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[platform/kernel/u-boot.git] / tools / binman / binman.rst
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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 Access to binman entry offsets at run time (symbols)
236 ----------------------------------------------------
237
238 Binman assembles images and determines where each entry is placed in the image.
239 This information may be useful to U-Boot at run time. For example, in SPL it
240 is useful to be able to find the location of U-Boot so that it can be executed
241 when SPL is finished.
242
243 Binman allows you to declare symbols in the SPL image which are filled in
244 with their correct values during the build. For example::
245
246     binman_sym_declare(ulong, u_boot_any, image_pos);
247
248 declares a ulong value which will be assigned to the image-pos of any U-Boot
249 image (u-boot.bin, u-boot.img, u-boot-nodtb.bin) that is present in the image.
250 You can access this value with something like::
251
252     ulong u_boot_offset = binman_sym(ulong, u_boot_any, image_pos);
253
254 Thus u_boot_offset will be set to the image-pos of U-Boot in memory, assuming
255 that the whole image has been loaded, or is available in flash. You can then
256 jump to that address to start U-Boot.
257
258 At present this feature is only supported in SPL and TPL. In principle it is
259 possible to fill in such symbols in U-Boot proper, as well, but a future C
260 library is planned for this instead, to read from the device tree.
261
262 As well as image-pos, it is possible to read the size of an entry and its
263 offset (which is the start position of the entry within its parent).
264
265 A small technical note: Binman automatically adds the base address of the image
266 (i.e. __image_copy_start) to the value of the image-pos symbol, so that when the
267 image is loaded to its linked address, the value will be correct and actually
268 point into the image.
269
270 For example, say SPL is at the start of the image and linked to start at address
271 80108000. If U-Boot's image-pos is 0x8000 then binman will write an image-pos
272 for U-Boot of 80110000 into the SPL binary, since it assumes the image is loaded
273 to 80108000, with SPL at 80108000 and U-Boot at 80110000.
274
275 For x86 devices (with the end-at-4gb property) this base address is not added
276 since it is assumed that images are XIP and the offsets already include the
277 address.
278
279
280 Access to binman entry offsets at run time (fdt)
281 ------------------------------------------------
282
283 Binman can update the U-Boot FDT to include the final position and size of
284 each entry in the images it processes. The option to enable this is -u and it
285 causes binman to make sure that the 'offset', 'image-pos' and 'size' properties
286 are set correctly for every entry. Since it is not necessary to specify these in
287 the image definition, binman calculates the final values and writes these to
288 the device tree. These can be used by U-Boot at run-time to find the location
289 of each entry.
290
291 Alternatively, an FDT map entry can be used to add a special FDT containing
292 just the information about the image. This is preceded by a magic string so can
293 be located anywhere in the image. An image header (typically at the start or end
294 of the image) can be used to point to the FDT map. See fdtmap and image-header
295 entries for more information.
296
297
298 Map files
299 ---------
300
301 The -m option causes binman to output a .map file for each image that it
302 generates. This shows the offset and size of each entry. For example::
303
304       Offset      Size  Name
305     00000000  00000028  main-section
306      00000000  00000010  section@0
307       00000000  00000004  u-boot
308      00000010  00000010  section@1
309       00000000  00000004  u-boot
310
311 This shows a hierarchical image with two sections, each with a single entry. The
312 offsets of the sections are absolute hex byte offsets within the image. The
313 offsets of the entries are relative to their respective sections. The size of
314 each entry is also shown, in bytes (hex). The indentation shows the entries
315 nested inside their sections.
316
317
318 Passing command-line arguments to entries
319 -----------------------------------------
320
321 Sometimes it is useful to pass binman the value of an entry property from the
322 command line. For example some entries need access to files and it is not
323 always convenient to put these filenames in the image definition (device tree).
324
325 The -a option supports this::
326
327     -a <prop>=<value>
328
329 where::
330
331     <prop> is the property to set
332     <value> is the value to set it to
333
334 Not all properties can be provided this way. Only some entries support it,
335 typically for filenames.
336
337
338 Image description format
339 ========================
340
341 The binman node is called 'binman'. An example image description is shown
342 below::
343
344     binman {
345         filename = "u-boot-sunxi-with-spl.bin";
346         pad-byte = <0xff>;
347         blob {
348             filename = "spl/sunxi-spl.bin";
349         };
350         u-boot {
351             offset = <CONFIG_SPL_PAD_TO>;
352         };
353     };
354
355
356 This requests binman to create an image file called u-boot-sunxi-with-spl.bin
357 consisting of a specially formatted SPL (spl/sunxi-spl.bin, built by the
358 normal U-Boot Makefile), some 0xff padding, and a U-Boot legacy image. The
359 padding comes from the fact that the second binary is placed at
360 CONFIG_SPL_PAD_TO. If that line were omitted then the U-Boot binary would
361 immediately follow the SPL binary.
