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[oweals/u-boot.git] / tools / binman / README
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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 So far U-Boot has not provided a way to handle creating such images in a
13 general way. Each SoC does what it needs to build an image, often packing or
14 concatenating images in the U-Boot build system.
15
16 Binman aims to provide a mechanism for building images, from simple
17 SPL + U-Boot combinations, to more complex arrangements with many parts.
18
19
20 What it does
21 ------------
22
23 Binman reads your board's device tree and finds a node which describes the
24 required image layout. It uses this to work out what to place where. The
25 output file normally contains the device tree, so it is in principle possible
26 to read an image and extract its constituent parts.
27
28
29 Features
30 --------
31
32 So far binman is pretty simple. It supports binary blobs, such as 'u-boot',
33 'spl' and 'fdt'. It supports empty entries (such as setting to 0xff). It can
34 place entries at a fixed location in the image, or fit them together with
35 suitable padding and alignment. It provides a way to process binaries before
36 they are included, by adding a Python plug-in. The device tree is available
37 to U-Boot at run-time so that the images can be interpreted.
38
39 Binman does not yet update the device tree with the final location of
40 everything when it is done. A simple C structure could be generated for
41 constrained environments like SPL (using dtoc) but this is also not
42 implemented.
43
44 Binman can also support incorporating filesystems in the image if required.
45 For example x86 platforms may use CBFS in some cases.
46
47 Binman is intended for use with U-Boot but is designed to be general enough
48 to be useful in other image-packaging situations.
49
50
51 Motivation
52 ----------
53
54 Packaging of firmware is quite a different task from building the various
55 parts. In many cases the various binaries which go into the image come from
56 separate build systems. For example, ARM Trusted Firmware is used on ARMv8
57 devices but is not built in the U-Boot tree. If a Linux kernel is included
58 in the firmware image, it is built elsewhere.
59
60 It is of course possible to add more and more build rules to the U-Boot
61 build system to cover these cases. It can shell out to other Makefiles and
62 build scripts. But it seems better to create a clear divide between building
63 software and packaging it.
64
65 At present this is handled by manual instructions, different for each board,
66 on how to create images that will boot. By turning these instructions into a
67 standard format, we can support making valid images for any board without
68 manual effort, lots of READMEs, etc.
69
70 Benefits:
71 - Each binary can have its own build system and tool chain without creating
72 any dependencies between them
73 - Avoids the need for a single-shot build: individual parts can be updated
74 and brought in as needed
75 - Provides for a standard image description available in the build and at
76 run-time
77 - SoC-specific image-signing tools can be accomodated
78 - Avoids cluttering the U-Boot build system with image-building code
79 - The image description is automatically available at run-time in U-Boot,
80 SPL. It can be made available to other software also
81 - The image description is easily readable (it's a text file in device-tree
82 format) and permits flexible packing of binaries
83
84
85 Terminology
86 -----------
87
88 Binman uses the following terms:
89
90 - image - an output file containing a firmware image
91 - binary - an input binary that goes into the image
92
93
94 Relationship to FIT
95 -------------------
96
97 FIT is U-Boot's official image format. It supports multiple binaries with
98 load / execution addresses, compression. It also supports verification
99 through hashing and RSA signatures.
100
101 FIT was originally designed to support booting a Linux kernel (with an
102 optional ramdisk) and device tree chosen from various options in the FIT.
103 Now that U-Boot supports configuration via device tree, it is possible to
104 load U-Boot from a FIT, with the device tree chosen by SPL.
105
106 Binman considers FIT to be one of the binaries it can place in the image.
107
108 Where possible it is best to put as much as possible in the FIT, with binman
109 used to deal with cases not covered by FIT. Examples include initial
110 execution (since FIT itself does not have an executable header) and dealing
111 with device boundaries, such as the read-only/read-write separation in SPI
112 flash.
113
114 For U-Boot, binman should not be used to create ad-hoc images in place of
115 FIT.
116
117
118 Relationship to mkimage
119 -----------------------
120
121 The mkimage tool provides a means to create a FIT. Traditionally it has
122 needed an image description file: a device tree, like binman, but in a
123 different format. More recently it has started to support a '-f auto' mode
124 which can generate that automatically.
