serial
74    Out:   lcd
75    Err:   lcd
76    =>
77
78 You can issue commands as your would normally. If the command you want is
79 not supported you can add it to include/configs/sandbox.h.
80
81 To exit, type 'poweroff' or press Ctrl-C.
82
83
84 Console / LCD support
85 ---------------------
86
87 Assuming that CONFIG_SANDBOX_SDL is defined when building, you can run the
88 sandbox with LCD and keyboard emulation, using something like::
89
90    ./u-boot -d u-boot.dtb -l
91
92 This will start U-Boot with a window showing the contents of the LCD. If
93 that window has the focus then you will be able to type commands as you
94 would on the console. You can adjust the display settings in the device
95 tree file - see arch/sandbox/dts/sandbox.dts.
96
97
98 Command-line Options
99 --------------------
100
101 Various options are available, mostly for test purposes. Use -h to see
102 available options. Some of these are described below:
103
104 -t, --terminal <arg>
105   The terminal is normally in what is called 'raw-with-sigs' mode. This means
106   that you can use arrow keys for command editing and history, but if you
107   press Ctrl-C, U-Boot will exit instead of handling this as a keypress.
108   Other options are 'raw' (so Ctrl-C is handled within U-Boot) and 'cooked'
109   (where the terminal is in cooked mode and cursor keys will not work, Ctrl-C
110   will exit).
111
112 -l
113   Show the LCD emulation window.
114
115 -d <device_tree>
116   A device tree binary file can be provided with -d. If you edit the source
117   (it is stored at arch/sandbox/dts/sandbox.dts) you must rebuild U-Boot to
118   recreate the binary file.
119
120 -D
121   To use the default device tree, use -D.
122
123 -T
124   To use the test device tree, use -T.
125
126 -c [<cmd>;]<cmd>
127   To execute commands directly, use the -c option. You can specify a single
128   command, or multiple commands separated by a semicolon, as is normal in
129   U-Boot. Be careful with quoting as the shell will normally process and
130   swallow quotes. When -c is used, U-Boot exits after the command is complete,
131   but you can force it to go to interactive mode instead with -i.
132
133 -i
134   Go to interactive mode after executing the commands specified by -c.
135
136 Environment Variables
137 ---------------------
138
139 UBOOT_SB_TIME_OFFSET
140     This environment variable stores the offset of the emulated real time clock
141     to the host's real time clock in seconds. The offset defaults to zero.
142
143 Memory Emulation
144 ----------------
145
146 Memory emulation is supported, with the size set by CONFIG_SYS_SDRAM_SIZE.
147 The -m option can be used to read memory from a file on start-up and write
148 it when shutting down. This allows preserving of memory contents across
149 test runs. You can tell U-Boot to remove the memory file after it is read
150 (on start-up) with the --rm_memory option.
151
152 To access U-Boot's emulated memory within the code, use map_sysmem(). This
153 function is used throughout U-Boot to ensure that emulated memory is used
154 rather than the U-Boot application memory. This provides memory starting
155 at 0 and extending to the size of the emulation.
156
157
158 Storing State
159 -------------
160
161 With sandbox you can write drivers which emulate the operation of drivers on
162 real devices. Some of these drivers may want to record state which is
163 preserved across U-Boot runs. This is particularly useful for testing. For
164 example, the contents of a SPI flash chip should not disappear just because
165 U-Boot exits.
166
167 State is stored in a device tree file in a simple format which is driver-
168 specific. You then use the -s option to specify the state file. Use -r to
169 make U-Boot read the state on start-up (otherwise it starts empty) and -w
170 to write it on exit (otherwise the stored state is left unchanged and any
171 changes U-Boot made will be lost). You can also use -n to tell U-Boot to
172 ignore any problems with missing state. This is useful when first running
173 since the state file will be empty.
174
175 The device tree file has one node for each driver - the driver can store
176 whatever properties it likes in there. See 'Writing Sandbox Drivers' below
177 for more details on how to get drivers to read and write their state.