362
363 The binman node describes an image. The sub-nodes describe entries in the
364 image. Each entry represents a region within the overall image. The name of
365 the entry (blob, u-boot) tells binman what to put there. For 'blob' we must
366 provide a filename. For 'u-boot', binman knows that this means 'u-boot.bin'.
367
368 Entries are normally placed into the image sequentially, one after the other.
369 The image size is the total size of all entries. As you can see, you can
370 specify the start offset of an entry using the 'offset' property.
371
372 Note that due to a device tree requirement, all entries must have a unique
373 name. If you want to put the same binary in the image multiple times, you can
374 use any unique name, with the 'type' property providing the type.
375
376 The attributes supported for entries are described below.
377
378 offset:
379     This sets the offset of an entry within the image or section containing
380     it. The first byte of the image is normally at offset 0. If 'offset' is
381     not provided, binman sets it to the end of the previous region, or the
382     start of the image's entry area (normally 0) if there is no previous
383     region.
384
385 align:
386     This sets the alignment of the entry. The entry offset is adjusted
387     so that the entry starts on an aligned boundary within the containing
388     section or image. For example 'align = <16>' means that the entry will
389     start on a 16-byte boundary. This may mean that padding is added before
390     the entry. The padding is part of the containing section but is not
391     included in the entry, meaning that an empty space may be created before
392     the entry starts. Alignment should be a power of 2. If 'align' is not
393     provided, no alignment is performed.
394
395 size:
396     This sets the size of the entry. The contents will be padded out to
397     this size. If this is not provided, it will be set to the size of the
398     contents.
399
400 pad-before:
401     Padding before the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
402     that the contents start at the beginning of the entry. This can be used
403     to offset the entry contents a little. While this does not affect the
404     contents of the entry within binman itself (the padding is performed
405     only when its parent section is assembled), the end result will be that
406     the entry starts with the padding bytes, so may grow. Defaults to 0.
407
408 pad-after:
409     Padding after the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
410     that the entry ends at the last byte of content (unless adjusted by
411     other properties). This allows room to be created in the image for
412     this entry to expand later. While this does not affect the contents of
413     the entry within binman itself (the padding is performed only when its
414     parent section is assembled), the end result will be that the entry ends
415     with the padding bytes, so may grow. Defaults to 0.
416
417 align-size:
418     This sets the alignment of the entry size. For example, to ensure
419     that the size of an entry is a multiple of 64 bytes, set this to 64.
420     While this does not affect the contents of the entry within binman
421     itself (the padding is performed only when its parent section is
422     assembled), the end result is that the entry ends with the padding
423     bytes, so may grow. If 'align-size' is not provided, no alignment is
424     performed.
425
426 align-end:
427     This sets the alignment of the end of an entry with respect to the
428     containing section. Some entries require that they end on an alignment
429     boundary, regardless of where they start. This does not move the start
430     of the entry, so the contents of the entry will still start at the
431     beginning. But there may be padding at the end. While this does not
432     affect the contents of the entry within binman itself (the padding is
433     performed only when its parent section is assembled), the end result
434     is that the entry ends with the padding bytes, so may grow.
435     If 'align-end' is not provided, no alignment is performed.
436
437 filename:
438     For 'blob' types this provides the filename containing the binary to
439     put into the entry. If binman knows about the entry type (like
440     u-boot-bin), then there is no need to specify this.
441
442 type:
443     Sets the type of an entry. This defaults to the entry name, but it is
444     possible to use any name, and then add (for example) 'type = "u-boot"'
445     to specify the type.
446
447 offset-unset:
448     Indicates that the offset of this entry should not be set by placing
449     it immediately after the entry before. Instead, is set by another
450     entry which knows where this entry should go. When this boolean
451     property is present, binman will give an error if another entry does
452     not set the offset (with the GetOffsets() method).
453
454 image-pos:
455     This cannot be set on entry (or at least it is ignored if it is), but
456     with the -u option, binman will set it to the absolute image position
457     for each entry. This makes it easy to find out exactly where the entry
458     ended up in the image, regardless of parent sections, etc.
459
460 expand-size:
461     Expand the size of this entry to fit available space. This space is only
462     limited by the size of the image/section and the position of the next
463     entry.
464
465 compress:
466     Sets the compression algortihm to use (for blobs only). See the entry
467     documentation for details.
468
469 missing-msg:
470     Sets the tag of the message to show if this entry is missing. This is
471     used for external blobs. When they are missing it is helpful to show
472     information about what needs to be fixed. See missing-blob-help for the
473     message for each tag.
474
475 no-expanded:
476     By default binman substitutes entries with expanded versions if available,
477     so that a `u-boot` entry type turns into `u-boot-expanded`, for example. The
478     `--no-expanded` command-line option disables this globally. The
479     `no-expanded` property disables this just for a single entry. Put the
480     `no-expanded` boolean property in the node to select this behaviour.
481
482 The attributes supported for images and sections are described below. Several
483 are similar to those for entries.
484
485 size:
486     Sets the image size in bytes, for example 'size = <0x100000>' for a
487     1MB image.