125
126 More relevant to binman, mkimage also permits creation of many SoC-specific
127 image types. These can be listed by running 'mkimage -T list'. Examples
128 include 'rksd', the Rockchip SD/MMC boot format. The mkimage tool is often
129 called from the U-Boot build system for this reason.
130
131 Binman considers the output files created by mkimage to be binary blobs
132 which it can place in an image. Binman does not replace the mkimage tool or
133 this purpose. It would be possible in some situtions to create a new entry
134 type for the images in mkimage, but this would not add functionality. It
135 seems better to use the mkiamge tool to generate binaries and avoid blurring
136 the boundaries between building input files (mkimage) and packaging then
137 into a final image (binman).
138
139
140 Example use of binman in U-Boot
141 -------------------------------
142
143 Binman aims to replace some of the ad-hoc image creation in the U-Boot
144 build system.
145
146 Consider sunxi. It has the following steps:
147
148 1. It uses a custom mksunxiboot tool to build an SPL image called
149 sunxi-spl.bin. This should probably move into mkimage.
150
151 2. It uses mkimage to package U-Boot into a legacy image file (so that it can
152 hold the load and execution address) called u-boot.img.
153
154 3. It builds a final output image called u-boot-sunxi-with-spl.bin which
155 consists of sunxi-spl.bin, some padding and u-boot.img.
156
157 Binman is intended to replace the last step. The U-Boot build system builds
158 u-boot.bin and sunxi-spl.bin. Binman can then take over creation of
159 sunxi-spl.bin (by calling mksunxiboot, or hopefully one day mkimage). In any
160 case, it would then create the image from the component parts.
161
162 This simplifies the U-Boot Makefile somewhat, since various pieces of logic
163 can be replaced by a call to binman.
164
165
166 Example use of binman for x86
167 -----------------------------
168
169 In most cases x86 images have a lot of binary blobs, 'black-box' code
170 provided by Intel which must be run for the platform to work. Typically
171 these blobs are not relocatable and must be placed at fixed areas in the
172 firmare image.
173
174 Currently this is handled by ifdtool, which places microcode, FSP, MRC, VGA
175 BIOS, reference code and Intel ME binaries into a u-boot.rom file.
176
177 Binman is intended to replace all of this, with ifdtool left to handle only
178 the configuration of the Intel-format descriptor.
179
180
181 Running binman
182 --------------
183
184 Type:
185
186         binman -b <board_name>
187
188 to build an image for a board. The board name is the same name used when
189 configuring U-Boot (e.g. for sandbox_defconfig the board name is 'sandbox').
190 Binman assumes that the input files for the build are in ../b/<board_name>.
191
192 Or you can specify this explicitly:
193
194         binman -I <build_path>
195
196 where <build_path> is the build directory containing the output of the U-Boot
197 build.
198
199 (Future work will make this more configurable)
200
201 In either case, binman picks up the device tree file (u-boot.dtb) and looks
202 for its instructions in the 'binman' node.
203
204 Binman has a few other options which you can see by running 'binman -h'.
205
206
207 Enabling binman for a board
208 ---------------------------
209
210 At present binman is invoked from a rule in the main Makefile. Typically you
211 will have a rule like:
212
213 ifneq ($(CONFIG_ARCH_<something>),)
214 u-boot-<your_suffix>.bin: <input_file_1> <input_file_2> checkbinman FORCE
215         $(call if_changed,binman)
216 endif
217
218 This assumes that u-boot-<your_suffix>.bin is a target, and is the final file
219 that you need to produce. You can make it a target by adding it to ALL-y
220 either in the main Makefile or in a config.mk file in your arch subdirectory.
221
222 Once binman is executed it will pick up its instructions from a device-tree
223 file, typically <soc>-u-boot.dtsi, where <soc> is your CONFIG_SYS_SOC value.
224 You can use other, more specific CONFIG options - see 'Automatic .dtsi
225 inclusion' below.