178
179
180 Running and Booting
181 -------------------
182
183 Since there is no machine architecture, sandbox U-Boot cannot actually boot
184 a kernel, but it does support the bootm command. Filesystems, memory
185 commands, hashing, FIT images, verified boot and many other features are
186 supported.
187
188 When 'bootm' runs a kernel, sandbox will exit, as U-Boot does on a real
189 machine. Of course in this case, no kernel is run.
190
191 It is also possible to tell U-Boot that it has jumped from a temporary
192 previous U-Boot binary, with the -j option. That binary is automatically
193 removed by the U-Boot that gets the -j option. This allows you to write
194 tests which emulate the action of chain-loading U-Boot, typically used in
195 a situation where a second 'updatable' U-Boot is stored on your board. It
196 is very risky to overwrite or upgrade the only U-Boot on a board, since a
197 power or other failure will brick the board and require return to the
198 manufacturer in the case of a consumer device.
199
200
201 Supported Drivers
202 -----------------
203
204 U-Boot sandbox supports these emulations:
205
206 - Block devices
207 - Chrome OS EC
208 - GPIO
209 - Host filesystem (access files on the host from within U-Boot)
210 - I2C
211 - Keyboard (Chrome OS)
212 - LCD
213 - Network
214 - Serial (for console only)
215 - Sound (incomplete - see sandbox_sdl_sound_init() for details)
216 - SPI
217 - SPI flash
218 - TPM (Trusted Platform Module)
219
220 A wide range of commands are implemented. Filesystems which use a block
221 device are supported.
222
223 Also sandbox supports driver model (CONFIG_DM) and associated commands.
224
225
226 Sandbox Variants
227 ----------------
228
229 There are unfortunately quite a few variants at present:
230
231 sandbox:
232   should be used for most tests
233 sandbox64:
234   special build that forces a 64-bit host
235 sandbox_flattree:
236   builds with dev_read\_...() functions defined as inline.
237   We need this build so that we can test those inline functions, and we
238   cannot build with both the inline functions and the non-inline functions
239   since they are named the same.
240 sandbox_spl:
241   builds sandbox with SPL support, so you can run spl/u-boot-spl
242   and it will start up and then load ./u-boot. It is also possible to
243   run ./u-boot directly.
244
245 Of these sandbox_spl can probably be removed since it is a superset of sandbox.
246
247 Most of the config options should be identical between these variants.
248
249
250 Linux RAW Networking Bridge
251 ---------------------------
252
253 The sandbox_eth_raw driver bridges traffic between the bottom of the network
254 stack and the RAW sockets API in Linux. This allows much of the U-Boot network
255 functionality to be tested in sandbox against real network traffic.
256
257 For Ethernet network adapters, the bridge utilizes the RAW AF_PACKET API.  This
258 is needed to get access to the lowest level of the network stack in Linux. This
259 means that all of the Ethernet frame is included. This allows the U-Boot network
260 stack to be fully used. In other words, nothing about the Linux network stack is
261 involved in forming the packets that end up on the wire. To receive the
262 responses to packets sent from U-Boot the network interface has to be set to
263 promiscuous mode so that the network card won't filter out packets not destined
264 for its configured (on Linux) MAC address.
265
266 The RAW sockets Ethernet API requires elevated privileges in Linux. You can
267 either run as root, or you can add the capability needed like so::
268
269    sudo /sbin/setcap "CAP_NET_RAW+ep" /path/to/u-boot
270
271 The default device tree for sandbox includes an entry for eth0 on the sandbox
272 host machine whose alias is "eth1". The following are a few examples of network
273 operations being tested on the eth0 interface.
274
275 .. code-block:: none
276
277    sudo /path/to/u-boot -D
278
279    DHCP
280    ....
281
282    setenv autoload no
283    setenv ethrotate no
284    setenv ethact eth1
285    dhcp
286
287    PING
288    ....