488
489 offset:
490     This is similar to 'offset' in entries, setting the offset of a section
491     within the image or section containing it. The first byte of the section
492     is normally at offset 0. If 'offset' is not provided, binman sets it to
493     the end of the previous region, or the start of the image's entry area
494     (normally 0) if there is no previous region.
495
496 align-size:
497     This sets the alignment of the image size. For example, to ensure
498     that the image ends on a 512-byte boundary, use 'align-size = <512>'.
499     If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
500
501 pad-before:
502     This sets the padding before the image entries. The first entry will
503     be positioned after the padding. This defaults to 0.
504
505 pad-after:
506     This sets the padding after the image entries. The padding will be
507     placed after the last entry. This defaults to 0.
508
509 pad-byte:
510     This specifies the pad byte to use when padding in the image. It
511     defaults to 0. To use 0xff, you would add 'pad-byte = <0xff>'.
512
513 filename:
514     This specifies the image filename. It defaults to 'image.bin'.
515
516 sort-by-offset:
517     This causes binman to reorder the entries as needed to make sure they
518     are in increasing positional order. This can be used when your entry
519     order may not match the positional order. A common situation is where
520     the 'offset' properties are set by CONFIG options, so their ordering is
521     not known a priori.
522
523     This is a boolean property so needs no value. To enable it, add a
524     line 'sort-by-offset;' to your description.
525
526 multiple-images:
527     Normally only a single image is generated. To create more than one
528     image, put this property in the binman node. For example, this will
529     create image1.bin containing u-boot.bin, and image2.bin containing
530     both spl/u-boot-spl.bin and u-boot.bin::
531
532         binman {
533             multiple-images;
534             image1 {
535                 u-boot {
536                 };
537             };
538
539             image2 {
540                 spl {
541                 };
542                 u-boot {
543                 };
544             };
545         };
546
547 end-at-4gb:
548     For x86 machines the ROM offsets start just before 4GB and extend
549     up so that the image finished at the 4GB boundary. This boolean
550     option can be enabled to support this. The image size must be
551     provided so that binman knows when the image should start. For an
552     8MB ROM, the offset of the first entry would be 0xfff80000 with
553     this option, instead of 0 without this option.
554
555 skip-at-start:
556     This property specifies the entry offset of the first entry.
557
558     For PowerPC mpc85xx based CPU, CONFIG_SYS_TEXT_BASE is the entry
559     offset of the first entry. It can be 0xeff40000 or 0xfff40000 for
560     nor flash boot, 0x201000 for sd boot etc.
561
562     'end-at-4gb' property is not applicable where CONFIG_SYS_TEXT_BASE +
563     Image size != 4gb.
564
565 align-default:
566     Specifies the default alignment for entries in this section, if they do
567     not specify an alignment. Note that this only applies to top-level entries
568     in the section (direct subentries), not any subentries of those entries.
569     This means that each section must specify its own default alignment, if
570     required.
571
572 Examples of the above options can be found in the tests. See the
573 tools/binman/test directory.
574
575 It is possible to have the same binary appear multiple times in the image,
576 either by using a unit number suffix (u-boot@0, u-boot@1) or by using a
577 different name for each and specifying the type with the 'type' attribute.
578
579
580 Sections and hierachical images
581 -------------------------------
582
583 Sometimes it is convenient to split an image into several pieces, each of which
584 contains its own set of binaries. An example is a flash device where part of
585 the image is read-only and part is read-write. We can set up sections for each
586 of these, and place binaries in them independently. The image is still produced
587 as a single output file.
588
589 This feature provides a way of creating hierarchical images. For example here
590 is an example image with two copies of U-Boot. One is read-only (ro), intended
591 to be written only in the factory. Another is read-write (rw), so that it can be
592 upgraded in the field. The sizes are fixed so that the ro/rw boundary is known
593 and can be programmed::
594
595     binman {
596         section@0 {
597             read-only;
598             name-prefix = "ro-";
599             size = <0x100000>;
600             u-boot {
601             };
602         };
603         section@1 {
604             name-prefix = "rw-";
605             size = <0x100000>;
606             u-boot {
607             };
608         };
609     };
610
611 This image could be placed into a SPI flash chip, with the protection boundary
612 set at 1MB.
613
614 A few special properties are provided for sections:
615
616 read-only:
617     Indicates that this section is read-only. This has no impact on binman's
618     operation, but his property can be read at run time.
619
620 name-prefix:
621     This string is prepended to all the names of the binaries in the
622     section. In the example above, the 'u-boot' binaries which actually be
623     renamed to 'ro-u-boot' and 'rw-u-boot'. This can be useful to
624     distinguish binaries with otherwise identical names.
625
626
627 Image Properties
628 ----------------
629
630 Image nodes act like sections but also have a few extra properties:
631
632 filename:
633     Output filename for the image. This defaults to image.bin (or in the
634     case of multiple images <nodename>.bin where <nodename> is the name of
635     the image node.
