Merge branch 'master' of git://git.denx.de/u-boot
[platform/kernel/u-boot.git] / tools / binman / binman.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
2 .. Copyright (c) 2016 Google, Inc
3
4 Introduction
5 ============
6
7 Firmware often consists of several components which must be packaged together.
8 For example, we may have SPL, U-Boot, a device tree and an environment area
9 grouped together and placed in MMC flash. When the system starts, it must be
10 able to find these pieces.
11
12 Building firmware should be separate from packaging it. Many of the complexities
13 of modern firmware build systems come from trying to do both at once. With
14 binman, you build all the pieces that are needed, using whatever assortment of
15 projects and build systems are needed, then use binman to stitch everything
16 together.
17
18
19 What it does
20 ------------
21
22 Binman reads your board's device tree and finds a node which describes the
23 required image layout. It uses this to work out what to place where.
24
25 Binman provides a mechanism for building images, from simple SPL + U-Boot
26 combinations, to more complex arrangements with many parts. It also allows
27 users to inspect images, extract and replace binaries within them, repacking if
28 needed.
29
30
31 Features
32 --------
33
34 Apart from basic padding, alignment and positioning features, Binman supports
35 hierarchical images, compression, hashing and dealing with the binary blobs
36 which are a sad trend in open-source firmware at present.
37
38 Executable binaries can access the location of other binaries in an image by
39 using special linker symbols (zero-overhead but somewhat limited) or by reading
40 the devicetree description of the image.
41
42 Binman is designed primarily for use with U-Boot and associated binaries such
43 as ARM Trusted Firmware, but it is suitable for use with other projects, such
44 as Zephyr. Binman also provides facilities useful in Chromium OS, such as CBFS,
45 vblocks and and the like.
46
47 Binman provides a way to process binaries before they are included, by adding a
48 Python plug-in.
49
50 Binman is intended for use with U-Boot but is designed to be general enough
51 to be useful in other image-packaging situations.
52
53
54 Motivation
55 ----------
56
57 As mentioned above, packaging of firmware is quite a different task from
58 building the various parts. In many cases the various binaries which go into
59 the image come from separate build systems. For example, ARM Trusted Firmware
60 is used on ARMv8 devices but is not built in the U-Boot tree. If a Linux kernel
61 is included in the firmware image, it is built elsewhere.
62
63 It is of course possible to add more and more build rules to the U-Boot
64 build system to cover these cases. It can shell out to other Makefiles and
65 build scripts. But it seems better to create a clear divide between building
66 software and packaging it.
67
68 At present this is handled by manual instructions, different for each board,
69 on how to create images that will boot. By turning these instructions into a
70 standard format, we can support making valid images for any board without
71 manual effort, lots of READMEs, etc.
72
73 Benefits:
74
75   - Each binary can have its own build system and tool chain without creating
76     any dependencies between them
77   - Avoids the need for a single-shot build: individual parts can be updated
78     and brought in as needed
79   - Provides for a standard image description available in the build and at
80     run-time
81   - SoC-specific image-signing tools can be accommodated
82   - Avoids cluttering the U-Boot build system with image-building code
83   - The image description is automatically available at run-time in U-Boot,
84     SPL. It can be made available to other software also
85   - The image description is easily readable (it's a text file in device-tree
86     format) and permits flexible packing of binaries
87
88
89 Terminology
90 -----------
91
92 Binman uses the following terms:
93
94 - image - an output file containing a firmware image
95 - binary - an input binary that goes into the image
96
97
98 Relationship to FIT
99 -------------------
100
101 FIT is U-Boot's official image format. It supports multiple binaries with
102 load / execution addresses, compression. It also supports verification
103 through hashing and RSA signatures.
104
105 FIT was originally designed to support booting a Linux kernel (with an
106 optional ramdisk) and device tree chosen from various options in the FIT.
107 Now that U-Boot supports configuration via device tree, it is possible to
108 load U-Boot from a FIT, with the device tree chosen by SPL.
109
110 Binman considers FIT to be one of the binaries it can place in the image.
111
112 Where possible it is best to put as much as possible in the FIT, with binman
113 used to deal with cases not covered by FIT. Examples include initial
114 execution (since FIT itself does not have an executable header) and dealing
115 with device boundaries, such as the read-only/read-write separation in SPI
116 flash.
117
118 For U-Boot, binman should not be used to create ad-hoc images in place of
119 FIT.
120
121
122 Relationship to mkimage
123 -----------------------
124
125 The mkimage tool provides a means to create a FIT. Traditionally it has
126 needed an image description file: a device tree, like binman, but in a
127 different format. More recently it has started to support a '-f auto' mode
128 which can generate that automatically.
129
130 More relevant to binman, mkimage also permits creation of many SoC-specific
131 image types. These can be listed by running 'mkimage -T list'. Examples
132 include 'rksd', the Rockchip SD/MMC boot format. The mkimage tool is often
133 called from the U-Boot build system for this reason.
134
135 Binman considers the output files created by mkimage to be binary blobs
136 which it can place in an image. Binman does not replace the mkimage tool or
137 this purpose. It would be possible in some situations to create a new entry
138 type for the images in mkimage, but this would not add functionality. It
139 seems better to use the mkimage tool to generate binaries and avoid blurring
140 the boundaries between building input files (mkimage) and packaging then
141 into a final image (binman).
142
143
144 Using binman
145 ============
146
147 Example use of binman in U-Boot
148 -------------------------------
149
150 Binman aims to replace some of the ad-hoc image creation in the U-Boot
151 build system.
