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1 /*
2  * (C) Copyright 2014 Red Hat Inc.
3  * Copyright (c) 2014-2015, NVIDIA CORPORATION.  All rights reserved.
4  * Copyright (C) 2015 K. Merker <merker@debian.org>
5  *
6  * SPDX-License-Identifier:     GPL-2.0+
7  */
8
9 Generic Distro Configuration Concept
10 ====================================
11
12 Linux distributions are faced with supporting a variety of boot mechanisms,
13 environments or bootloaders (PC BIOS, EFI, U-Boot, Barebox, ...). This makes
14 life complicated. Worse, bootloaders such as U-Boot have a configurable set
15 of features, and each board chooses to enable a different set of features.
16 Hence, distros typically need to have board-specific knowledge in order to
17 set up a bootable system.
18
19 This document defines a common set of U-Boot features that are required for
20 a distro to support the board in a generic fashion. Any board wishing to
21 allow distros to install and boot in an out-of-the-box fashion should enable
22 all these features. Linux distros can then create a single set of boot
23 support/install logic that targets these features. This will allow distros
24 to install on many boards without the need for board-specific logic.
25
26 In fact, some of these features can be implemented by any bootloader, thus
27 decoupling distro install/boot logic from any knowledge of the bootloader.
28
29 This model assumes that boards will load boot configuration files from a
30 regular storage mechanism (eMMC, SD card, USB Disk, SATA disk, etc.) with
31 a standard partitioning scheme (MBR, GPT). Boards that cannot support this
32 storage model are outside the scope of this document, and may still need
33 board-specific installer/boot-configuration support in a distro.
34
35 To some extent, this model assumes that a board has a separate boot flash
36 that contains U-Boot, and that the user has somehow installed U-Boot to this
37 flash before running the distro installer. Even on boards that do not conform
38 to this aspect of the model, the extent of the board-specific support in the
39 distro installer logic would be to install a board-specific U-Boot package to
40 the boot partition during installation. This distro-supplied U-Boot can still
41 implement the same features as on any other board, and hence the distro's boot
42 configuration file generation logic can still be board-agnostic.
43
44 Locating Bootable Disks
45 -----------------------
46
47 Typical desktop/server PCs search all (or a user-defined subset of) attached
48 storage devices for a bootable partition, then load the bootloader or boot
49 configuration files from there. A U-Boot board port that enables the features
50 mentioned in this document will search for boot configuration files in the
51 same way.
52
53 Thus, distros do not need to manipulate any kind of bootloader-specific
54 configuration data to indicate which storage device the system should boot
55 from.
56
57 Distros simply need to install the boot configuration files (see next
58 section) in an ext2/3/4 or FAT partition, mark the partition bootable (via
59 the MBR bootable flag, or GPT legacy_bios_bootable attribute), and U-Boot (or
60 any other bootloader) will find those boot files and execute them. This is
61 conceptually identical to creating a grub2 configuration file on a desktop
62 PC.
63
64 Note that in the absence of any partition that is explicitly marked bootable,
65 U-Boot falls back to searching the first valid partition of a disk for boot
66 configuration files. Other bootloaders are recommended to do the same, since
67 I believe that partition table bootable flags aren't so commonly used outside
68 the realm of x86 PCs.
69
70 U-Boot can also search for boot configuration files from a TFTP server.
71
72 Boot Configuration Files
73 ------------------------
74
75 The standard format for boot configuration files is that of extlinux.conf, as
76 handled by U-Boot's "syslinux" (disk) or "pxe boot" (network). This is roughly
77 as specified at:
78
79 http://www.freedesktop.org/wiki/Specifications/BootLoaderSpec/
80
81 ... with the exceptions that the BootLoaderSpec document:
82
83 * Prescribes a separate configuration per boot menu option, whereas U-Boot
84   lumps all options into a single extlinux.conf file. Hence, U-Boot searches
85   for /extlinux/extlinux.conf then /boot/extlinux/extlinux.conf on disk, or
86   pxelinux.cfg/default over the network.
87
88 * Does not document the fdtdir option, which automatically selects the DTB to
89   pass to the kernel.
90
91 One example extlinux.conf generated by the Fedora installer is:
92
93 ------------------------------------------------------------
94 # extlinux.conf generated by anaconda
95
96 ui menu.c32
97
98 menu autoboot Welcome to Fedora. Automatic boot in # second{,s}. Press a key for options.