636
637 allow-repack:
638     Create an image that can be repacked. With this option it is possible
639     to change anything in the image after it is created, including updating
640     the position and size of image components. By default this is not
641     permitted since it is not possibly to know whether this might violate a
642     constraint in the image description. For example, if a section has to
643     increase in size to hold a larger binary, that might cause the section
644     to fall out of its allow region (e.g. read-only portion of flash).
645
646     Adding this property causes the original offset and size values in the
647     image description to be stored in the FDT and fdtmap.
648
649
650 Hashing Entries
651 ---------------
652
653 It is possible to ask binman to hash the contents of an entry and write that
654 value back to the device-tree node. For example::
655
656     binman {
657         u-boot {
658             hash {
659                 algo = "sha256";
660             };
661         };
662     };
663
664 Here, a new 'value' property will be written to the 'hash' node containing
665 the hash of the 'u-boot' entry. Only SHA256 is supported at present. Whole
666 sections can be hased if desired, by adding the 'hash' node to the section.
667
668 The has value can be chcked at runtime by hashing the data actually read and
669 comparing this has to the value in the device tree.
670
671
672 Expanded entries
673 ----------------
674
675 Binman automatically replaces 'u-boot' with an expanded version of that, i.e.
676 'u-boot-expanded'. This means that when you write::
677
678     u-boot {
679     };
680
681 you actually get::
682
683     u-boot {
684         type = "u-boot-expanded';
685     };
686
687 which in turn expands to::
688
689     u-boot {
690         type = "section";
691
692         u-boot-nodtb {
693         };
694
695         u-boot-dtb {
696         };
697     };
698
699 U-Boot's various phase binaries actually comprise two or three pieces.
700 For example, u-boot.bin has the executable followed by a devicetree.
701
702 With binman we want to be able to update that devicetree with full image
703 information so that it is accessible to the executable. This is tricky
704 if it is not clear where the devicetree starts.
705
706 The above feature ensures that the devicetree is clearly separated from the
707 U-Boot executable and can be updated separately by binman as needed. It can be
708 disabled with the --no-expanded flag if required.
709
710 The same applies for u-boot-spl and u-boot-spl. In those cases, the expansion
711 includes the BSS padding, so for example::
712
713     spl {
714         type = "u-boot-spl"
715     };
716
717 you actually get::
718
719     spl {
720         type = "u-boot-expanded';
721     };
722
723 which in turn expands to::
724
725     spl {
726         type = "section";
727
728         u-boot-spl-nodtb {
729         };
730
731         u-boot-spl-bss-pad {
732         };
733
734         u-boot-spl-dtb {
735         };
736     };
737
738 Of course we should not expand SPL if it has no devicetree. Also if the BSS
739 padding is not needed (because BSS is in RAM as with CONFIG_SPL_SEPARATE_BSS),
740 the 'u-boot-spl-bss-pad' subnode should not be created. The use of the expaned
741 entry type is controlled by the UseExpanded() method. In the SPL case it checks
742 the 'spl-dtb' entry arg, which is 'y' or '1' if SPL has a devicetree.
743
744 For the BSS case, a 'spl-bss-pad' entry arg controls whether it is present. All
745 entry args are provided by the U-Boot Makefile.
746
747
748 Compression
749 -----------
750
751 Binman support compression for 'blob' entries (those of type 'blob' and
752 derivatives). To enable this for an entry, add a 'compress' property::
753
754     blob {
755         filename = "datafile";
756         compress = "lz4";
757     };
758
759 The entry will then contain the compressed data, using the 'lz4' compression
760 algorithm. Currently this is the only one that is supported. The uncompressed
761 size is written to the node in an 'uncomp-size' property, if -u is used.
762
763 Compression is also supported for sections. In that case the entire section is
764 compressed in one block, including all its contents. This means that accessing
765 an entry from the section required decompressing the entire section. Also, the
766 size of a section indicates the space that it consumes in its parent section
767 (and typically the image). With compression, the section may contain more data,
768 and the uncomp-size property indicates that, as above. The contents of the
769 section is compressed first, before any padding is added. This ensures that the
770 padding itself is not compressed, which would be a waste of time.
771
772
773 Automatic .dtsi inclusion
774 -------------------------
775
776 It is sometimes inconvenient to add a 'binman' node to the .dts file for each
777 board. This can be done by using #include to bring in a common file. Another
778 approach supported by the U-Boot build system is to automatically include
779 a common header. You can then put the binman node (and anything else that is
780 specific to U-Boot, such as u-boot,dm-pre-reloc properies) in that header
781 file.
782
783 Binman will search for the following files in arch/<arch>/dts::
784
785    <dts>-u-boot.dtsi where <dts> is the base name of the .dts file
786    <CONFIG_SYS_SOC>-u-boot.dtsi
787    <CONFIG_SYS_CPU>-u-boot.dtsi
788    <CONFIG_SYS_VENDOR>-u-boot.dtsi
789    u-boot.dtsi
790
791 U-Boot will only use the first one that it finds. If you need to include a
792 more general file you can do that from the more specific file using #include.