226
227
228 Image description format
229 ------------------------
230
231 The binman node is called 'binman'. An example image description is shown
232 below:
233
234         binman {
235                 filename = "u-boot-sunxi-with-spl.bin";
236                 pad-byte = <0xff>;
237                 blob {
238                         filename = "spl/sunxi-spl.bin";
239                 };
240                 u-boot {
241                         pos = <CONFIG_SPL_PAD_TO>;
242                 };
243         };
244
245
246 This requests binman to create an image file called u-boot-sunxi-with-spl.bin
247 consisting of a specially formatted SPL (spl/sunxi-spl.bin, built by the
248 normal U-Boot Makefile), some 0xff padding, and a U-Boot legacy image. The
249 padding comes from the fact that the second binary is placed at
250 CONFIG_SPL_PAD_TO. If that line were omitted then the U-Boot binary would
251 immediately follow the SPL binary.
252
253 The binman node describes an image. The sub-nodes describe entries in the
254 image. Each entry represents a region within the overall image. The name of
255 the entry (blob, u-boot) tells binman what to put there. For 'blob' we must
256 provide a filename. For 'u-boot', binman knows that this means 'u-boot.bin'.
257
258 Entries are normally placed into the image sequentially, one after the other.
259 The image size is the total size of all entries. As you can see, you can
260 specify the start position of an entry using the 'pos' property.
261
262 Note that due to a device tree requirement, all entries must have a unique
263 name. If you want to put the same binary in the image multiple times, you can
264 use any unique name, with the 'type' property providing the type.
265
266 The attributes supported for entries are described below.
267
268 pos:
269         This sets the position of an entry within the image. The first byte
270         of the image is normally at position 0. If 'pos' is not provided,
271         binman sets it to the end of the previous region, or the start of
272         the image's entry area (normally 0) if there is no previous region.
273
274 align:
275         This sets the alignment of the entry. The entry position is adjusted
276         so that the entry starts on an aligned boundary within the image. For
277         example 'align = <16>' means that the entry will start on a 16-byte
278         boundary. Alignment shold be a power of 2. If 'align' is not
279         provided, no alignment is performed.
280
281 size:
282         This sets the size of the entry. The contents will be padded out to
283         this size. If this is not provided, it will be set to the size of the
284         contents.
285
286 pad-before:
287         Padding before the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
288         that the contents start at the beginning of the entry. This can be
289         offset the entry contents a little. Defaults to 0.
290
291 pad-after:
292         Padding after the contents of the entry. Normally this is 0, meaning
293         that the entry ends at the last byte of content (unless adjusted by
294         other properties). This allows room to be created in the image for
295         this entry to expand later. Defaults to 0.
296
297 align-size:
298         This sets the alignment of the entry size. For example, to ensure
299         that the size of an entry is a multiple of 64 bytes, set this to 64.
300         If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
301
302 align-end:
303         This sets the alignment of the end of an entry. Some entries require
304         that they end on an alignment boundary, regardless of where they
305         start. If 'align-end' is not provided, no alignment is performed.
306
307         Note: This is not yet implemented in binman.
308
309 filename:
310         For 'blob' types this provides the filename containing the binary to
311         put into the entry. If binman knows about the entry type (like
312         u-boot-bin), then there is no need to specify this.
313
314 type:
315         Sets the type of an entry. This defaults to the entry name, but it is
316         possible to use any name, and then add (for example) 'type = "u-boot"'
317         to specify the type.
318
319
320 The attributes supported for images are described below. Several are similar
321 to those for entries.
322
323 size:
324         Sets the image size in bytes, for example 'size = <0x100000>' for a
325         1MB image.
326
327 align-size:
328         This sets the alignment of the image size. For example, to ensure
329         that the image ends on a 512-byte boundary, use 'align-size = <512>'.
330         If 'align-size' is not provided, no alignment is performed.
331
332 pad-before:
333         This sets the padding before the image entries. The first entry will
334         be positionad after the padding. This defaults to 0.
335
336 pad-after:
337         This sets the padding after the image entries. The padding will be
338         placed after the last entry. This defaults to 0.