152
153 Consider sunxi. It has the following steps:
154
155   #. It uses a custom mksunxiboot tool to build an SPL image called
156      sunxi-spl.bin. This should probably move into mkimage.
157
158   #. It uses mkimage to package U-Boot into a legacy image file (so that it can
159      hold the load and execution address) called u-boot.img.
160
161   #. It builds a final output image called u-boot-sunxi-with-spl.bin which
162      consists of sunxi-spl.bin, some padding and u-boot.img.
163
164 Binman is intended to replace the last step. The U-Boot build system builds
165 u-boot.bin and sunxi-spl.bin. Binman can then take over creation of
166 sunxi-spl.bin (by calling mksunxiboot, or hopefully one day mkimage). In any
167 case, it would then create the image from the component parts.
168
169 This simplifies the U-Boot Makefile somewhat, since various pieces of logic
170 can be replaced by a call to binman.
171
172
173 Example use of binman for x86
174 -----------------------------
175
176 In most cases x86 images have a lot of binary blobs, 'black-box' code
177 provided by Intel which must be run for the platform to work. Typically
178 these blobs are not relocatable and must be placed at fixed areas in the
179 firmware image.
180
181 Currently this is handled by ifdtool, which places microcode, FSP, MRC, VGA
182 BIOS, reference code and Intel ME binaries into a u-boot.rom file.
183
184 Binman is intended to replace all of this, with ifdtool left to handle only
185 the configuration of the Intel-format descriptor.
186
187
188 Running binman
189 --------------
190
191 First install prerequisites, e.g::
192
193     sudo apt-get install python-pyelftools python3-pyelftools lzma-alone \
194         liblz4-tool
195
196 Type::
197
198     binman build -b <board_name>
199
200 to build an image for a board. The board name is the same name used when
201 configuring U-Boot (e.g. for sandbox_defconfig the board name is 'sandbox').
202 Binman assumes that the input files for the build are in ../b/<board_name>.
203
204 Or you can specify this explicitly::
205
206     binman build -I <build_path>
207
208 where <build_path> is the build directory containing the output of the U-Boot
209 build.
210
211 (Future work will make this more configurable)
212
213 In either case, binman picks up the device tree file (u-boot.dtb) and looks
214 for its instructions in the 'binman' node.
215
216 Binman has a few other options which you can see by running 'binman -h'.
217
218
219 Enabling binman for a board
220 ---------------------------
221
222 At present binman is invoked from a rule in the main Makefile. You should be
223 able to enable CONFIG_BINMAN to enable this rule.
224
225 The output file is typically named image.bin and is located in the output
226 directory. If input files are needed to you add these to INPUTS-y either in the
227 main Makefile or in a config.mk file in your arch subdirectory.
228
229 Once binman is executed it will pick up its instructions from a device-tree
230 file, typically <soc>-u-boot.dtsi, where <soc> is your CONFIG_SYS_SOC value.
231 You can use other, more specific CONFIG options - see 'Automatic .dtsi
232 inclusion' below.
233
234
235 Using binman with OF_BOARD
236 --------------------------------------------
237
238 Normally binman is used with a board configured with OF_SEPARATE or OF_EMBED.
239 This is a typical scenario where a device tree source that contains the binman
240 node is provided in the arch/<arch>/dts directory for a specific board.
241
242 However for a board configured with OF_BOARD, no device tree blob is provided
243 in the U-Boot build phase hence the binman node information is not available.
244 In order to support such use case, a new Kconfig option BINMAN_STANDALONE_FDT
245 is introduced, to tell the build system that a standalone device tree blob
246 containing binman node is explicitly required.
247
248 Note there is a Kconfig option BINMAN_FDT which enables U-Boot run time to
249 access information about binman entries, stored in the device tree in a binman
250 node. Generally speaking, this option makes sense for OF_SEPARATE or OF_EMBED.
251 For the other OF_CONTROL methods, it's quite possible binman node is not
252 available as binman is invoked during the build phase, thus this option is not
253 turned on by default for these OF_CONTROL methods.
254
255 Access to binman entry offsets at run time (symbols)
256 ----------------------------------------------------
257
258 Binman assembles images and determines where each entry is placed in the image.
259 This information may be useful to U-Boot at run time. For example, in SPL it
260 is useful to be able to find the location of U-Boot so that it can be executed
261 when SPL is finished.
262
263 Binman allows you to declare symbols in the SPL image which are filled in
264 with their correct values during the build. For example::
265
266     binman_sym_declare(ulong, u_boot_any, image_pos);
267
268 declares a ulong value which will be assigned to the image-pos of any U-Boot
269 image (u-boot.bin, u-boot.img, u-boot-nodtb.bin) that is present in the image.
270 You can access this value with something like::
271
272     ulong u_boot_offset = binman_sym(ulong, u_boot_any, image_pos);
273
274 Thus u_boot_offset will be set to the image-pos of U-Boot in memory, assuming
275 that the whole image has been loaded, or is available in flash. You can then
276 jump to that address to start U-Boot.
277
278 At present this feature is only supported in SPL and TPL. In principle it is
279 possible to fill in such symbols in U-Boot proper, as well, but a future C
280 library is planned for this instead, to read from the device tree.
281
282 As well as image-pos, it is possible to read the size of an entry and its
283 offset (which is the start position of the entry within its parent).
284
285 A small technical note: Binman automatically adds the base address of the image
286 (i.e. __image_copy_start) to the value of the image-pos symbol, so that when the
287 image is loaded to its linked address, the value will be correct and actually
288 point into the image.