289
290    setenv autoload no
291    setenv ethrotate no
292    setenv ethact eth1
293    dhcp
294    ping $gatewayip
295
296    TFTP
297    ....
298
299    setenv autoload no
300    setenv ethrotate no
301    setenv ethact eth1
302    dhcp
303    setenv serverip WWW.XXX.YYY.ZZZ
304    tftpboot u-boot.bin
305
306 The bridge also supports (to a lesser extent) the localhost interface, 'lo'.
307
308 The 'lo' interface cannot use the RAW AF_PACKET API because the lo interface
309 doesn't support Ethernet-level traffic. It is a higher-level interface that is
310 expected only to be used at the AF_INET level of the API. As such, the most raw
311 we can get on that interface is the RAW AF_INET API on UDP. This allows us to
312 set the IP_HDRINCL option to include everything except the Ethernet header in
313 the packets we send and receive.
314
315 Because only UDP is supported, ICMP traffic will not work, so expect that ping
316 commands will time out.
317
318 The default device tree for sandbox includes an entry for lo on the sandbox
319 host machine whose alias is "eth5". The following is an example of a network
320 operation being tested on the lo interface.
321
322 .. code-block:: none
323
324    TFTP
325    ....
326
327    setenv ethrotate no
328    setenv ethact eth5
329    tftpboot u-boot.bin
330
331
332 SPI Emulation
333 -------------
334
335 Sandbox supports SPI and SPI flash emulation.
336
337 The device can be enabled via a device tree, for example::
338
339     spi@0 {
340             #address-cells = <1>;
341             #size-cells = <0>;
342             reg = <0 1>;
343             compatible = "sandbox,spi";
344             cs-gpios = <0>, <&gpio_a 0>;
345             spi.bin@0 {
346                     reg = <0>;
347                     compatible = "spansion,m25p16", "jedec,spi-nor";
348                     spi-max-frequency = <40000000>;
349                     sandbox,filename = "spi.bin";
350             };
351     };
352
353 The file must be created in advance::
354
355    $ dd if=/dev/zero of=spi.bin bs=1M count=2
356    $ u-boot -T
357
358 Here, you can use "-T" or "-D" option to specify test.dtb or u-boot.dtb,
359 respectively, or "-d <file>" for your own dtb.
360
361 With this setup you can issue SPI flash commands as normal::
362
363    =>sf probe
364    SF: Detected M25P16 with page size 64 KiB, total 2 MiB
365    =>sf read 0 0 10000
366    SF: 65536 bytes @ 0x0 Read: OK
367
368 Since this is a full SPI emulation (rather than just flash), you can
369 also use low-level SPI commands::
370
371    =>sspi 0:0 32 9f
372    FF202015
373
374 This is issuing a READ_ID command and getting back 20 (ST Micro) part
375 0x2015 (the M25P16).
376
377
378 Block Device Emulation
379 ----------------------
380
381 U-Boot can use raw disk images for block device emulation. To e.g. list
382 the contents of the root directory on the second partion of the image
383 "disk.raw", you can use the following commands::
384
385    =>host bind 0 ./disk.raw
386    =>ls host 0:2
387
388 The device can be marked removeable with 'host bind -r'.
389
390 A disk image can be created using the following commands::
391
392    $> truncate -s 1200M ./disk.raw
393    $> echo -e "label: gpt\n,64M,U\n,,L" | /usr/sbin/sgdisk  ./disk.raw
394    $> lodev=`sudo losetup -P -f --show ./disk.raw`
395    $> sudo mkfs.vfat -n EFI -v ${lodev}p1
396    $> sudo mkfs.ext4 -L ROOT -v ${lodev}p2
397
398 or utilize the device described in test/py/make_test_disk.py::
399
400    #!/usr/bin/python
401    import make_test_disk
402    make_test_disk.makeDisk()
403
404 Writing Sandbox Drivers
405 -----------------------
406
407 Generally you should put your driver in a file containing the word 'sandbox'
408 and put it in the same directory as other drivers of its type. You can then
409 implement the same hooks as the other drivers.
