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[u-boot] / tools / binman / README
1 # Copyright (c) 2016 Google, Inc
2 #
3 # SPDX-License-Identifier:      GPL-2.0+
4 #
5
6 Introduction
7 ------------
8
9 Firmware often consists of several components which must be packaged together.
10 For example, we may have SPL, U-Boot, a device tree and an environment area
11 grouped together and placed in MMC flash. When the system starts, it must be
12 able to find these pieces.
13
14 So far U-Boot has not provided a way to handle creating such images in a
15 general way. Each SoC does what it needs to build an image, often packing or
16 concatenating images in the U-Boot build system.
17
18 Binman aims to provide a mechanism for building images, from simple
19 SPL + U-Boot combinations, to more complex arrangements with many parts.
20
21
22 What it does
23 ------------
24
25 Binman reads your board's device tree and finds a node which describes the
26 required image layout. It uses this to work out what to place where. The
27 output file normally contains the device tree, so it is in principle possible
28 to read an image and extract its constituent parts.
29
30
31 Features
32 --------
33
34 So far binman is pretty simple. It supports binary blobs, such as 'u-boot',
35 'spl' and 'fdt'. It supports empty entries (such as setting to 0xff). It can
36 place entries at a fixed location in the image, or fit them together with
37 suitable padding and alignment. It provides a way to process binaries before
38 they are included, by adding a Python plug-in. The device tree is available
39 to U-Boot at run-time so that the images can be interpreted.
40
41 Binman does not yet update the device tree with the final location of
42 everything when it is done. A simple C structure could be generated for
43 constrained environments like SPL (using dtoc) but this is also not
44 implemented.
45
46 Binman can also support incorporating filesystems in the image if required.
47 For example x86 platforms may use CBFS in some cases.
48
49 Binman is intended for use with U-Boot but is designed to be general enough
50 to be useful in other image-packaging situations.
51
52
53 Motivation
54 ----------
55
56 Packaging of firmware is quite a different task from building the various
57 parts. In many cases the various binaries which go into the image come from
58 separate build systems. For example, ARM Trusted Firmware is used on ARMv8
59 devices but is not built in the U-Boot tree. If a Linux kernel is included
60 in the firmware image, it is built elsewhere.
61
62 It is of course possible to add more and more build rules to the U-Boot
63 build system to cover these cases. It can shell out to other Makefiles and
64 build scripts. But it seems better to create a clear divide between building
65 software and packaging it.
66
67 At present this is handled by manual instructions, different for each board,
68 on how to create images that will boot. By turning these instructions into a
69 standard format, we can support making valid images for any board without
70 manual effort, lots of READMEs, etc.
71
72 Benefits:
73 - Each binary can have its own build system and tool chain without creating
74 any dependencies between them
75 - Avoids the need for a single-shot build: individual parts can be updated
76 and brought in as needed
77 - Provides for a standard image description available in the build and at
78 run-time
79 - SoC-specific image-signing tools can be accomodated
80 - Avoids cluttering the U-Boot build system with image-building code
81 - The image description is automatically available at run-time in U-Boot,
82 SPL. It can be made available to other software also
83 - The image description is easily readable (it's a text file in device-tree
84 format) and permits flexible packing of binaries
85
86
87 Terminology
88 -----------
89
90 Binman uses the following terms:
91
92 - image - an output file containing a firmware image
93 - binary - an input binary that goes into the image
94
95
96 Relationship to FIT
97 -------------------
98
99 FIT is U-Boot's official image format. It supports multiple binaries with
100 load / execution addresses, compression. It also supports verification
101 through hashing and RSA signatures.
102
103 FIT was originally designed to support booting a Linux kernel (with an
104 optional ramdisk) and device tree chosen from various options in the FIT.
105 Now that U-Boot supports configuration via device tree, it is possible to
106 load U-Boot from a FIT, with the device tree chosen by SPL.
107
108 Binman considers FIT to be one of the binaries it can place in the image.
109
110 Where possible it is best to put as much as possible in the FIT, with binman
111 used to deal with cases not covered by FIT. Examples include initial
112 execution (since FIT itself does not have an executable header) and dealing
113 with device boundaries, such as the read-only/read-write separation in SPI
114 flash.