289
290 For example, say SPL is at the start of the image and linked to start at address
291 80108000. If U-Boot's image-pos is 0x8000 then binman will write an image-pos
292 for U-Boot of 80110000 into the SPL binary, since it assumes the image is loaded
293 to 80108000, with SPL at 80108000 and U-Boot at 80110000.
294
295 For x86 devices (with the end-at-4gb property) this base address is not added
296 since it is assumed that images are XIP and the offsets already include the
297 address.
298
299
300 Access to binman entry offsets at run time (fdt)
301 ------------------------------------------------
302
303 Binman can update the U-Boot FDT to include the final position and size of
304 each entry in the images it processes. The option to enable this is -u and it
305 causes binman to make sure that the 'offset', 'image-pos' and 'size' properties
306 are set correctly for every entry. Since it is not necessary to specify these in
307 the image definition, binman calculates the final values and writes these to
308 the device tree. These can be used by U-Boot at run-time to find the location
309 of each entry.
310
311 Alternatively, an FDT map entry can be used to add a special FDT containing
312 just the information about the image. This is preceded by a magic string so can
313 be located anywhere in the image. An image header (typically at the start or end
314 of the image) can be used to point to the FDT map. See fdtmap and image-header
315 entries for more information.
316
317
318 Map files
319 ---------
320
321 The -m option causes binman to output a .map file for each image that it
322 generates. This shows the offset and size of each entry. For example::
323
324       Offset      Size  Name
325     00000000  00000028  main-section
326      00000000  00000010  section@0
327       00000000  00000004  u-boot
328      00000010  00000010  section@1
329       00000000  00000004  u-boot
330
331 This shows a hierarchical image with two sections, each with a single entry. The
332 offsets of the sections are absolute hex byte offsets within the image. The
333 offsets of the entries are relative to their respective sections. The size of
334 each entry is also shown, in bytes (hex). The indentation shows the entries
335 nested inside their sections.
336
337
338 Passing command-line arguments to entries
339 -----------------------------------------
340
341 Sometimes it is useful to pass binman the value of an entry property from the
342 command line. For example some entries need access to files and it is not
343 always convenient to put these filenames in the image definition (device tree).
344
345 The -a option supports this::
346
347     -a <prop>=<value>
348
349 where::
350
351     <prop> is the property to set
352     <value> is the value to set it to
353
354 Not all properties can be provided this way. Only some entries support it,
355 typically for filenames.
356
357
358 Image description format
359 ========================
360
361 The binman node is called 'binman'. An example image description is shown
362 below::
363
364     binman {
365         filename = "u-boot-sunxi-with-spl.bin";
366         pad-byte = <0xff>;
367         blob {
368             filename = "spl/sunxi-spl.bin";
369         };
370         u-boot {
371             offset = <CONFIG_SPL_PAD_TO>;
372         };
373     };
374
375
376 This requests binman to create an image file called u-boot-sunxi-with-spl.bin
377 consisting of a specially formatted SPL (spl/sunxi-spl.bin, built by the
378 normal U-Boot Makefile), some 0xff padding, and a U-Boot legacy image. The
379 padding comes from the fact that the second binary is placed at
380 CONFIG_SPL_PAD_TO. If that line were omitted then the U-Boot binary would
381 immediately follow the SPL binary.
382
383 The binman node describes an image. The sub-nodes describe entries in the
384 image. Each entry represents a region within the overall image. The name of
385 the entry (blob, u-boot) tells binman what to put there. For 'blob' we must
386 provide a filename. For 'u-boot', binman knows that this means 'u-boot.bin'.
387
388 Entries are normally placed into the image sequentially, one after the other.
389 The image size is the total size of all entries. As you can see, you can
390 specify the start offset of an entry using the 'offset' property.
391
392 Note that due to a device tree requirement, all entries must have a unique
393 name. If you want to put the same binary in the image multiple times, you can
394 use any unique name, with the 'type' property providing the type.
395
396 The attributes supported for entries are described below.
397
398 offset:
399     This sets the offset of an entry within the image or section containing
400     it. The first byte of the image is normally at offset 0. If 'offset' is
401     not provided, binman sets it to the end of the previous region, or the
402     start of the image's entry area (normally 0) if there is no previous
403     region.
404
405 align:
406     This sets the alignment of the entry. The entry offset is adjusted
407     so that the entry starts on an aligned boundary within the containing
408     section or image. For example 'align = <16>' means that the entry will
409     start on a 16-byte boundary. This may mean that padding is added before
410     the entry. The padding is part of the containing section but is not
411     included in the entry, meaning that an empty space may be created before
412     the entry starts. Alignment should be a power of 2. If 'align' is not
413     provided, no alignment is performed.
414
415 size:
416     This sets the size of the entry. The contents will be padded out to
417     this size. If this is not provided, it will be set to the size of the
418     contents.
419
420 pad-before:
421     Padding before the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
422     that the contents start at the beginning of the entry. This can be used
423     to offset the entry contents a little. While this does not affect the
424     contents of the entry within binman itself (the padding is performed
425     only when its parent section is assembled), the end result will be that
426     the entry starts with the padding bytes, so may grow. Defaults to 0.
427
428 pad-after:
429     Padding after the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
430     that the entry ends at the last byte of content (unless adjusted by
431     other properties). This allows room to be created in the image for
432     this entry to expand later. While this does not affect the contents of
433     the entry within binman itself (the padding is performed only when its
434     parent section is assembled), the end result will be that the entry ends
435     with the padding bytes, so may grow. Defaults to 0.