339
340 pad-byte:
341         This specifies the pad byte to use when padding in the image. It
342         defaults to 0. To use 0xff, you would add 'pad-byte = <0xff>'.
343
344 filename:
345         This specifies the image filename. It defaults to 'image.bin'.
346
347 sort-by-pos:
348         This causes binman to reorder the entries as needed to make sure they
349         are in increasing positional order. This can be used when your entry
350         order may not match the positional order. A common situation is where
351         the 'pos' properties are set by CONFIG options, so their ordering is
352         not known a priori.
353
354         This is a boolean property so needs no value. To enable it, add a
355         line 'sort-by-pos;' to your description.
356
357 multiple-images:
358         Normally only a single image is generated. To create more than one
359         image, put this property in the binman node. For example, this will
360         create image1.bin containing u-boot.bin, and image2.bin containing
361         both spl/u-boot-spl.bin and u-boot.bin:
362
363         binman {
364                 multiple-images;
365                 image1 {
366                         u-boot {
367                         };
368                 };
369
370                 image2 {
371                         spl {
372                         };
373                         u-boot {
374                         };
375                 };
376         };
377
378 end-at-4gb:
379         For x86 machines the ROM positions start just before 4GB and extend
380         up so that the image finished at the 4GB boundary. This boolean
381         option can be enabled to support this. The image size must be
382         provided so that binman knows when the image should start. For an
383         8MB ROM, the position of the first entry would be 0xfff80000 with
384         this option, instead of 0 without this option.
385
386
387 Examples of the above options can be found in the tests. See the
388 tools/binman/test directory.
389
390
391 Special properties
392 ------------------
393
394 Some entries support special properties, documented here:
395
396 u-boot-with-ucode-ptr:
397         optional-ucode: boolean property to make microcode optional. If the
398                 u-boot.bin image does not include microcode, no error will
399                 be generated.
400
401
402 Order of image creation
403 -----------------------
404
405 Image creation proceeds in the following order, for each entry in the image.
406
407 1. GetEntryContents() - the contents of each entry are obtained, normally by
408 reading from a file. This calls the Entry.ObtainContents() to read the
409 contents. The default version of Entry.ObtainContents() calls
410 Entry.GetDefaultFilename() and then reads that file. So a common mechanism
411 to select a file to read is to override that function in the subclass. The
412 functions must return True when they have read the contents. Binman will
413 retry calling the functions a few times if False is returned, allowing
414 dependencies between the contents of different entries.
415
416 2. GetEntryPositions() - calls Entry.GetPositions() for each entry. This can
417 return a dict containing entries that need updating. The key should be the
418 entry name and the value is a tuple (pos, size). This allows an entry to
419 provide the position and size for other entries. The default implementation
420 of GetEntryPositions() returns {}.
421
422 3. PackEntries() - calls Entry.Pack() which figures out the position and
423 size of an entry. The 'current' image position is passed in, and the function
424 returns the position immediately after the entry being packed. The default
425 implementation of Pack() is usually sufficient.
426
427 4. CheckSize() - checks that the contents of all the entries fits within
428 the image size. If the image does not have a defined size, the size is set
429 large enough to hold all the entries.
430
431 5. CheckEntries() - checks that the entries do not overlap, nor extend
432 outside the image.
433
434 6. ProcessEntryContents() - this calls Entry.ProcessContents() on each entry.
435 The default implementatoin does nothing. This can be overriden to adjust the
436 contents of an entry in some way. For example, it would be possible to create
437 an entry containing a hash of the contents of some other entries. At this
438 stage the position and size of entries should not be adjusted.
439
440 6. WriteEntryInfo()
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 Access to binman entry positions at run time
475 --------------------------------------------
476
477 Binman assembles images and determines where each entry is placed in the image.
478 This information may be useful to U-Boot at run time. For example, in SPL it
479 is useful to be able to find the location of U-Boot so that it can be executed
480 when SPL is finished.
481
482 Binman allows you to declare symbols in the SPL image which are filled in
483 with their correct values during the build. For example:
484
485     binman_sym_declare(ulong, u_boot_any, pos);
486
487 declares a ulong value which will be assigned to the position of any U-Boot
488 image (u-boot.bin, u-boot.img, u-boot-nodtb.bin) that is present in the image.
