binman: Add better Makefile debugging
[platform/kernel/u-boot.git] / tools / binman / README
1 # Copyright (c) 2016 Google, Inc
2 #
3 # SPDX-License-Identifier:      GPL-2.0+
4 #
5
6 Introduction
7 ------------
8
9 Firmware often consists of several components which must be packaged together.
10 For example, we may have SPL, U-Boot, a device tree and an environment area
11 grouped together and placed in MMC flash. When the system starts, it must be
12 able to find these pieces.
13
14 So far U-Boot has not provided a way to handle creating such images in a
15 general way. Each SoC does what it needs to build an image, often packing or
16 concatenating images in the U-Boot build system.
17
18 Binman aims to provide a mechanism for building images, from simple
19 SPL + U-Boot combinations, to more complex arrangements with many parts.
20
21
22 What it does
23 ------------
24
25 Binman reads your board's device tree and finds a node which describes the
26 required image layout. It uses this to work out what to place where. The
27 output file normally contains the device tree, so it is in principle possible
28 to read an image and extract its constituent parts.
29
30
31 Features
32 --------
33
34 So far binman is pretty simple. It supports binary blobs, such as 'u-boot',
35 'spl' and 'fdt'. It supports empty entries (such as setting to 0xff). It can
36 place entries at a fixed location in the image, or fit them together with
37 suitable padding and alignment. It provides a way to process binaries before
38 they are included, by adding a Python plug-in. The device tree is available
39 to U-Boot at run-time so that the images can be interpreted.
40
41 Binman does not yet update the device tree with the final location of
42 everything when it is done. A simple C structure could be generated for
43 constrained environments like SPL (using dtoc) but this is also not
44 implemented.
45
46 Binman can also support incorporating filesystems in the image if required.
47 For example x86 platforms may use CBFS in some cases.
48
49 Binman is intended for use with U-Boot but is designed to be general enough
50 to be useful in other image-packaging situations.
51
52
53 Motivation
54 ----------
55
56 Packaging of firmware is quite a different task from building the various
57 parts. In many cases the various binaries which go into the image come from
58 separate build systems. For example, ARM Trusted Firmware is used on ARMv8
59 devices but is not built in the U-Boot tree. If a Linux kernel is included
60 in the firmware image, it is built elsewhere.
61
62 It is of course possible to add more and more build rules to the U-Boot
63 build system to cover these cases. It can shell out to other Makefiles and
64 build scripts. But it seems better to create a clear divide between building
65 software and packaging it.
66
67 At present this is handled by manual instructions, different for each board,
68 on how to create images that will boot. By turning these instructions into a
69 standard format, we can support making valid images for any board without
70 manual effort, lots of READMEs, etc.
71
72 Benefits:
73 - Each binary can have its own build system and tool chain without creating
74 any dependencies between them
75 - Avoids the need for a single-shot build: individual parts can be updated
76 and brought in as needed
77 - Provides for a standard image description available in the build and at
78 run-time
79 - SoC-specific image-signing tools can be accomodated
80 - Avoids cluttering the U-Boot build system with image-building code
81 - The image description is automatically available at run-time in U-Boot,
82 SPL. It can be made available to other software also
83 - The image description is easily readable (it's a text file in device-tree
84 format) and permits flexible packing of binaries
85
86
87 Terminology
88 -----------
89
90 Binman uses the following terms:
91
92 - image - an output file containing a firmware image
93 - binary - an input binary that goes into the image
94
95
96 Relationship to FIT
97 -------------------
98
99 FIT is U-Boot's official image format. It supports multiple binaries with
100 load / execution addresses, compression. It also supports verification
101 through hashing and RSA signatures.
102
103 FIT was originally designed to support booting a Linux kernel (with an
104 optional ramdisk) and device tree chosen from various options in the FIT.
105 Now that U-Boot supports configuration via device tree, it is possible to
106 load U-Boot from a FIT, with the device tree chosen by SPL.