793 If you are having trouble figuring out what is going on, you can use
794 `DEVICE_TREE_DEBUG=1` with your build::
795
796    make DEVICE_TREE_DEBUG=1
797    scripts/Makefile.lib:334: Automatic .dtsi inclusion: options:
798      arch/arm/dts/juno-r2-u-boot.dtsi arch/arm/dts/-u-boot.dtsi
799      arch/arm/dts/armv8-u-boot.dtsi arch/arm/dts/armltd-u-boot.dtsi
800      arch/arm/dts/u-boot.dtsi ... found: "arch/arm/dts/juno-r2-u-boot.dtsi"
801
802
803 Updating an ELF file
804 ====================
805
806 For the EFI app, where U-Boot is loaded from UEFI and runs as an app, there is
807 no way to update the devicetree after U-Boot is built. Normally this works by
808 creating a new u-boot.dtb.out with he updated devicetree, which is automatically
809 built into the output image. With ELF this is not possible since the ELF is
810 not part of an image, just a stand-along file. We must create an updated ELF
811 file with the new devicetree.
812
813 This is handled by the --update-fdt-in-elf option. It takes four arguments,
814 separated by comma:
815
816    infile     - filename of input ELF file, e.g. 'u-boot's
817    outfile    - filename of output ELF file, e.g. 'u-boot.out'
818    begin_sym - symbol at the start of the embedded devicetree, e.g.
819    '__dtb_dt_begin'
820    end_sym   - symbol at the start of the embedded devicetree, e.g.
821    '__dtb_dt_end'
822
823 When this flag is used, U-Boot does all the normal packaging, but as an
824 additional step, it creates a new ELF file with the new devicetree embedded in
825 it.
826
827 If logging is enabled you will see a message like this::
828
829    Updating file 'u-boot' with data length 0x400a (16394) between symbols
830    '__dtb_dt_begin' and '__dtb_dt_end'
831
832 There must be enough space for the updated devicetree. If not, an error like
833 the following is produced::
834
835    ValueError: Not enough space in 'u-boot' for data length 0x400a (16394);
836    size is 0x1744 (5956)
837
838
839 Entry Documentation
840 ===================
841
842 For details on the various entry types supported by binman and how to use them,
843 see entries.rst which is generated from the source code using:
844
845     binman entry-docs >tools/binman/entries.rst
846
847 .. toctree::
848    :maxdepth: 2
849
850    entries
851
852
853 Managing images
854 ===============
855
856 Listing images
857 --------------
858
859 It is possible to list the entries in an existing firmware image created by
860 binman, provided that there is an 'fdtmap' entry in the image. For example::
861
862     $ binman ls -i image.bin
863     Name              Image-pos  Size  Entry-type    Offset  Uncomp-size
864     ----------------------------------------------------------------------
865     main-section                  c00  section            0
866       u-boot                  0     4  u-boot             0
867       section                     5fc  section            4
868         cbfs                100   400  cbfs               0
869           u-boot            138     4  u-boot            38
870           u-boot-dtb        180   108  u-boot-dtb        80          3b5
871         u-boot-dtb          500   1ff  u-boot-dtb       400          3b5
872       fdtmap                6fc   381  fdtmap           6fc
873       image-header          bf8     8  image-header     bf8
874
875 This shows the hierarchy of the image, the position, size and type of each
876 entry, the offset of each entry within its parent and the uncompressed size if
877 the entry is compressed.
878
879 It is also possible to list just some files in an image, e.g.::
880
881     $ binman ls -i image.bin section/cbfs
882     Name              Image-pos  Size  Entry-type  Offset  Uncomp-size
883     --------------------------------------------------------------------
884         cbfs                100   400  cbfs             0
885           u-boot            138     4  u-boot          38
886           u-boot-dtb        180   108  u-boot-dtb      80          3b5
887
888 or with wildcards::
889
890     $ binman ls -i image.bin "*cb*" "*head*"
891     Name              Image-pos  Size  Entry-type    Offset  Uncomp-size
892     ----------------------------------------------------------------------
893         cbfs                100   400  cbfs               0
894           u-boot            138     4  u-boot            38
895           u-boot-dtb        180   108  u-boot-dtb        80          3b5
896       image-header          bf8     8  image-header     bf8
897
898 If an older version of binman is used to list images created by a newer one, it
899 is possible that it will contain entry types that are not supported. These still
900 show with the correct type, but binman just sees them as blobs (plain binary
901 data). Any special features of that etype are not supported by the old binman.