436
437 align-size:
438     This sets the alignment of the entry size. For example, to ensure
439     that the size of an entry is a multiple of 64 bytes, set this to 64.
440     While this does not affect the contents of the entry within binman
441     itself (the padding is performed only when its parent section is
442     assembled), the end result is that the entry ends with the padding
443     bytes, so may grow. If 'align-size' is not provided, no alignment is
444     performed.
445
446 align-end:
447     This sets the alignment of the end of an entry with respect to the
448     containing section. Some entries require that they end on an alignment
449     boundary, regardless of where they start. This does not move the start
450     of the entry, so the contents of the entry will still start at the
451     beginning. But there may be padding at the end. While this does not
452     affect the contents of the entry within binman itself (the padding is
453     performed only when its parent section is assembled), the end result
454     is that the entry ends with the padding bytes, so may grow.
455     If 'align-end' is not provided, no alignment is performed.
456
457 filename:
458     For 'blob' types this provides the filename containing the binary to
459     put into the entry. If binman knows about the entry type (like
460     u-boot-bin), then there is no need to specify this.
461
462 type:
463     Sets the type of an entry. This defaults to the entry name, but it is
464     possible to use any name, and then add (for example) 'type = "u-boot"'
465     to specify the type.
466
467 offset-unset:
468     Indicates that the offset of this entry should not be set by placing
469     it immediately after the entry before. Instead, is set by another
470     entry which knows where this entry should go. When this boolean
471     property is present, binman will give an error if another entry does
472     not set the offset (with the GetOffsets() method).
473
474 image-pos:
475     This cannot be set on entry (or at least it is ignored if it is), but
476     with the -u option, binman will set it to the absolute image position
477     for each entry. This makes it easy to find out exactly where the entry
478     ended up in the image, regardless of parent sections, etc.
479
480 expand-size:
481     Expand the size of this entry to fit available space. This space is only
482     limited by the size of the image/section and the position of the next
483     entry.
484
485 compress:
486     Sets the compression algortihm to use (for blobs only). See the entry
487     documentation for details.
488
489 missing-msg:
490     Sets the tag of the message to show if this entry is missing. This is
491     used for external blobs. When they are missing it is helpful to show
492     information about what needs to be fixed. See missing-blob-help for the
493     message for each tag.
494
495 no-expanded:
496     By default binman substitutes entries with expanded versions if available,
497     so that a `u-boot` entry type turns into `u-boot-expanded`, for example. The
498     `--no-expanded` command-line option disables this globally. The
499     `no-expanded` property disables this just for a single entry. Put the
500     `no-expanded` boolean property in the node to select this behaviour.
501
502 The attributes supported for images and sections are described below. Several
503 are similar to those for entries.
504
505 size:
506     Sets the image size in bytes, for example 'size = <0x100000>' for a
507     1MB image.
508
509 offset:
510     This is similar to 'offset' in entries, setting the offset of a section
511     within the image or section containing it. The first byte of the section
512     is normally at offset 0. If 'offset' is not provided, binman sets it to
513     the end of the previous region, or the start of the image's entry area
514     (normally 0) if there is no previous region.
515
516 align-size:
517     This sets the alignment of the image size. For example, to ensure
518     that the image ends on a 512-byte boundary, use 'align-size = <512>'.
519     If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
520
521 pad-before:
522     This sets the padding before the image entries. The first entry will
523     be positioned after the padding. This defaults to 0.
524
525 pad-after:
526     This sets the padding after the image entries. The padding will be
527     placed after the last entry. This defaults to 0.
528
529 pad-byte:
530     This specifies the pad byte to use when padding in the image. It
531     defaults to 0. To use 0xff, you would add 'pad-byte = <0xff>'.
532
533 filename:
534     This specifies the image filename. It defaults to 'image.bin'.
535
536 sort-by-offset:
537     This causes binman to reorder the entries as needed to make sure they
538     are in increasing positional order. This can be used when your entry
539     order may not match the positional order. A common situation is where
540     the 'offset' properties are set by CONFIG options, so their ordering is
541     not known a priori.
542
543     This is a boolean property so needs no value. To enable it, add a
544     line 'sort-by-offset;' to your description.
545
546 multiple-images:
547     Normally only a single image is generated. To create more than one
548     image, put this property in the binman node. For example, this will
549     create image1.bin containing u-boot.bin, and image2.bin containing
550     both spl/u-boot-spl.bin and u-boot.bin::
551
552         binman {
553             multiple-images;
554             image1 {
555                 u-boot {
556                 };
557             };
558
559             image2 {
560                 spl {
561                 };
562                 u-boot {
563                 };
564             };
565         };
566
567 end-at-4gb:
568     For x86 machines the ROM offsets start just before 4GB and extend
569     up so that the image finished at the 4GB boundary. This boolean
570     option can be enabled to support this. The image size must be
571     provided so that binman knows when the image should start. For an
572     8MB ROM, the offset of the first entry would be 0xfff80000 with
573     this option, instead of 0 without this option.
574
575 skip-at-start:
576     This property specifies the entry offset of the first entry.
577
578     For PowerPC mpc85xx based CPU, CONFIG_SYS_TEXT_BASE is the entry
579     offset of the first entry. It can be 0xeff40000 or 0xfff40000 for
580     nor flash boot, 0x201000 for sd boot etc.
581
582     'end-at-4gb' property is not applicable where CONFIG_SYS_TEXT_BASE +
583     Image size != 4gb.
584
585 align-default:
586     Specifies the default alignment for entries in this section, if they do
587     not specify an alignment. Note that this only applies to top-level entries
588     in the section (direct subentries), not any subentries of those entries.