107
108 Binman considers FIT to be one of the binaries it can place in the image.
109
110 Where possible it is best to put as much as possible in the FIT, with binman
111 used to deal with cases not covered by FIT. Examples include initial
112 execution (since FIT itself does not have an executable header) and dealing
113 with device boundaries, such as the read-only/read-write separation in SPI
114 flash.
115
116 For U-Boot, binman should not be used to create ad-hoc images in place of
117 FIT.
118
119
120 Relationship to mkimage
121 -----------------------
122
123 The mkimage tool provides a means to create a FIT. Traditionally it has
124 needed an image description file: a device tree, like binman, but in a
125 different format. More recently it has started to support a '-f auto' mode
126 which can generate that automatically.
127
128 More relevant to binman, mkimage also permits creation of many SoC-specific
129 image types. These can be listed by running 'mkimage -T list'. Examples
130 include 'rksd', the Rockchip SD/MMC boot format. The mkimage tool is often
131 called from the U-Boot build system for this reason.
132
133 Binman considers the output files created by mkimage to be binary blobs
134 which it can place in an image. Binman does not replace the mkimage tool or
135 this purpose. It would be possible in some situtions to create a new entry
136 type for the images in mkimage, but this would not add functionality. It
137 seems better to use the mkiamge tool to generate binaries and avoid blurring
138 the boundaries between building input files (mkimage) and packaging then
139 into a final image (binman).
140
141
142 Example use of binman in U-Boot
143 -------------------------------
144
145 Binman aims to replace some of the ad-hoc image creation in the U-Boot
146 build system.
147
148 Consider sunxi. It has the following steps:
149
150 1. It uses a custom mksunxiboot tool to build an SPL image called
151 sunxi-spl.bin. This should probably move into mkimage.
152
153 2. It uses mkimage to package U-Boot into a legacy image file (so that it can
154 hold the load and execution address) called u-boot.img.
155
156 3. It builds a final output image called u-boot-sunxi-with-spl.bin which
157 consists of sunxi-spl.bin, some padding and u-boot.img.
158
159 Binman is intended to replace the last step. The U-Boot build system builds
160 u-boot.bin and sunxi-spl.bin. Binman can then take over creation of
161 sunxi-spl.bin (by calling mksunxiboot, or hopefully one day mkimage). In any
162 case, it would then create the image from the component parts.
163
164 This simplifies the U-Boot Makefile somewhat, since various pieces of logic
165 can be replaced by a call to binman.
166
167
168 Example use of binman for x86
169 -----------------------------
170
171 In most cases x86 images have a lot of binary blobs, 'black-box' code
172 provided by Intel which must be run for the platform to work. Typically
173 these blobs are not relocatable and must be placed at fixed areas in the
174 firmare image.
175
176 Currently this is handled by ifdtool, which places microcode, FSP, MRC, VGA
177 BIOS, reference code and Intel ME binaries into a u-boot.rom file.
178
179 Binman is intended to replace all of this, with ifdtool left to handle only
180 the configuration of the Intel-format descriptor.
181
182
183 Running binman
184 --------------
185
186 Type:
187
188         binman -b <board_name>
189
190 to build an image for a board. The board name is the same name used when
191 configuring U-Boot (e.g. for sandbox_defconfig the board name is 'sandbox').
192 Binman assumes that the input files for the build are in ../b/<board_name>.
193
194 Or you can specify this explicitly:
195
196         binman -I <build_path>
197
198 where <build_path> is the build directory containing the output of the U-Boot
199 build.
200
201 (Future work will make this more configurable)
202
203 In either case, binman picks up the device tree file (u-boot.dtb) and looks
204 for its instructions in the 'binman' node.