902
903
904 Extracting files from images
905 ----------------------------
906
907 You can extract files from an existing firmware image created by binman,
908 provided that there is an 'fdtmap' entry in the image. For example::
909
910     $ binman extract -i image.bin section/cbfs/u-boot
911
912 which will write the uncompressed contents of that entry to the file 'u-boot' in
913 the current directory. You can also extract to a particular file, in this case
914 u-boot.bin::
915
916     $ binman extract -i image.bin section/cbfs/u-boot -f u-boot.bin
917
918 It is possible to extract all files into a destination directory, which will
919 put files in subdirectories matching the entry hierarchy::
920
921     $ binman extract -i image.bin -O outdir
922
923 or just a selection::
924
925     $ binman extract -i image.bin "*u-boot*" -O outdir
926
927 Some entry types have alternative formats, for example fdtmap which allows
928 extracted just the devicetree binary without the fdtmap header::
929
930     $ binman extract -i /tmp/b/odroid-c4/image.bin -f out.dtb -F fdt fdtmap
931     $ fdtdump out.dtb
932     /dts-v1/;
933     // magic:               0xd00dfeed
934     // totalsize:           0x8ab (2219)
935     // off_dt_struct:       0x38
936     // off_dt_strings:      0x82c
937     // off_mem_rsvmap:      0x28
938     // version:             17
939     // last_comp_version:   2
940     // boot_cpuid_phys:     0x0
941     // size_dt_strings:     0x7f
942     // size_dt_struct:      0x7f4
943
944     / {
945         image-node = "binman";
946         image-pos = <0x00000000>;
947         size = <0x0011162b>;
948         ...
949
950 Use `-F list` to see what alternative formats are available::
951
952     $ binman extract -i /tmp/b/odroid-c4/image.bin -F list
953     Flag (-F)   Entry type            Description
954     fdt         fdtmap                Extract the devicetree blob from the fdtmap
955
956
957 Replacing files in an image
958 ---------------------------
959
960 You can replace files in an existing firmware image created by binman, provided
961 that there is an 'fdtmap' entry in the image. For example::
962
963     $ binman replace -i image.bin section/cbfs/u-boot
964
965 which will write the contents of the file 'u-boot' from the current directory
966 to the that entry, compressing if necessary. If the entry size changes, you must
967 add the 'allow-repack' property to the original image before generating it (see
968 above), otherwise you will get an error.
969
970 You can also use a particular file, in this case u-boot.bin::
971
972     $ binman replace -i image.bin section/cbfs/u-boot -f u-boot.bin
973
974 It is possible to replace all files from a source directory which uses the same
975 hierarchy as the entries::
976
977     $ binman replace -i image.bin -I indir
978
979 Files that are missing will generate a warning.
980
981 You can also replace just a selection of entries::
982
983     $ binman replace -i image.bin "*u-boot*" -I indir
984
985
986 Logging
987 -------
988
989 Binman normally operates silently unless there is an error, in which case it
990 just displays the error. The -D/--debug option can be used to create a full
991 backtrace when errors occur. You can use BINMAN_DEBUG=1 when building to select
992 this.
993
994 Internally binman logs some output while it is running. This can be displayed
995 by increasing the -v/--verbosity from the default of 1:
996
997    0: silent
998    1: warnings only
999    2: notices (important messages)
1000    3: info about major operations
1001    4: detailed information about each operation
1002    5: debug (all output)
1003
1004 You can use BINMAN_VERBOSE=5 (for example) when building to select this.
1005
1006
1007 Technical details
1008 =================
1009
1010 Order of image creation
1011 -----------------------
1012
1013 Image creation proceeds in the following order, for each entry in the image.
1014
1015 1. AddMissingProperties() - binman can add calculated values to the device
1016 tree as part of its processing, for example the offset and size of each
1017 entry. This method adds any properties associated with this, expanding the
1018 device tree as needed. These properties can have placeholder values which are
1019 set later by SetCalculatedProperties(). By that stage the size of sections
1020 cannot be changed (since it would cause the images to need to be repacked),
1021 but the correct values can be inserted.
1022
1023 2. ProcessFdt() - process the device tree information as required by the
1024 particular entry. This may involve adding or deleting properties. If the
1025 processing is complete, this method should return True. If the processing
1026 cannot complete because it needs the ProcessFdt() method of another entry to
1027 run first, this method should return False, in which case it will be called
1028 again later.
1029
1030 3. GetEntryContents() - the contents of each entry are obtained, normally by
1031 reading from a file. This calls the Entry.ObtainContents() to read the
1032 contents. The default version of Entry.ObtainContents() calls
1033 Entry.GetDefaultFilename() and then reads that file. So a common mechanism
1034 to select a file to read is to override that function in the subclass. The
1035 functions must return True when they have read the contents. Binman will
1036 retry calling the functions a few times if False is returned, allowing
1037 dependencies between the contents of different entries.
1038
1039 4. GetEntryOffsets() - calls Entry.GetOffsets() for each entry. This can
1040 return a dict containing entries that need updating. The key should be the
1041 entry name and the value is a tuple (offset, size). This allows an entry to
1042 provide the offset and size for other entries. The default implementation
1043 of GetEntryOffsets() returns {}.