115
116 For U-Boot, binman should not be used to create ad-hoc images in place of
117 FIT.
118
119
120 Relationship to mkimage
121 -----------------------
122
123 The mkimage tool provides a means to create a FIT. Traditionally it has
124 needed an image description file: a device tree, like binman, but in a
125 different format. More recently it has started to support a '-f auto' mode
126 which can generate that automatically.
127
128 More relevant to binman, mkimage also permits creation of many SoC-specific
129 image types. These can be listed by running 'mkimage -T list'. Examples
130 include 'rksd', the Rockchip SD/MMC boot format. The mkimage tool is often
131 called from the U-Boot build system for this reason.
132
133 Binman considers the output files created by mkimage to be binary blobs
134 which it can place in an image. Binman does not replace the mkimage tool or
135 this purpose. It would be possible in some situtions to create a new entry
136 type for the images in mkimage, but this would not add functionality. It
137 seems better to use the mkiamge tool to generate binaries and avoid blurring
138 the boundaries between building input files (mkimage) and packaging then
139 into a final image (binman).
140
141
142 Example use of binman in U-Boot
143 -------------------------------
144
145 Binman aims to replace some of the ad-hoc image creation in the U-Boot
146 build system.
147
148 Consider sunxi. It has the following steps:
149
150 1. It uses a custom mksunxiboot tool to build an SPL image called
151 sunxi-spl.bin. This should probably move into mkimage.
152
153 2. It uses mkimage to package U-Boot into a legacy image file (so that it can
154 hold the load and execution address) called u-boot.img.
155
156 3. It builds a final output image called u-boot-sunxi-with-spl.bin which
157 consists of sunxi-spl.bin, some padding and u-boot.img.
158
159 Binman is intended to replace the last step. The U-Boot build system builds
160 u-boot.bin and sunxi-spl.bin. Binman can then take over creation of
161 sunxi-spl.bin (by calling mksunxiboot, or hopefully one day mkimage). In any
162 case, it would then create the image from the component parts.
163
164 This simplifies the U-Boot Makefile somewhat, since various pieces of logic
165 can be replaced by a call to binman.
166
167
168 Example use of binman for x86
169 -----------------------------
170
171 In most cases x86 images have a lot of binary blobs, 'black-box' code
172 provided by Intel which must be run for the platform to work. Typically
173 these blobs are not relocatable and must be placed at fixed areas in the
174 firmare image.
175
176 Currently this is handled by ifdtool, which places microcode, FSP, MRC, VGA
177 BIOS, reference code and Intel ME binaries into a u-boot.rom file.
178
179 Binman is intended to replace all of this, with ifdtool left to handle only
180 the configuration of the Intel-format descriptor.
181
182
183 Running binman
184 --------------
185
186 Type:
187
188         binman -b <board_name>
189
190 to build an image for a board. The board name is the same name used when
191 configuring U-Boot (e.g. for sandbox_defconfig the board name is 'sandbox').
192 Binman assumes that the input files for the build are in ../b/<board_name>.
193
194 Or you can specify this explicitly:
195
196         binman -I <build_path>
197
198 where <build_path> is the build directory containing the output of the U-Boot
199 build.
200
201 (Future work will make this more configurable)
202
203 In either case, binman picks up the device tree file (u-boot.dtb) and looks
204 for its instructions in the 'binman' node.
205
206 Binman has a few other options which you can see by running 'binman -h'.
207
208
209 Enabling binman for a board
210 ---------------------------
211
212 At present binman is invoked from a rule in the main Makefile. Typically you
213 will have a rule like:
214
215 ifneq ($(CONFIG_ARCH_<something>),)
216 u-boot-<your_suffix>.bin: <input_file_1> <input_file_2> checkbinman FORCE
217         $(call if_changed,binman)
218 endif
219
220 This assumes that u-boot-<your_suffix>.bin is a target, and is the final file
221 that you need to produce. You can make it a target by adding it to ALL-y
222 either in the main Makefile or in a config.mk file in your arch subdirectory.