205
206 Binman has a few other options which you can see by running 'binman -h'.
207
208
209 Image description format
210 ------------------------
211
212 The binman node is called 'binman'. An example image description is shown
213 below:
214
215         binman {
216                 filename = "u-boot-sunxi-with-spl.bin";
217                 pad-byte = <0xff>;
218                 blob {
219                         filename = "spl/sunxi-spl.bin";
220                 };
221                 u-boot {
222                         pos = <CONFIG_SPL_PAD_TO>;
223                 };
224         };
225
226
227 This requests binman to create an image file called u-boot-sunxi-with-spl.bin
228 consisting of a specially formatted SPL (spl/sunxi-spl.bin, built by the
229 normal U-Boot Makefile), some 0xff padding, and a U-Boot legacy image. The
230 padding comes from the fact that the second binary is placed at
231 CONFIG_SPL_PAD_TO. If that line were omitted then the U-Boot binary would
232 immediately follow the SPL binary.
233
234 The binman node describes an image. The sub-nodes describe entries in the
235 image. Each entry represents a region within the overall image. The name of
236 the entry (blob, u-boot) tells binman what to put there. For 'blob' we must
237 provide a filename. For 'u-boot', binman knows that this means 'u-boot.bin'.
238
239 Entries are normally placed into the image sequentially, one after the other.
240 The image size is the total size of all entries. As you can see, you can
241 specify the start position of an entry using the 'pos' property.
242
243 Note that due to a device tree requirement, all entries must have a unique
244 name. If you want to put the same binary in the image multiple times, you can
245 use any unique name, with the 'type' property providing the type.
246
247 The attributes supported for entries are described below.
248
249 pos:
250         This sets the position of an entry within the image. The first byte
251         of the image is normally at position 0. If 'pos' is not provided,
252         binman sets it to the end of the previous region, or the start of
253         the image's entry area (normally 0) if there is no previous region.
254
255 align:
256         This sets the alignment of the entry. The entry position is adjusted
257         so that the entry starts on an aligned boundary within the image. For
258         example 'align = <16>' means that the entry will start on a 16-byte
259         boundary. Alignment shold be a power of 2. If 'align' is not
260         provided, no alignment is performed.
261
262 size:
263         This sets the size of the entry. The contents will be padded out to
264         this size. If this is not provided, it will be set to the size of the
265         contents.
266
267 pad-before:
268         Padding before the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
269         that the contents start at the beginning of the entry. This can be
270         offset the entry contents a little. Defaults to 0.
271
272 pad-after:
273         Padding after the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
274         that the entry ends at the last byte of content (unless adjusted by
275         other properties). This allows room to be created in the image for
276         this entry to expand later. Defaults to 0.
277
278 align-size:
279         This sets the alignment of the entry size. For example, to ensure
280         that the size of an entry is a multiple of 64 bytes, set this to 64.
281         If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
282
283 align-end:
284         This sets the alignment of the end of an entry. Some entries require
285         that they end on an alignment boundary, regardless of where they
286         start. If 'align-end' is not provided, no alignment is performed.
287
288         Note: This is not yet implemented in binman.
289
290 filename:
291         For 'blob' types this provides the filename containing the binary to
292         put into the entry. If binman knows about the entry type (like
293         u-boot-bin), then there is no need to specify this.
294
295 type:
296         Sets the type of an entry. This defaults to the entry name, but it is
297         possible to use any name, and then add (for example) 'type = "u-boot"'
298         to specify the type.
299
300
301 The attributes supported for images are described below. Several are similar
302 to those for entries.
303
304 size:
305         Sets the image size in bytes, for example 'size = <0x100000>' for a
306         1MB image.
307
308 align-size:
309         This sets the alignment of the image size. For example, to ensure
310         that the image ends on a 512-byte boundary, use 'align-size = <512>'.
311         If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
312
313 pad-before:
314         This sets the padding before the image entries. The first entry will
315         be positionad after the padding. This defaults to 0.
316
317 pad-after:
318         This sets the padding after the image entries. The padding will be
319         placed after the last entry. This defaults to 0.
320
321 pad-byte:
322         This specifies the pad byte to use when padding in the image. It
323         defaults to 0. To use 0xff, you would add 'pad-byte = <0xff>'.