410
411 To access U-Boot's emulated memory, use map_sysmem() as mentioned above.
412
413 If your driver needs to store configuration or state (such as SPI flash
414 contents or emulated chip registers), you can use the device tree as
415 described above. Define handlers for this with the SANDBOX_STATE_IO macro.
416 See arch/sandbox/include/asm/state.h for documentation. In short you provide
417 a node name, compatible string and functions to read and write the state.
418 Since writing the state can expand the device tree, you may need to use
419 state_setprop() which does this automatically and avoids running out of
420 space. See existing code for examples.
421
422
423 Debugging the init sequence
424 ---------------------------
425
426 If you get a failure in the initcall sequence, like this::
427
428    initcall sequence 0000560775957c80 failed at call 0000000000048134 (err=-96)
429
430 Then you use can use grep to see which init call failed, e.g.::
431
432    $ grep 0000000000048134 u-boot.map
433    stdio_add_devices
434
435 Of course another option is to run it with a debugger such as gdb::
436
437    $ gdb u-boot
438    ...
439    (gdb) br initcall.h:41
440    Breakpoint 1 at 0x4db9d: initcall.h:41. (2 locations)
441
442 Note that two locations are reported, since this function is used in both
443 board_init_f() and board_init_r().
444
445 .. code-block:: none
446
447    (gdb) r
448    Starting program: /tmp/b/sandbox/u-boot
449    [Thread debugging using libthread_db enabled]
450    Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
451
452    U-Boot 2018.09-00264-ge0c2ba9814-dirty (Sep 22 2018 - 12:21:46 -0600)
453
454    DRAM:  128 MiB
455    MMC:
456
457    Breakpoint 1, initcall_run_list (init_sequence=0x5555559619e0 <init_sequence_f>)
458        at /scratch/sglass/cosarm/src/third_party/u-boot/files/include/initcall.h:41
459    41                              printf("initcall sequence %p failed at call %p (err=%d)\n",
460    (gdb) print *init_fnc_ptr
461    $1 = (const init_fnc_t) 0x55555559c114 <stdio_add_devices>
462    (gdb)
463
464
465 This approach can be used on normal boards as well as sandbox.
466
467
468 SDL_CONFIG
469 ----------
470
471 If sdl-config is on a different path from the default, set the SDL_CONFIG
472 environment variable to the correct pathname before building U-Boot.
473
474
475 Using valgrind / memcheck
476 -------------------------
477
478 It is possible to run U-Boot under valgrind to check memory allocations::
479
480    valgrind u-boot
481
482 If you are running sandbox SPL or TPL, then valgrind will not by default
483 notice when U-Boot jumps from TPL to SPL, or from SPL to U-Boot proper. To
484 fix this, use::
485
486    valgrind --trace-children=yes u-boot
487
488
489 Testing
490 -------
491
492 U-Boot sandbox can be used to run various tests, mostly in the test/
493 directory.
494
495 See :doc:`../develop/tests_sandbox` for more information and
496 :doc:`../develop/testing` for information about testing generally.
497
498
499 Memory Map
500 ----------
501
502 Sandbox has its own emulated memory starting at 0. Here are some of the things
503 that are mapped into that memory:
504
505 =======   ========================   ===============================
506 Addr      Config                     Usage
507 =======   ========================   ===============================
508       0   CONFIG_SYS_FDT_LOAD_ADDR   Device tree
509    c000   CONFIG_BLOBLIST_ADDR       Blob list
510   10000   CONFIG_MALLOC_F_ADDR       Early memory allocation
511   f0000   CONFIG_PRE_CON_BUF_ADDR    Pre-console buffer
512  100000   CONFIG_TRACE_EARLY_ADDR    Early trace buffer (if enabled). Also used
513                                      as the SPL load buffer in spl_test_load().
514  200000   CONFIG_SYS_TEXT_BASE       Load buffer for U-Boot (sandbox_spl only)
515 =======   ========================   ===============================