223
224 Once binman is executed it will pick up its instructions from a device-tree
225 file, typically <soc>-u-boot.dtsi, where <soc> is your CONFIG_SYS_SOC value.
226 You can use other, more specific CONFIG options - see 'Automatic .dtsi
227 inclusion' below.
228
229
230 Image description format
231 ------------------------
232
233 The binman node is called 'binman'. An example image description is shown
234 below:
235
236         binman {
237                 filename = "u-boot-sunxi-with-spl.bin";
238                 pad-byte = <0xff>;
239                 blob {
240                         filename = "spl/sunxi-spl.bin";
241                 };
242                 u-boot {
243                         pos = <CONFIG_SPL_PAD_TO>;
244                 };
245         };
246
247
248 This requests binman to create an image file called u-boot-sunxi-with-spl.bin
249 consisting of a specially formatted SPL (spl/sunxi-spl.bin, built by the
250 normal U-Boot Makefile), some 0xff padding, and a U-Boot legacy image. The
251 padding comes from the fact that the second binary is placed at
252 CONFIG_SPL_PAD_TO. If that line were omitted then the U-Boot binary would
253 immediately follow the SPL binary.
254
255 The binman node describes an image. The sub-nodes describe entries in the
256 image. Each entry represents a region within the overall image. The name of
257 the entry (blob, u-boot) tells binman what to put there. For 'blob' we must
258 provide a filename. For 'u-boot', binman knows that this means 'u-boot.bin'.
259
260 Entries are normally placed into the image sequentially, one after the other.
261 The image size is the total size of all entries. As you can see, you can
262 specify the start position of an entry using the 'pos' property.
263
264 Note that due to a device tree requirement, all entries must have a unique
265 name. If you want to put the same binary in the image multiple times, you can
266 use any unique name, with the 'type' property providing the type.
267
268 The attributes supported for entries are described below.
269
270 pos:
271         This sets the position of an entry within the image. The first byte
272         of the image is normally at position 0. If 'pos' is not provided,
273         binman sets it to the end of the previous region, or the start of
274         the image's entry area (normally 0) if there is no previous region.
275
276 align:
277         This sets the alignment of the entry. The entry position is adjusted
278         so that the entry starts on an aligned boundary within the image. For
279         example 'align = <16>' means that the entry will start on a 16-byte
280         boundary. Alignment shold be a power of 2. If 'align' is not
281         provided, no alignment is performed.
282
283 size:
284         This sets the size of the entry. The contents will be padded out to
285         this size. If this is not provided, it will be set to the size of the
286         contents.
287
288 pad-before:
289         Padding before the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
290         that the contents start at the beginning of the entry. This can be
291         offset the entry contents a little. Defaults to 0.
292
293 pad-after:
294         Padding after the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
295         that the entry ends at the last byte of content (unless adjusted by
296         other properties). This allows room to be created in the image for
297         this entry to expand later. Defaults to 0.
298
299 align-size:
300         This sets the alignment of the entry size. For example, to ensure
301         that the size of an entry is a multiple of 64 bytes, set this to 64.
302         If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
303
304 align-end:
305         This sets the alignment of the end of an entry. Some entries require
306         that they end on an alignment boundary, regardless of where they
307         start. If 'align-end' is not provided, no alignment is performed.
308
309         Note: This is not yet implemented in binman.
310
311 filename:
312         For 'blob' types this provides the filename containing the binary to
313         put into the entry. If binman knows about the entry type (like
314         u-boot-bin), then there is no need to specify this.
315
316 type:
317         Sets the type of an entry. This defaults to the entry name, but it is
318         possible to use any name, and then add (for example) 'type = "u-boot"'
319         to specify the type.
320
321
322 The attributes supported for images are described below. Several are similar
323 to those for entries.
324
325 size:
326         Sets the image size in bytes, for example 'size = <0x100000>' for a
327         1MB image.
328
329 align-size:
330         This sets the alignment of the image size. For example, to ensure
331         that the image ends on a 512-byte boundary, use 'align-size = <512>'.
332         If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
333
334 pad-before:
335         This sets the padding before the image entries. The first entry will
336         be positionad after the padding. This defaults to 0.
337
338 pad-after:
339         This sets the padding after the image entries. The padding will be
340         placed after the last entry. This defaults to 0.