324
325 filename:
326         This specifies the image filename. It defaults to 'image.bin'.
327
328 sort-by-pos:
329         This causes binman to reorder the entries as needed to make sure they
330         are in increasing positional order. This can be used when your entry
331         order may not match the positional order. A common situation is where
332         the 'pos' properties are set by CONFIG options, so their ordering is
333         not known a priori.
334
335         This is a boolean property so needs no value. To enable it, add a
336         line 'sort-by-pos;' to your description.
337
338 multiple-images:
339         Normally only a single image is generated. To create more than one
340         image, put this property in the binman node. For example, this will
341         create image1.bin containing u-boot.bin, and image2.bin containing
342         both spl/u-boot-spl.bin and u-boot.bin:
343
344         binman {
345                 multiple-images;
346                 image1 {
347                         u-boot {
348                         };
349                 };
350
351                 image2 {
352                         spl {
353                         };
354                         u-boot {
355                         };
356                 };
357         };
358
359 end-at-4gb:
360         For x86 machines the ROM positions start just before 4GB and extend
361         up so that the image finished at the 4GB boundary. This boolean
362         option can be enabled to support this. The image size must be
363         provided so that binman knows when the image should start. For an
364         8MB ROM, the position of the first entry would be 0xfff80000 with
365         this option, instead of 0 without this option.
366
367
368 Examples of the above options can be found in the tests. See the
369 tools/binman/test directory.
370
371
372 Special properties
373 ------------------
374
375 Some entries support special properties, documented here:
376
377 u-boot-with-ucode-ptr:
378         optional-ucode: boolean property to make microcode optional. If the
379                 u-boot.bin image does not include microcode, no error will
380                 be generated.
381
382
383 Order of image creation
384 -----------------------
385
386 Image creation proceeds in the following order, for each entry in the image.
387
388 1. GetEntryContents() - the contents of each entry are obtained, normally by
389 reading from a file. This calls the Entry.ObtainContents() to read the
390 contents. The default version of Entry.ObtainContents() calls
391 Entry.GetDefaultFilename() and then reads that file. So a common mechanism
392 to select a file to read is to override that function in the subclass. The
393 functions must return True when they have read the contents. Binman will
394 retry calling the functions a few times if False is returned, allowing
395 dependencies between the contents of different entries.
396
397 2. GetEntryPositions() - calls Entry.GetPositions() for each entry. This can
398 return a dict containing entries that need updating. The key should be the
399 entry name and the value is a tuple (pos, size). This allows an entry to
400 provide the position and size for other entries. The default implementation
401 of GetEntryPositions() returns {}.
402
403 3. PackEntries() - calls Entry.Pack() which figures out the position and
404 size of an entry. The 'current' image position is passed in, and the function
405 returns the position immediately after the entry being packed. The default
406 implementation of Pack() is usually sufficient.
407
408 4. CheckSize() - checks that the contents of all the entries fits within
409 the image size. If the image does not have a defined size, the size is set
410 large enough to hold all the entries.
411
412 5. CheckEntries() - checks that the entries do not overlap, nor extend
413 outside the image.
414
415 6. ProcessEntryContents() - this calls Entry.ProcessContents() on each entry.
416 The default implementatoin does nothing. This can be overriden to adjust the
417 contents of an entry in some way. For example, it would be possible to create
418 an entry containing a hash of the contents of some other entries. At this
419 stage the position and size of entries should not be adjusted.
420
421 7. BuildImage() - builds the image and writes it to a file. This is the final
422 step.
423
424
425 Automatic .dtsi inclusion
426 -------------------------
427
428 It is sometimes inconvenient to add a 'binman' node to the .dts file for each
429 board. This can be done by using #include to bring in a common file. Another
430 approach supported by the U-Boot build system is to automatically include
431 a common header. You can then put the binman node (and anything else that is
432 specific to U-Boot, such as u-boot,dm-pre-reloc properies) in that header
433 file.
