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