341
342 pad-byte:
343         This specifies the pad byte to use when padding in the image. It
344         defaults to 0. To use 0xff, you would add 'pad-byte = <0xff>'.
345
346 filename:
347         This specifies the image filename. It defaults to 'image.bin'.
348
349 sort-by-pos:
350         This causes binman to reorder the entries as needed to make sure they
351         are in increasing positional order. This can be used when your entry
352         order may not match the positional order. A common situation is where
353         the 'pos' properties are set by CONFIG options, so their ordering is
354         not known a priori.
355
356         This is a boolean property so needs no value. To enable it, add a
357         line 'sort-by-pos;' to your description.
358
359 multiple-images:
360         Normally only a single image is generated. To create more than one
361         image, put this property in the binman node. For example, this will
362         create image1.bin containing u-boot.bin, and image2.bin containing
363         both spl/u-boot-spl.bin and u-boot.bin:
364
365         binman {
366                 multiple-images;
367                 image1 {
368                         u-boot {
369                         };
370                 };
371
372                 image2 {
373                         spl {
374                         };
375                         u-boot {
376                         };
377                 };
378         };
379
380 end-at-4gb:
381         For x86 machines the ROM positions start just before 4GB and extend
382         up so that the image finished at the 4GB boundary. This boolean
383         option can be enabled to support this. The image size must be
384         provided so that binman knows when the image should start. For an
385         8MB ROM, the position of the first entry would be 0xfff80000 with
386         this option, instead of 0 without this option.
387
388
389 Examples of the above options can be found in the tests. See the
390 tools/binman/test directory.
391
392
393 Special properties
394 ------------------
395
396 Some entries support special properties, documented here:
397
398 u-boot-with-ucode-ptr:
399         optional-ucode: boolean property to make microcode optional. If the
400                 u-boot.bin image does not include microcode, no error will
401                 be generated.
402
403
404 Order of image creation
405 -----------------------
406
407 Image creation proceeds in the following order, for each entry in the image.
408
409 1. GetEntryContents() - the contents of each entry are obtained, normally by
410 reading from a file. This calls the Entry.ObtainContents() to read the
411 contents. The default version of Entry.ObtainContents() calls
412 Entry.GetDefaultFilename() and then reads that file. So a common mechanism
413 to select a file to read is to override that function in the subclass. The
414 functions must return True when they have read the contents. Binman will
415 retry calling the functions a few times if False is returned, allowing
416 dependencies between the contents of different entries.
417
418 2. GetEntryPositions() - calls Entry.GetPositions() for each entry. This can
419 return a dict containing entries that need updating. The key should be the
420 entry name and the value is a tuple (pos, size). This allows an entry to
421 provide the position and size for other entries. The default implementation
422 of GetEntryPositions() returns {}.
423
424 3. PackEntries() - calls Entry.Pack() which figures out the position and
425 size of an entry. The 'current' image position is passed in, and the function
426 returns the position immediately after the entry being packed. The default
427 implementation of Pack() is usually sufficient.
428
429 4. CheckSize() - checks that the contents of all the entries fits within
430 the image size. If the image does not have a defined size, the size is set
431 large enough to hold all the entries.
432
433 5. CheckEntries() - checks that the entries do not overlap, nor extend
434 outside the image.
435
436 6. ProcessEntryContents() - this calls Entry.ProcessContents() on each entry.
437 The default implementatoin does nothing. This can be overriden to adjust the
438 contents of an entry in some way. For example, it would be possible to create
439 an entry containing a hash of the contents of some other entries. At this
440 stage the position and size of entries should not be adjusted.
441
442 7. BuildImage() - builds the image and writes it to a file. This is the final
443 step.
444
445
446 Automatic .dtsi inclusion
447 -------------------------
448
449 It is sometimes inconvenient to add a 'binman' node to the .dts file for each
450 board. This can be done by using #include to bring in a common file. Another
451 approach supported by the U-Boot build system is to automatically include
452 a common header. You can then put the binman node (and anything else that is
453 specific to U-Boot, such as u-boot,dm-pre-reloc properies) in that header
454 file.