489 You can access this value with something like:
490
491     ulong u_boot_pos = binman_sym(ulong, u_boot_any, pos);
492
493 Thus u_boot_pos will be set to the position of U-Boot in memory, assuming that
494 the whole image has been loaded, or is available in flash. You can then jump to
495 that address to start U-Boot.
496
497 At present this feature is only supported in SPL. In principle it is possible
498 to fill in such symbols in U-Boot proper, as well.
499
500
501 Code coverage
502 -------------
503
504 Binman is a critical tool and is designed to be very testable. Entry
505 implementations target 100% test coverage. Run 'binman -T' to check this.
506
507 To enable Python test coverage on Debian-type distributions (e.g. Ubuntu):
508
509    $ sudo apt-get install python-pip python-pytest
510    $ sudo pip install coverage
511
512
513 Advanced Features / Technical docs
514 ----------------------------------
515
516 The behaviour of entries is defined by the Entry class. All other entries are
517 a subclass of this. An important subclass is Entry_blob which takes binary
518 data from a file and places it in the entry. In fact most entry types are
519 subclasses of Entry_blob.
520
521 Each entry type is a separate file in the tools/binman/etype directory. Each
522 file contains a class called Entry_<type> where <type> is the entry type.
523 New entry types can be supported by adding new files in that directory.
524 These will automatically be detected by binman when needed.
525
526 Entry properties are documented in entry.py. The entry subclasses are free
527 to change the values of properties to support special behaviour. For example,
528 when Entry_blob loads a file, it sets content_size to the size of the file.
529 Entry classes can adjust other entries. For example, an entry that knows
530 where other entries should be positioned can set up those entries' positions
531 so they don't need to be set in the binman decription. It can also adjust
532 entry contents.
533
534 Most of the time such essoteric behaviour is not needed, but it can be
535 essential for complex images.
536
537 If you need to specify a particular device-tree compiler to use, you can define
538 the DTC environment variable. This can be useful when the system dtc is too
539 old.
540
541
542 History / Credits
543 -----------------
544
545 Binman takes a lot of inspiration from a Chrome OS tool called
546 'cros_bundle_firmware', which I wrote some years ago. That tool was based on
547 a reasonably simple and sound design but has expanded greatly over the
548 years. In particular its handling of x86 images is convoluted.
549
550 Quite a few lessons have been learned which are hopefully be applied here.
551
552
553 Design notes
554 ------------
555
556 On the face of it, a tool to create firmware images should be fairly simple:
557 just find all the input binaries and place them at the right place in the
558 image. The difficulty comes from the wide variety of input types (simple
559 flat binaries containing code, packaged data with various headers), packing
560 requirments (alignment, spacing, device boundaries) and other required
561 features such as hierarchical images.
562
563 The design challenge is to make it easy to create simple images, while
564 allowing the more complex cases to be supported. For example, for most
565 images we don't much care exactly where each binary ends up, so we should
566 not have to specify that unnecessarily.
567
568 New entry types should aim to provide simple usage where possible. If new
569 core features are needed, they can be added in the Entry base class.
570
571
572 To do
573 -----
574
575 Some ideas:
576 - Fill out the device tree to include the final position and size of each
577   entry (since the input file may not always specify these). See also
578   'Access to binman entry positions at run time' above
579 - Use of-platdata to make the information available to code that is unable
580   to use device tree (such as a very small SPL image)
581 - Write an image map to a text file
582 - Allow easy building of images by specifying just the board name
583 - Produce a full Python binding for libfdt (for upstream)
584 - Add an option to decode an image into the constituent binaries
585 - Suppoort hierarchical images (packing of binaries into another binary
586   which is then placed in the image)
587 - Support building an image for a board (-b) more completely, with a
588   configurable build directory
589 - Consider making binman work with buildman, although if it is used in the
590   Makefile, this will be automatic
591 - Implement align-end
592
593 --
594 Simon Glass <sjg@chromium.org>
595 7/7/2016