99 menu title Fedora Boot Options.
100 menu hidden
101
102 timeout 50
103 #totaltimeout 9000
104
105 default Fedora (3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl+lpae) 22 (Rawhide)
106
107 label Fedora (3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl) 22 (Rawhide)
108         kernel /boot/vmlinuz-3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl
109         append ro root=UUID=8eac677f-8ea8-4270-8479-d5ddbb797450 console=ttyS0,115200n8 LANG=en_US.UTF-8 drm.debug=0xf
110         fdtdir /boot/dtb-3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl
111         initrd /boot/initramfs-3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl.img
112
113 label Fedora (3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl+lpae) 22 (Rawhide)
114         kernel /boot/vmlinuz-3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl+lpae
115         append ro root=UUID=8eac677f-8ea8-4270-8479-d5ddbb797450 console=ttyS0,115200n8 LANG=en_US.UTF-8 drm.debug=0xf
116         fdtdir /boot/dtb-3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl+lpae
117         initrd /boot/initramfs-3.17.0-0.rc4.git2.1.fc22.armv7hl+lpae.img
118
119 label Fedora-0-rescue-8f6ba7b039524e0eb957d2c9203f04bc (0-rescue-8f6ba7b039524e0eb957d2c9203f04bc)
120         kernel /boot/vmlinuz-0-rescue-8f6ba7b039524e0eb957d2c9203f04bc
121         initrd /boot/initramfs-0-rescue-8f6ba7b039524e0eb957d2c9203f04bc.img
122         append ro root=UUID=8eac677f-8ea8-4270-8479-d5ddbb797450 console=ttyS0,115200n8
123         fdtdir /boot/dtb-3.16.0-0.rc6.git1.1.fc22.armv7hl+lpae
124 ------------------------------------------------------------
125
126 Another hand-crafted network boot configuration file is:
127
128 ------------------------------------------------------------
129 TIMEOUT 100
130
131 MENU TITLE TFTP boot options
132
133 LABEL jetson-tk1-emmc
134         MENU LABEL ../zImage root on Jetson TK1 eMMC
135         LINUX ../zImage
136         FDTDIR ../
137         APPEND console=ttyS0,115200n8 console=tty1 loglevel=8 rootwait rw earlyprintk root=PARTUUID=80a5a8e9-c744-491a-93c1-4f4194fd690b
138
139 LABEL venice2-emmc
140         MENU LABEL ../zImage root on Venice2 eMMC
141         LINUX ../zImage
142         FDTDIR ../
143         APPEND console=ttyS0,115200n8 console=tty1 loglevel=8 rootwait rw earlyprintk root=PARTUUID=5f71e06f-be08-48ed-b1ef-ee4800cc860f
144
145 LABEL sdcard
146         MENU LABEL ../zImage, root on 2GB sdcard
147         LINUX ../zImage
148         FDTDIR ../
149         APPEND console=ttyS0,115200n8 console=tty1 loglevel=8 rootwait rw earlyprintk root=PARTUUID=b2f82cda-2535-4779-b467-094a210fbae7
150
151 LABEL fedora-installer-fk
152         MENU LABEL Fedora installer w/ Fedora kernel
153         LINUX fedora-installer/vmlinuz
154         INITRD fedora-installer/initrd.img.orig
155         FDTDIR fedora-installer/dtb
156         APPEND loglevel=8 ip=dhcp inst.repo=http://10.0.0.2/mirrors/fedora/linux/development/rawhide/armhfp/os/ rd.shell cma=64M
157 ------------------------------------------------------------
158
159 U-Boot Implementation
160 =====================
161
162 Enabling the distro options
163 ---------------------------
164
165 In your board's defconfig, enable the DISTRO_DEFAULTS option by adding
166 a line with "CONFIG_DISTRO_DEFAULTS=y". If you want to enable this
167 from Kconfig itself, for e.g. all boards using a specific SoC then
168 add a "default y if ARCH_FOO" to the DISTRO_DEFAULTS section of
169 the Kconfig file in the root of the u-boot sources.
170
171 In your board configuration file, include the following:
172
173 ------------------------------------------------------------
174 #ifndef CONFIG_SPL_BUILD
175 #include <config_distro_bootcmd.h>
176 #endif
177 ------------------------------------------------------------
178
179 The first of those headers primarily enables a core set of U-Boot features,
180 such as support for MBR and GPT partitions, ext* and FAT filesystems, booting
181 raw zImage and initrd (rather than FIT- or uImage-wrapped files), etc. Network
182 boot support is also enabled here, which is useful in order to boot distro
183 installers given that distros do not commonly distribute bootable install
184 media for non-PC targets at present.