1044
1045 5. PackEntries() - calls Entry.Pack() which figures out the offset and
1046 size of an entry. The 'current' image offset is passed in, and the function
1047 returns the offset immediately after the entry being packed. The default
1048 implementation of Pack() is usually sufficient.
1049
1050 Note: for sections, this also checks that the entries do not overlap, nor extend
1051 outside the section. If the section does not have a defined size, the size is
1052 set large enough to hold all the entries.
1053
1054 6. SetImagePos() - sets the image position of every entry. This is the absolute
1055 position 'image-pos', as opposed to 'offset' which is relative to the containing
1056 section. This must be done after all offsets are known, which is why it is quite
1057 late in the ordering.
1058
1059 7. SetCalculatedProperties() - update any calculated properties in the device
1060 tree. This sets the correct 'offset' and 'size' vaues, for example.
1061
1062 8. ProcessEntryContents() - this calls Entry.ProcessContents() on each entry.
1063 The default implementatoin does nothing. This can be overriden to adjust the
1064 contents of an entry in some way. For example, it would be possible to create
1065 an entry containing a hash of the contents of some other entries. At this
1066 stage the offset and size of entries should not be adjusted unless absolutely
1067 necessary, since it requires a repack (going back to PackEntries()).
1068
1069 9. ResetForPack() - if the ProcessEntryContents() step failed, in that an entry
1070 has changed its size, then there is no alternative but to go back to step 5 and
1071 try again, repacking the entries with the updated size. ResetForPack() removes
1072 the fixed offset/size values added by binman, so that the packing can start from
1073 scratch.
1074
1075 10. WriteSymbols() - write the value of symbols into the U-Boot SPL binary.
1076 See 'Access to binman entry offsets at run time' below for a description of
1077 what happens in this stage.
1078
1079 11. BuildImage() - builds the image and writes it to a file
1080
1081 12. WriteMap() - writes a text file containing a map of the image. This is the
1082 final step.
1083
1084
1085 External tools
1086 --------------
1087
1088 Binman can make use of external command-line tools to handle processing of
1089 entry contents or to generate entry contents. These tools are executed using
1090 the 'tools' module's Run() method. The tools generally must exist on the PATH,
1091 but the --toolpath option can be used to specify additional search paths to
1092 use. This option can be specified multiple times to add more than one path.
1093
1094 For some compile tools binman will use the versions specified by commonly-used
1095 environment variables like CC and HOSTCC for the C compiler, based on whether
1096 the tool's output will be used for the target or for the host machine. If those
1097 aren't given, it will also try to derive target-specific versions from the
1098 CROSS_COMPILE environment variable during a cross-compilation.
1099
1100 If the tool is not available in the path you can use BINMAN_TOOLPATHS to specify
1101 a space-separated list of paths to search, e.g.::
1102
1103    BINMAN_TOOLPATHS="/tools/g12a /tools/tegra" binman ...
1104
1105
1106 External blobs
1107 --------------
1108
1109 Binary blobs, even if the source code is available, complicate building
1110 firmware. The instructions can involve multiple steps and the binaries may be
1111 hard to build or obtain. Binman at least provides a unified description of how
1112 to build the final image, no matter what steps are needed to get there.
1113
1114 Binman also provides a `blob-ext` entry type that pulls in a binary blob from an
1115 external file. If the file is missing, binman can optionally complete the build
1116 and just report a warning. Use the `-M/--allow-missing` option to enble this.
1117 This is useful in CI systems which want to check that everything is correct but
1118 don't have access to the blobs.
1119
1120 If the blobs are in a different directory, you can specify this with the `-I`
1121 option.
1122
1123 For U-Boot, you can use set the BINMAN_INDIRS environment variable to provide a
1124 space-separated list of directories to search for binary blobs::
1125
1126    BINMAN_INDIRS="odroid-c4/fip/g12a \
1127        odroid-c4/build/board/hardkernel/odroidc4/firmware \
1128        odroid-c4/build/scp_task" binman ...
1129
1130 Code coverage
1131 -------------
1132
1133 Binman is a critical tool and is designed to be very testable. Entry
1134 implementations target 100% test coverage. Run 'binman test -T' to check this.
1135
1136 To enable Python test coverage on Debian-type distributions (e.g. Ubuntu)::
1137
1138    $ sudo apt-get install python-coverage python3-coverage python-pytest
1139
1140
1141 Concurrent tests
1142 ----------------
1143
1144 Binman tries to run tests concurrently. This means that the tests make use of
1145 all available CPUs to run.
1146
1147  To enable this::
1148
1149    $ sudo apt-get install python-subunit python3-subunit
1150
1151 Use '-P 1' to disable this. It is automatically disabled when code coverage is
1152 being used (-T) since they are incompatible.
1153
1154
1155 Debugging tests
1156 ---------------
1157
1158 Sometimes when debugging tests it is useful to keep the input and output
1159 directories so they can be examined later. Use -X or --test-preserve-dirs for
1160 this.