455
456 Binman will search for the following files in arch/<arch>/dts:
457
458    <dts>-u-boot.dtsi where <dts> is the base name of the .dts file
459    <CONFIG_SYS_SOC>-u-boot.dtsi
460    <CONFIG_SYS_CPU>-u-boot.dtsi
461    <CONFIG_SYS_VENDOR>-u-boot.dtsi
462    u-boot.dtsi
463
464 U-Boot will only use the first one that it finds. If you need to include a
465 more general file you can do that from the more specific file using #include.
466 If you are having trouble figuring out what is going on, you can uncomment
467 the 'warning' line in scripts/Makefile.lib to see what it has found:
468
469    # Uncomment for debugging
470    # This shows all the files that were considered and the one that we chose.
471    # u_boot_dtsi_options_debug = $(u_boot_dtsi_options_raw)
472
473
474 Code coverage
475 -------------
476
477 Binman is a critical tool and is designed to be very testable. Entry
478 implementations target 100% test coverage. Run 'binman -T' to check this.
479
480 To enable Python test coverage on Debian-type distributions (e.g. Ubuntu):
481
482    $ sudo apt-get install python-pip python-pytest
483    $ sudo pip install coverage
484
485
486 Advanced Features / Technical docs
487 ----------------------------------
488
489 The behaviour of entries is defined by the Entry class. All other entries are
490 a subclass of this. An important subclass is Entry_blob which takes binary
491 data from a file and places it in the entry. In fact most entry types are
492 subclasses of Entry_blob.
493
494 Each entry type is a separate file in the tools/binman/etype directory. Each
495 file contains a class called Entry_<type> where <type> is the entry type.
496 New entry types can be supported by adding new files in that directory.
497 These will automatically be detected by binman when needed.
498
499 Entry properties are documented in entry.py. The entry subclasses are free
500 to change the values of properties to support special behaviour. For example,
501 when Entry_blob loads a file, it sets content_size to the size of the file.
502 Entry classes can adjust other entries. For example, an entry that knows
503 where other entries should be positioned can set up those entries' positions
504 so they don't need to be set in the binman decription. It can also adjust
505 entry contents.
506
507 Most of the time such essoteric behaviour is not needed, but it can be
508 essential for complex images.
509
510
511 History / Credits
512 -----------------
513
514 Binman takes a lot of inspiration from a Chrome OS tool called
515 'cros_bundle_firmware', which I wrote some years ago. That tool was based on
516 a reasonably simple and sound design but has expanded greatly over the
517 years. In particular its handling of x86 images is convoluted.
518
519 Quite a few lessons have been learned which are hopefully be applied here.
520
521
522 Design notes
523 ------------
524
525 On the face of it, a tool to create firmware images should be fairly simple:
526 just find all the input binaries and place them at the right place in the
527 image. The difficulty comes from the wide variety of input types (simple
528 flat binaries containing code, packaged data with various headers), packing
529 requirments (alignment, spacing, device boundaries) and other required
530 features such as hierarchical images.
531
532 The design challenge is to make it easy to create simple images, while
533 allowing the more complex cases to be supported. For example, for most
534 images we don't much care exactly where each binary ends up, so we should
535 not have to specify that unnecessarily.
536
537 New entry types should aim to provide simple usage where possible. If new
538 core features are needed, they can be added in the Entry base class.
539
540
541 To do
542 -----
543
544 Some ideas:
545 - Fill out the device tree to include the final position and size of each
546   entry (since the input file may not always specify these)
547 - Use of-platdata to make the information available to code that is unable
548   to use device tree (such as a very small SPL image)
549 - Write an image map to a text file
550 - Allow easy building of images by specifying just the board name
551 - Produce a full Python binding for libfdt (for upstream)
552 - Add an option to decode an image into the constituent binaries
553 - Suppoort hierarchical images (packing of binaries into another binary
554   which is then placed in the image)
555 - Support building an image for a board (-b) more completely, with a
556   configurable build directory
557 - Consider making binman work with buildman, although if it is used in the
558   Makefile, this will be automatic
559 - Implement align-end
560
561 --
562 Simon Glass <sjg@chromium.org>
563 7/7/2016