185
186 Finally, a few options that are mostly relevant only when using U-Boot-
187 specific boot.scr scripts are enabled. This enables distros to generate a
188 U-Boot-specific boot.scr script rather than extlinux.conf as the boot
189 configuration file. While doing so is fully supported, and
190 CONFIG_DISTRO_DEFAULTS exposes enough parameterization to boot.scr to
191 allow for board-agnostic boot.scr content, this document recommends that
192 distros generate extlinux.conf rather than boot.scr. extlinux.conf is intended
193 to work across multiple bootloaders, whereas boot.scr will only work with
194 U-Boot. TODO: document the contract between U-Boot and boot.scr re: which
195 environment variables a generic boot.scr may rely upon.
196
197 The second of those headers sets up the default environment so that $bootcmd
198 is defined in a way that searches attached disks for boot configuration files,
199 and executes them if found.
200
201 Required Environment Variables
202 ------------------------------
203
204 The U-Boot "syslinux" and "pxe boot" commands require a number of environment
205 variables be set. Default values for these variables are often hard-coded into
206 CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS in the board's U-Boot configuration file, so that
207 the user doesn't have to configure them.
208
209 fdt_addr:
210
211   Mandatory for any system that provides the DTB in HW (e.g. ROM) and wishes
212   to pass that DTB to Linux, rather than loading a DTB from the boot
213   filesystem. Prohibited for any other system.
214
215   If specified a DTB to boot the system must be available at the given
216   address.
217
218 fdt_addr_r:
219
220   Mandatory. The location in RAM where the DTB will be loaded or copied to when
221   processing the fdtdir/devicetreedir or fdt/devicetree options in
222   extlinux.conf.
223
224   This is mandatory even when fdt_addr is provided, since extlinux.conf must
225   always be able to provide a DTB which overrides any copy provided by the HW.
226
227   A size of 1MB for the FDT/DTB seems reasonable.
228
229 ramdisk_addr_r:
230
231   Mandatory. The location in RAM where the initial ramdisk will be loaded to
232   when processing the initrd option in extlinux.conf.
233
234   It is recommended that this location be highest in RAM out of fdt_addr_,
235   kernel_addr_r, and ramdisk_addr_r, so that the RAM disk can vary in size
236   and use any available RAM.
237
238 kernel_addr_r:
239
240   Mandatory. The location in RAM where the kernel will be loaded to when
241   processing the kernel option in the extlinux.conf.
242
243   The kernel should be located within the first 128M of RAM in order for the
244   kernel CONFIG_AUTO_ZRELADDR option to work, which is likely enabled on any
245   distro kernel. Since the kernel will decompress itself to 0x8000 after the
246   start of RAM, kernel_addr_r should not overlap that area, or the kernel will
247   have to copy itself somewhere else first before decompression.
248
249   A size of 16MB for the kernel is likely adequate.
250
251 pxefile_addr_r:
252
253   Mandatory. The location in RAM where extlinux.conf will be loaded to prior
254   to processing.
255
256   A size of 1MB for extlinux.conf is more than adequate.
257
258 scriptaddr:
259
260   Mandatory, if the boot script is boot.scr rather than extlinux.conf. The
261   location in RAM where boot.scr will be loaded to prior to execution.
262
263   A size of 1MB for extlinux.conf is more than adequate.
264
265 For suggestions on memory locations for ARM systems, you must follow the
266 guidelines specified in Documentation/arm/Booting in the Linux kernel tree.