1161
1162
1163 Running tests on non-x86 architectures
1164 --------------------------------------
1165
1166 Binman's tests have been written under the assumption that they'll be run on a
1167 x86-like host and there hasn't been an attempt to make them portable yet.
1168 However, it's possible to run the tests by cross-compiling to x86.
1169
1170 To install an x86 cross-compiler on Debian-type distributions (e.g. Ubuntu)::
1171
1172   $ sudo apt-get install gcc-x86-64-linux-gnu
1173
1174 Then, you can run the tests under cross-compilation::
1175
1176   $ CROSS_COMPILE=x86_64-linux-gnu- binman test -T
1177
1178 You can also use gcc-i686-linux-gnu similar to the above.
1179
1180
1181 Writing new entries and debugging
1182 ---------------------------------
1183
1184 The behaviour of entries is defined by the Entry class. All other entries are
1185 a subclass of this. An important subclass is Entry_blob which takes binary
1186 data from a file and places it in the entry. In fact most entry types are
1187 subclasses of Entry_blob.
1188
1189 Each entry type is a separate file in the tools/binman/etype directory. Each
1190 file contains a class called Entry_<type> where <type> is the entry type.
1191 New entry types can be supported by adding new files in that directory.
1192 These will automatically be detected by binman when needed.
1193
1194 Entry properties are documented in entry.py. The entry subclasses are free
1195 to change the values of properties to support special behaviour. For example,
1196 when Entry_blob loads a file, it sets content_size to the size of the file.
1197 Entry classes can adjust other entries. For example, an entry that knows
1198 where other entries should be positioned can set up those entries' offsets
1199 so they don't need to be set in the binman decription. It can also adjust
1200 entry contents.
1201
1202 Most of the time such essoteric behaviour is not needed, but it can be
1203 essential for complex images.
1204
1205 If you need to specify a particular device-tree compiler to use, you can define
1206 the DTC environment variable. This can be useful when the system dtc is too
1207 old.
1208
1209 To enable a full backtrace and other debugging features in binman, pass
1210 BINMAN_DEBUG=1 to your build::
1211
1212    make qemu-x86_defconfig
1213    make BINMAN_DEBUG=1
1214
1215 To enable verbose logging from binman, base BINMAN_VERBOSE to your build, which
1216 adds a -v<level> option to the call to binman::
1217
1218    make qemu-x86_defconfig
1219    make BINMAN_VERBOSE=5
1220
1221
1222 Building sections in parallel
1223 -----------------------------
1224
1225 By default binman uses multiprocessing to speed up compilation of large images.
1226 This works at a section level, with one thread for each entry in the section.
1227 This can speed things up if the entries are large and use compression.
1228
1229 This feature can be disabled with the '-T' flag, which defaults to a suitable
1230 value for your machine. This depends on the Python version, e.g on v3.8 it uses
1231 12 threads on an 8-core machine. See ConcurrentFutures_ for more details.
1232
1233 The special value -T0 selects single-threaded mode, useful for debugging during
1234 development, since dealing with exceptions and problems in threads is more
1235 difficult. This avoids any use of ThreadPoolExecutor.
1236
1237
1238 History / Credits
1239 -----------------
1240
1241 Binman takes a lot of inspiration from a Chrome OS tool called
1242 'cros_bundle_firmware', which I wrote some years ago. That tool was based on
1243 a reasonably simple and sound design but has expanded greatly over the
1244 years. In particular its handling of x86 images is convoluted.
1245
1246 Quite a few lessons have been learned which are hopefully applied here.
1247
1248
1249 Design notes
1250 ------------
1251
1252 On the face of it, a tool to create firmware images should be fairly simple:
1253 just find all the input binaries and place them at the right place in the
1254 image. The difficulty comes from the wide variety of input types (simple
1255 flat binaries containing code, packaged data with various headers), packing
1256 requirments (alignment, spacing, device boundaries) and other required
1257 features such as hierarchical images.
1258
1259 The design challenge is to make it easy to create simple images, while
1260 allowing the more complex cases to be supported. For example, for most
1261 images we don't much care exactly where each binary ends up, so we should
1262 not have to specify that unnecessarily.
1263
1264 New entry types should aim to provide simple usage where possible. If new
1265 core features are needed, they can be added in the Entry base class.
1266
1267
1268 To do
1269 -----
1270
1271 Some ideas:
1272
1273 - Use of-platdata to make the information available to code that is unable
1274   to use device tree (such as a very small SPL image). For now, limited info is
1275   available via linker symbols
1276 - Allow easy building of images by specifying just the board name
1277 - Support building an image for a board (-b) more completely, with a
1278   configurable build directory
1279 - Detect invalid properties in nodes
1280 - Sort the fdtmap by offset
1281 - Output temporary files to a different directory
1282
1283 --
1284 Simon Glass <sjg@chromium.org>
1285 7/7/2016
1286
1287 .. _ConcurrentFutures: https://docs.python.org/3/library/concurrent.futures.html#concurrent.futures.ThreadPoolExecutor