589     This means that each section must specify its own default alignment, if
590     required.
591
592 Examples of the above options can be found in the tests. See the
593 tools/binman/test directory.
594
595 It is possible to have the same binary appear multiple times in the image,
596 either by using a unit number suffix (u-boot@0, u-boot@1) or by using a
597 different name for each and specifying the type with the 'type' attribute.
598
599
600 Sections and hierachical images
601 -------------------------------
602
603 Sometimes it is convenient to split an image into several pieces, each of which
604 contains its own set of binaries. An example is a flash device where part of
605 the image is read-only and part is read-write. We can set up sections for each
606 of these, and place binaries in them independently. The image is still produced
607 as a single output file.
608
609 This feature provides a way of creating hierarchical images. For example here
610 is an example image with two copies of U-Boot. One is read-only (ro), intended
611 to be written only in the factory. Another is read-write (rw), so that it can be
612 upgraded in the field. The sizes are fixed so that the ro/rw boundary is known
613 and can be programmed::
614
615     binman {
616         section@0 {
617             read-only;
618             name-prefix = "ro-";
619             size = <0x100000>;
620             u-boot {
621             };
622         };
623         section@1 {
624             name-prefix = "rw-";
625             size = <0x100000>;
626             u-boot {
627             };
628         };
629     };
630
631 This image could be placed into a SPI flash chip, with the protection boundary
632 set at 1MB.
633
634 A few special properties are provided for sections:
635
636 read-only:
637     Indicates that this section is read-only. This has no impact on binman's
638     operation, but his property can be read at run time.
639
640 name-prefix:
641     This string is prepended to all the names of the binaries in the
642     section. In the example above, the 'u-boot' binaries which actually be
643     renamed to 'ro-u-boot' and 'rw-u-boot'. This can be useful to
644     distinguish binaries with otherwise identical names.
645
646
647 Image Properties
648 ----------------
649
650 Image nodes act like sections but also have a few extra properties:
651
652 filename:
653     Output filename for the image. This defaults to image.bin (or in the
654     case of multiple images <nodename>.bin where <nodename> is the name of
655     the image node.
656
657 allow-repack:
658     Create an image that can be repacked. With this option it is possible
659     to change anything in the image after it is created, including updating
660     the position and size of image components. By default this is not
661     permitted since it is not possibly to know whether this might violate a
662     constraint in the image description. For example, if a section has to
663     increase in size to hold a larger binary, that might cause the section
664     to fall out of its allow region (e.g. read-only portion of flash).
665
666     Adding this property causes the original offset and size values in the
667     image description to be stored in the FDT and fdtmap.
668
669
670 Hashing Entries
671 ---------------
672
673 It is possible to ask binman to hash the contents of an entry and write that
674 value back to the device-tree node. For example::
675
676     binman {
677         u-boot {
678             hash {
679                 algo = "sha256";
680             };
681         };
682     };
683
684 Here, a new 'value' property will be written to the 'hash' node containing
685 the hash of the 'u-boot' entry. Only SHA256 is supported at present. Whole
686 sections can be hased if desired, by adding the 'hash' node to the section.
687
688 The has value can be chcked at runtime by hashing the data actually read and
689 comparing this has to the value in the device tree.
690
691
692 Expanded entries
693 ----------------
694
695 Binman automatically replaces 'u-boot' with an expanded version of that, i.e.
696 'u-boot-expanded'. This means that when you write::
697
698     u-boot {
699     };
700
701 you actually get::
702
703     u-boot {
704         type = "u-boot-expanded';
705     };
706
707 which in turn expands to::
708
709     u-boot {
710         type = "section";
711
712         u-boot-nodtb {
713         };
714
715         u-boot-dtb {
716         };
717     };
718
719 U-Boot's various phase binaries actually comprise two or three pieces.
720 For example, u-boot.bin has the executable followed by a devicetree.
721
722 With binman we want to be able to update that devicetree with full image
723 information so that it is accessible to the executable. This is tricky
724 if it is not clear where the devicetree starts.
725
726 The above feature ensures that the devicetree is clearly separated from the
727 U-Boot executable and can be updated separately by binman as needed. It can be
728 disabled with the --no-expanded flag if required.
729
730 The same applies for u-boot-spl and u-boot-spl. In those cases, the expansion
731 includes the BSS padding, so for example::
732
733     spl {
734         type = "u-boot-spl"
735     };
736
737 you actually get::
738
739     spl {
740         type = "u-boot-expanded';
741     };
742
743 which in turn expands to::
744
745     spl {
746         type = "section";
747
748         u-boot-spl-nodtb {
749         };
750
751         u-boot-spl-bss-pad {
752         };
753
754         u-boot-spl-dtb {
755         };
756     };
757
758 Of course we should not expand SPL if it has no devicetree. Also if the BSS
759 padding is not needed (because BSS is in RAM as with CONFIG_SPL_SEPARATE_BSS),
760 the 'u-boot-spl-bss-pad' subnode should not be created. The use of the expaned
761 entry type is controlled by the UseExpanded() method. In the SPL case it checks
762 the 'spl-dtb' entry arg, which is 'y' or '1' if SPL has a devicetree.
763
764 For the BSS case, a 'spl-bss-pad' entry arg controls whether it is present. All
765 entry args are provided by the U-Boot Makefile.
766
767
768 Compression
769 -----------
770
771 Binman support compression for 'blob' entries (those of type 'blob' and
772 derivatives). To enable this for an entry, add a 'compress' property::
773
774     blob {
775         filename = "datafile";
776         compress = "lz4";
777     };
778
779 The entry will then contain the compressed data, using the 'lz4' compression
780 algorithm. Currently this is the only one that is supported. The uncompressed
781 size is written to the node in an 'uncomp-size' property, if -u is used.