267
268 For a commented example of setting these values, please see the definition of
269 MEM_LAYOUT_ENV_SETTINGS in include/configs/tegra124-common.h.
270
271 Boot Target Configuration
272 -------------------------
273
274 <config_distro_bootcmd.h> defines $bootcmd and many helper command variables
275 that automatically search attached disks for boot configuration files and
276 execute them. Boards must provide configure <config_distro_bootcmd.h> so that
277 it supports the correct set of possible boot device types. To provide this
278 configuration, simply define macro BOOT_TARGET_DEVICES prior to including
279 <config_distro_bootcmd.h>. For example:
280
281 ------------------------------------------------------------
282 #ifndef CONFIG_SPL_BUILD
283 #define BOOT_TARGET_DEVICES(func) \
284         func(MMC, mmc, 1) \
285         func(MMC, mmc, 0) \
286         func(USB, usb, 0) \
287         func(PXE, pxe, na) \
288         func(DHCP, dhcp, na)
289 #include <config_distro_bootcmd.h>
290 #endif
291 ------------------------------------------------------------
292
293 Each entry in the macro defines a single boot device (e.g. a specific eMMC
294 device or SD card) or type of boot device (e.g. USB disk). The parameters to
295 the func macro (passed in by the internal implementation of the header) are:
296
297 - Upper-case disk type (MMC, SATA, SCSI, IDE, USB, DHCP, PXE).
298 - Lower-case disk type (same options as above).
299 - ID of the specific disk (MMC only) or ignored for other types.
300
301 User Configuration
302 ==================
303
304 Once the user has installed U-Boot, it is expected that the environment will
305 be reset to the default values in order to enable $bootcmd and friends, as set
306 up by <config_distro_bootcmd.h>. After this, various environment variables may
307 be altered to influence the boot process:
308
309 boot_targets:
310
311   The list of boot locations searched.
312
313   Example: mmc0, mmc1, usb, pxe
314
315   Entries may be removed or re-ordered in this list to affect the boot order.
316
317 boot_prefixes:
318
319   For disk-based booting, the list of directories within a partition that are
320   searched for boot configuration files (extlinux.conf, boot.scr).
321
322   Example: / /boot/
323
324   Entries may be removed or re-ordered in this list to affect the set of
325   directories which are searched.
326
327 boot_scripts:
328
329   The name of U-Boot style boot.scr files that $bootcmd searches for.
330
331   Example: boot.scr.uimg boot.scr
332
333   (Typically we expect extlinux.conf to be used, but execution of boot.scr is
334   maintained for backwards-compatibility.)
335
336   Entries may be removed or re-ordered in this list to affect the set of
337   filenames which are supported.
338
339 scan_dev_for_extlinux:
340
341   If you want to disable extlinux.conf on all disks, set the value to something
342   innocuous, e.g. setenv scan_dev_for_extlinux true.
343
344 scan_dev_for_scripts:
345
346   If you want to disable boot.scr on all disks, set the value to something
347   innocuous, e.g. setenv scan_dev_for_scripts true.
348
349 boot_net_usb_start:
350
351   If you want to prevent USB enumeration by distro boot commands which execute
352   network operations, set the value to something innocuous, e.g. setenv
353   boot_net_usb_start true. This would be useful if you know your Ethernet
354   device is not attached to USB, and you wish to increase boot speed by
355   avoiding unnecessary actions.
356
357 boot_net_pci_enum:
358
359   If you want to prevent PCI enumeration by distro boot commands which execute
360   network operations, set the value to something innocuous, e.g. setenv
361   boot_net_pci_enum true. This would be useful if you know your Ethernet
362   device is not attached to PCI, and you wish to increase boot speed by
363   avoiding unnecessary actions.
364
365 Interactively booting from a specific device at the u-boot prompt
366 =================================================================
367
368 For interactively booting from a user-selected device at the u-boot command
369 prompt, the environment provides predefined bootcmd_<target> variables for
370 every target defined in boot_targets, which can be run be the user.
371
372 If the target is a storage device, the format of the target is always
373 <device type><device number>, e.g. mmc0.  Specifying the device number is
374 mandatory for storage devices, even if only support for a single instance
375 of the storage device is actually implemented.
376
377 For network targets (dhcp, pxe), only the device type gets specified;
378 they do not have a device number.
379
380 Examples:
381
382  - run bootcmd_usb0
383    boots from the first USB mass storage device
384
385  - run bootcmd_mmc1
386    boots from the second MMC device
387
388  - run bootcmd_pxe
389    boots by tftp using a pxelinux.cfg
390
391 The list of possible targets consists of:
392
393 - network targets
394   * dhcp
395   * pxe
396
397 - storage targets (to which a device number must be appended)
398   * mmc
399   * sata
400   * scsi
401   * ide
402   * usb
403
404 Other *boot* variables than the ones defined above are only for internal use
405 of the boot environment and are not guaranteed to exist or work in the same
406 way in future u-boot versions.  In particular the <device type>_boot
407 variables (e.g. mmc_boot, usb_boot) are a strictly internal implementation
408 detail and must not be used as a public interface.