434
435 Binman will search for the following files in arch/<arch>/dts:
436
437    <dts>-u-boot.dtsi where <dts> is the base name of the .dts file
438    <CONFIG_SYS_SOC>-u-boot.dtsi
439    <CONFIG_SYS_CPU>-u-boot.dtsi
440    <CONFIG_SYS_VENDOR>-u-boot.dtsi
441    u-boot.dtsi
442
443 U-Boot will only use the first one that it finds. If you need to include a
444 more general file you can do that from the more specific file using #include.
445 If you are having trouble figuring out what is going on, you can uncomment
446 the 'warning' line in scripts/Makefile.lib to see what it has found:
447
448    # Uncomment for debugging
449    # This shows all the files that were considered and the one that we chose.
450    # u_boot_dtsi_options_debug = $(u_boot_dtsi_options_raw)
451
452
453 Code coverage
454 -------------
455
456 Binman is a critical tool and is designed to be very testable. Entry
457 implementations target 100% test coverage. Run 'binman -T' to check this.
458
459 To enable Python test coverage on Debian-type distributions (e.g. Ubuntu):
460
461    $ sudo apt-get install python-pip python-pytest
462    $ sudo pip install coverage
463
464
465 Advanced Features / Technical docs
466 ----------------------------------
467
468 The behaviour of entries is defined by the Entry class. All other entries are
469 a subclass of this. An important subclass is Entry_blob which takes binary
470 data from a file and places it in the entry. In fact most entry types are
471 subclasses of Entry_blob.
472
473 Each entry type is a separate file in the tools/binman/etype directory. Each
474 file contains a class called Entry_<type> where <type> is the entry type.
475 New entry types can be supported by adding new files in that directory.
476 These will automatically be detected by binman when needed.
477
478 Entry properties are documented in entry.py. The entry subclasses are free
479 to change the values of properties to support special behaviour. For example,
480 when Entry_blob loads a file, it sets content_size to the size of the file.
481 Entry classes can adjust other entries. For example, an entry that knows
482 where other entries should be positioned can set up those entries' positions
483 so they don't need to be set in the binman decription. It can also adjust
484 entry contents.
485
486 Most of the time such essoteric behaviour is not needed, but it can be
487 essential for complex images.
488
489
490 History / Credits
491 -----------------
492
493 Binman takes a lot of inspiration from a Chrome OS tool called
494 'cros_bundle_firmware', which I wrote some years ago. That tool was based on
495 a reasonably simple and sound design but has expanded greatly over the
496 years. In particular its handling of x86 images is convoluted.
497
498 Quite a few lessons have been learned which are hopefully be applied here.
499
500
501 Design notes
502 ------------
503
504 On the face of it, a tool to create firmware images should be fairly simple:
505 just find all the input binaries and place them at the right place in the
506 image. The difficulty comes from the wide variety of input types (simple
507 flat binaries containing code, packaged data with various headers), packing
508 requirments (alignment, spacing, device boundaries) and other required
509 features such as hierarchical images.
510
511 The design challenge is to make it easy to create simple images, while
512 allowing the more complex cases to be supported. For example, for most
513 images we don't much care exactly where each binary ends up, so we should
514 not have to specify that unnecessarily.
515
516 New entry types should aim to provide simple usage where possible. If new
517 core features are needed, they can be added in the Entry base class.
518
519
520 To do
521 -----
522
523 Some ideas:
524 - Fill out the device tree to include the final position and size of each
525   entry (since the input file may not always specify these)
526 - Use of-platdata to make the information available to code that is unable
527   to use device tree (such as a very small SPL image)
528 - Write an image map to a text file
529 - Allow easy building of images by specifying just the board name
530 - Produce a full Python binding for libfdt (for upstream)
531 - Add an option to decode an image into the constituent binaries
532 - Suppoort hierarchical images (packing of binaries into another binary
533   which is then placed in the image)
534 - Support building an image for a board (-b) more completely, with a
535   configurable build directory
536 - Consider making binman work with buildman, although if it is used in the
537   Makefile, this will be automatic
538 - Implement align-end
539
540 --
541 Simon Glass <sjg@chromium.org>
542 7/7/2016