782
783 Compression is also supported for sections. In that case the entire section is
784 compressed in one block, including all its contents. This means that accessing
785 an entry from the section required decompressing the entire section. Also, the
786 size of a section indicates the space that it consumes in its parent section
787 (and typically the image). With compression, the section may contain more data,
788 and the uncomp-size property indicates that, as above. The contents of the
789 section is compressed first, before any padding is added. This ensures that the
790 padding itself is not compressed, which would be a waste of time.
791
792
793 Automatic .dtsi inclusion
794 -------------------------
795
796 It is sometimes inconvenient to add a 'binman' node to the .dts file for each
797 board. This can be done by using #include to bring in a common file. Another
798 approach supported by the U-Boot build system is to automatically include
799 a common header. You can then put the binman node (and anything else that is
800 specific to U-Boot, such as u-boot,dm-pre-reloc properies) in that header
801 file.
802
803 Binman will search for the following files in arch/<arch>/dts::
804
805    <dts>-u-boot.dtsi where <dts> is the base name of the .dts file
806    <CONFIG_SYS_SOC>-u-boot.dtsi
807    <CONFIG_SYS_CPU>-u-boot.dtsi
808    <CONFIG_SYS_VENDOR>-u-boot.dtsi
809    u-boot.dtsi
810
811 U-Boot will only use the first one that it finds. If you need to include a
812 more general file you can do that from the more specific file using #include.
813 If you are having trouble figuring out what is going on, you can uncomment
814 the 'warning' line in scripts/Makefile.lib to see what it has found::
815
816    # Uncomment for debugging
817    # This shows all the files that were considered and the one that we chose.
818    # u_boot_dtsi_options_debug = $(u_boot_dtsi_options_raw)
819
820
821 Entry Documentation
822 ===================
823
824 For details on the various entry types supported by binman and how to use them,
825 see entries.rst which is generated from the source code using:
826
827     binman entry-docs >tools/binman/entries.rst
828
829 .. toctree::
830    :maxdepth: 2
831
832    entries
833
834
835 Managing images
836 ===============
837
838 Listing images
839 --------------
840
841 It is possible to list the entries in an existing firmware image created by
842 binman, provided that there is an 'fdtmap' entry in the image. For example::
843
844     $ binman ls -i image.bin
845     Name              Image-pos  Size  Entry-type    Offset  Uncomp-size
846     ----------------------------------------------------------------------
847     main-section                  c00  section            0
848       u-boot                  0     4  u-boot             0
849       section                     5fc  section            4
850         cbfs                100   400  cbfs               0
851           u-boot            138     4  u-boot            38
852           u-boot-dtb        180   108  u-boot-dtb        80          3b5
853         u-boot-dtb          500   1ff  u-boot-dtb       400          3b5
854       fdtmap                6fc   381  fdtmap           6fc
855       image-header          bf8     8  image-header     bf8
856
857 This shows the hierarchy of the image, the position, size and type of each
858 entry, the offset of each entry within its parent and the uncompressed size if
859 the entry is compressed.
860
861 It is also possible to list just some files in an image, e.g.::
862
863     $ binman ls -i image.bin section/cbfs
864     Name              Image-pos  Size  Entry-type  Offset  Uncomp-size
865     --------------------------------------------------------------------
866         cbfs                100   400  cbfs             0
867           u-boot            138     4  u-boot          38
868           u-boot-dtb        180   108  u-boot-dtb      80          3b5
869
870 or with wildcards::
871
872     $ binman ls -i image.bin "*cb*" "*head*"
873     Name              Image-pos  Size  Entry-type    Offset  Uncomp-size
874     ----------------------------------------------------------------------
875         cbfs                100   400  cbfs               0
876           u-boot            138     4  u-boot            38
877           u-boot-dtb        180   108  u-boot-dtb        80          3b5
878       image-header          bf8     8  image-header     bf8
879
880
881 Extracting files from images
882 ----------------------------
883
884 You can extract files from an existing firmware image created by binman,
885 provided that there is an 'fdtmap' entry in the image. For example::
886
887     $ binman extract -i image.bin section/cbfs/u-boot
888
889 which will write the uncompressed contents of that entry to the file 'u-boot' in
890 the current directory. You can also extract to a particular file, in this case
891 u-boot.bin::
892
893     $ binman extract -i image.bin section/cbfs/u-boot -f u-boot.bin
894
895 It is possible to extract all files into a destination directory, which will
896 put files in subdirectories matching the entry hierarchy::
897
898     $ binman extract -i image.bin -O outdir
899
900 or just a selection::
901
902     $ binman extract -i image.bin "*u-boot*" -O outdir
903
904
905 Replacing files in an image
906 ---------------------------
907
908 You can replace files in an existing firmware image created by binman, provided
909 that there is an 'fdtmap' entry in the image. For example:
910
911     $ binman replace -i image.bin section/cbfs/u-boot
912
913 which will write the contents of the file 'u-boot' from the current directory
914 to the that entry, compressing if necessary. If the entry size changes, you must
915 add the 'allow-repack' property to the original image before generating it (see
916 above), otherwise you will get an error.
917
918 You can also use a particular file, in this case u-boot.bin::
919
920     $ binman replace -i image.bin section/cbfs/u-boot -f u-boot.bin
921
922 It is possible to replace all files from a source directory which uses the same
923 hierarchy as the entries::
924
925     $ binman replace -i image.bin -I indir
926
927 Files that are missing will generate a warning.
928
929 You can also replace just a selection of entries::
930
931     $ binman replace -i image.bin "*u-boot*" -I indir
932
933
934 Logging
935 -------
936
937 Binman normally operates silently unless there is an error, in which case it
938 just displays the error. The -D/--debug option can be used to create a full
939 backtrace when errors occur. You can use BINMAN_DEBUG=1 when building to select
940 this.
941
942 Internally binman logs some output while it is running. This can be displayed
943 by increasing the -v/--verbosity from the default of 1:
944
945    0: silent
946    1: warnings only
947    2: notices (important messages)
948    3: info about major operations
949    4: detailed information about each operation
950    5: debug (all output)
951
952 You can use BINMAN_VERBOSE=5 (for example) when building to select this.
953
954
955 Technical details
956 =================
957
958 Order of image creation
959 -----------------------
960
961 Image creation proceeds in the following order, for each entry in the image.
962
963 1. AddMissingProperties() - binman can add calculated values to the device
964 tree as part of its processing, for example the offset and size of each
965 entry. This method adds any properties associated with this, expanding the
966 device tree as needed. These properties can have placeholder values which are
967 set later by SetCalculatedProperties(). By that stage the size of sections
968 cannot be changed (since it would cause the images to need to be repacked),
969 but the correct values can be inserted.
970
971 2. ProcessFdt() - process the device tree information as required by the
972 particular entry. This may involve adding or deleting properties. If the
973 processing is complete, this method should return True. If the processing
974 cannot complete because it needs the ProcessFdt() method of another entry to
975 run first, this method should return False, in which case it will be called
976 again later.
977
978 3. GetEntryContents() - the contents of each entry are obtained, normally by
979 reading from a file. This calls the Entry.ObtainContents() to read the
980 contents. The default version of Entry.ObtainContents() calls
981 Entry.GetDefaultFilename() and then reads that file. So a common mechanism
982 to select a file to read is to override that function in the subclass. The
983 functions must return True when they have read the contents. Binman will
984 retry calling the functions a few times if False is returned, allowing
985 dependencies between the contents of different entries.
986
987 4. GetEntryOffsets() - calls Entry.GetOffsets() for each entry. This can
988 return a dict containing entries that need updating. The key should be the
989 entry name and the value is a tuple (offset, size). This allows an entry to
990 provide the offset and size for other entries. The default implementation
991 of GetEntryOffsets() returns {}.
992
993 5. PackEntries() - calls Entry.Pack() which figures out the offset and
994 size of an entry. The 'current' image offset is passed in, and the function
995 returns the offset immediately after the entry being packed. The default
996 implementation of Pack() is usually sufficient.
997
998 Note: for sections, this also checks that the entries do not overlap, nor extend
999 outside the section. If the section does not have a defined size, the size is
1000 set large enough to hold all the entries.
1001
1002 6. SetImagePos() - sets the image position of every entry. This is the absolute
1003 position 'image-pos', as opposed to 'offset' which is relative to the containing
1004 section. This must be done after all offsets are known, which is why it is quite
1005 late in the ordering.
1006
1007 7. SetCalculatedProperties() - update any calculated properties in the device
1008 tree. This sets the correct 'offset' and 'size' vaues, for example.
1009
1010 8. ProcessEntryContents() - this calls Entry.ProcessContents() on each entry.
1011 The default implementatoin does nothing. This can be overriden to adjust the
1012 contents of an entry in some way. For example, it would be possible to create
1013 an entry containing a hash of the contents of some other entries. At this
1014 stage the offset and size of entries should not be adjusted unless absolutely
1015 necessary, since it requires a repack (going back to PackEntries()).
1016
1017 9. ResetForPack() - if the ProcessEntryContents() step failed, in that an entry
1018 has changed its size, then there is no alternative but to go back to step 5 and
1019 try again, repacking the entries with the updated size. ResetForPack() removes
1020 the fixed offset/size values added by binman, so that the packing can start from
1021 scratch.
1022
1023 10. WriteSymbols() - write the value of symbols into the U-Boot SPL binary.
1024 See 'Access to binman entry offsets at run time' below for a description of
1025 what happens in this stage.
1026
1027 11. BuildImage() - builds the image and writes it to a file
1028
1029 12. WriteMap() - writes a text file containing a map of the image. This is the
1030 final step.
1031
1032
1033 External tools
1034 --------------
1035
1036 Binman can make use of external command-line tools to handle processing of
1037 entry contents or to generate entry contents. These tools are executed using
1038 the 'tools' module's Run() method. The tools generally must exist on the PATH,
1039 but the --toolpath option can be used to specify additional search paths to
1040 use. This option can be specified multiple times to add more than one path.
1041
1042 For some compile tools binman will use the versions specified by commonly-used
1043 environment variables like CC and HOSTCC for the C compiler, based on whether
1044 the tool's output will be used for the target or for the host machine. If those
1045 aren't given, it will also try to derive target-specific versions from the
1046 CROSS_COMPILE environment variable during a cross-compilation.
1047
1048
1049 Code coverage
1050 -------------
1051
1052 Binman is a critical tool and is designed to be very testable. Entry
1053 implementations target 100% test coverage. Run 'binman test -T' to check this.
1054
1055 To enable Python test coverage on Debian-type distributions (e.g. Ubuntu)::
1056
1057    $ sudo apt-get install python-coverage python3-coverage python-pytest
1058
1059
1060 Concurrent tests
1061 ----------------
1062
1063 Binman tries to run tests concurrently. This means that the tests make use of
1064 all available CPUs to run.
1065
1066  To enable this::
1067
1068    $ sudo apt-get install python-subunit python3-subunit
1069
1070 Use '-P 1' to disable this. It is automatically disabled when code coverage is
1071 being used (-T) since they are incompatible.
1072
1073
1074 Debugging tests
1075 ---------------
1076
1077 Sometimes when debugging tests it is useful to keep the input and output
1078 directories so they can be examined later. Use -X or --test-preserve-dirs for
1079 this.
1080
1081
1082 Running tests on non-x86 architectures
1083 --------------------------------------
1084
1085 Binman's tests have been written under the assumption that they'll be run on a
1086 x86-like host and there hasn't been an attempt to make them portable yet.
1087 However, it's possible to run the tests by cross-compiling to x86.
1088
1089 To install an x86 cross-compiler on Debian-type distributions (e.g. Ubuntu)::
1090
1091   $ sudo apt-get install gcc-x86-64-linux-gnu
1092
1093 Then, you can run the tests under cross-compilation::
1094
1095   $ CROSS_COMPILE=x86_64-linux-gnu- binman test -T
1096
1097 You can also use gcc-i686-linux-gnu similar to the above.
1098
1099
1100 Writing new entries and debugging
1101 ---------------------------------
1102
1103 The behaviour of entries is defined by the Entry class. All other entries are
1104 a subclass of this. An important subclass is Entry_blob which takes binary
1105 data from a file and places it in the entry. In fact most entry types are
1106 subclasses of Entry_blob.
1107
1108 Each entry type is a separate file in the tools/binman/etype directory. Each
1109 file contains a class called Entry_<type> where <type> is the entry type.
1110 New entry types can be supported by adding new files in that directory.
1111 These will automatically be detected by binman when needed.
1112
1113 Entry properties are documented in entry.py. The entry subclasses are free
1114 to change the values of properties to support special behaviour. For example,
1115 when Entry_blob loads a file, it sets content_size to the size of the file.
1116 Entry classes can adjust other entries. For example, an entry that knows
1117 where other entries should be positioned can set up those entries' offsets
1118 so they don't need to be set in the binman decription. It can also adjust
1119 entry contents.
1120
1121 Most of the time such essoteric behaviour is not needed, but it can be
1122 essential for complex images.
1123
1124 If you need to specify a particular device-tree compiler to use, you can define
1125 the DTC environment variable. This can be useful when the system dtc is too
1126 old.
1127
1128 To enable a full backtrace and other debugging features in binman, pass
1129 BINMAN_DEBUG=1 to your build::
1130
1131    make qemu-x86_defconfig
1132    make BINMAN_DEBUG=1
1133
1134 To enable verbose logging from binman, base BINMAN_VERBOSE to your build, which
1135 adds a -v<level> option to the call to binman::
1136
1137    make qemu-x86_defconfig
1138    make BINMAN_VERBOSE=5
1139
1140
1141 Building sections in parallel
1142 -----------------------------
1143
1144 By default binman uses multiprocessing to speed up compilation of large images.
1145 This works at a section level, with one thread for each entry in the section.
1146 This can speed things up if the entries are large and use compression.
1147
1148 This feature can be disabled with the '-T' flag, which defaults to a suitable
1149 value for your machine. This depends on the Python version, e.g on v3.8 it uses
1150 12 threads on an 8-core machine. See ConcurrentFutures_ for more details.
1151
1152 The special value -T0 selects single-threaded mode, useful for debugging during
1153 development, since dealing with exceptions and problems in threads is more
1154 difficult. This avoids any use of ThreadPoolExecutor.
1155
1156
1157 History / Credits
1158 -----------------
1159
1160 Binman takes a lot of inspiration from a Chrome OS tool called
1161 'cros_bundle_firmware', which I wrote some years ago. That tool was based on
1162 a reasonably simple and sound design but has expanded greatly over the
1163 years. In particular its handling of x86 images is convoluted.
1164
1165 Quite a few lessons have been learned which are hopefully applied here.
1166
1167
1168 Design notes
1169 ------------
1170
1171 On the face of it, a tool to create firmware images should be fairly simple:
1172 just find all the input binaries and place them at the right place in the
1173 image. The difficulty comes from the wide variety of input types (simple
1174 flat binaries containing code, packaged data with various headers), packing
1175 requirments (alignment, spacing, device boundaries) and other required
1176 features such as hierarchical images.
1177
1178 The design challenge is to make it easy to create simple images, while
1179 allowing the more complex cases to be supported. For example, for most
1180 images we don't much care exactly where each binary ends up, so we should
1181 not have to specify that unnecessarily.
1182
1183 New entry types should aim to provide simple usage where possible. If new
1184 core features are needed, they can be added in the Entry base class.
1185
1186
1187 To do
1188 -----
1189
1190 Some ideas:
1191
1192 - Use of-platdata to make the information available to code that is unable
1193   to use device tree (such as a very small SPL image). For now, limited info is
1194   available via linker symbols
1195 - Allow easy building of images by specifying just the board name
1196 - Support building an image for a board (-b) more completely, with a
1197   configurable build directory
1198 - Detect invalid properties in nodes
1199 - Sort the fdtmap by offset
1200 - Output temporary files to a different directory
1201
1202 --
1203 Simon Glass <sjg@chromium.org>
1204 7/7/2016
1205
1206 .. _ConcurrentFutures: https://docs.python.org/3/library/concurrent.futures.html#concurrent.futures.ThreadPoolExecutor