doc: board: anbernic: Update rgxx3 to add new boards
[pandora-u-boot.git] / doc / README.POST
1 Power-On-Self-Test support in U-Boot
2 ------------------------------------
3
4 This project is to support Power-On-Self-Test (POST) in U-Boot.
5
6 1. High-level requirements
7
8 The key requirements for this project are as follows:
9
10 1) The project shall develop a flexible framework for implementing
11    and running Power-On-Self-Test in U-Boot. This framework shall
12    possess the following features:
13
14    o) Extensibility
15
16       The framework shall allow adding/removing/replacing POST tests.
17       Also, standalone POST tests shall be supported.
18
19    o) Configurability
20
21       The framework shall allow run-time configuration of the lists
22       of tests running on normal/power-fail booting.
23
24    o) Controllability
25
26       The framework shall support manual running of the POST tests.
27
28 2) The results of tests shall be saved so that it will be possible to
29    retrieve them from Linux.
30
31 3) The following POST tests shall be developed for MPC823E-based
32    boards:
33
34    o) CPU test
35    o) Cache test
36    o) Memory test
37    o) Ethernet test
38    o) Serial channels test
39    o) Watchdog timer test
40    o) RTC test
41    o) I2C test
42    o) SPI test
43    o) USB test
44
45 4) The LWMON board shall be used for reference.
46
47 2. Design
48
49 This section details the key points of the design for the project.
50 The whole project can be divided into two independent tasks:
51 enhancing U-Boot/Linux to provide a common framework for running POST
52 tests and developing such tests for particular hardware.
53
54 2.1. Hardware-independent POST layer
55
56 A new optional module will be added to U-Boot, which will run POST
57 tests and collect their results at boot time. Also, U-Boot will
58 support running POST tests manually at any time by executing a
59 special command from the system console.
60
61 The list of available POST tests will be configured at U-Boot build
62 time. The POST layer will allow the developer to add any custom POST
63 tests. All POST tests will be divided into the following groups:
64
65   1) Tests running on power-on booting only
66
67      This group will contain those tests that run only once on
68      power-on reset (e.g. watchdog test)
69
70   2) Tests running on normal booting only
71
72      This group will contain those tests that do not take much
73      time and can be run on the regular basis (e.g. CPU test)
74
75   3) Tests running in special "slow test mode" only
76
77      This group will contain POST tests that consume much time
78      and cannot be run regularly (e.g. strong memory test, I2C test)
79
80   4) Manually executed tests
81
82      This group will contain those tests that can be run manually.
83
84 If necessary, some tests may belong to several groups simultaneously.
85 For example, SDRAM test may run in both normal and "slow test" mode.
86 In normal mode, SDRAM test may perform a fast superficial memory test
87 only, while running in slow test mode it may perform a full memory
88 check-up.
89
90 Also, all tests will be discriminated by the moment they run at.
91 Specifically, the following groups will be singled out:
92
93   1) Tests running before relocating to RAM
94
95      These tests will run immediately after initializing RAM
96      as to enable modifying it without taking care of its
97      contents. Basically, this group will contain memory tests
98      only.
99
100   2) Tests running after relocating to RAM
101
102      These tests will run immediately before entering the main
103      loop as to guarantee full hardware initialization.
104
105 The POST layer will also distinguish a special group of tests that
106 may cause system rebooting (e.g. watchdog test). For such tests, the
107 layer will automatically detect rebooting and will notify the test
108 about it.
109
110 2.1.1. POST layer interfaces
111
112 This section details the interfaces between the POST layer and the
113 rest of U-Boot.
114
115 The following flags will be defined:
116
117 #define POST_POWERON            0x01    /* test runs on power-on booting */
118 #define POST_NORMAL             0x02    /* test runs on normal booting */
119 #define POST_SLOWTEST           0x04    /* test is slow, enabled by key press */
120 #define POST_POWERTEST          0x08    /* test runs after watchdog reset */
121 #define POST_ROM                0x100   /* test runs in ROM */
122 #define POST_RAM                0x200   /* test runs in RAM */
123 #define POST_MANUAL             0x400   /* test can be executed manually */
124 #define POST_REBOOT             0x800   /* test may cause rebooting */
125 #define POST_PREREL             0x1000  /* test runs before relocation */
126
127 The POST layer will export the following interface routines:
128
129   o) int post_run(struct bd_info *bd, char *name, int flags);
130
131      This routine will run the test (or the group of tests) specified
132      by the name and flag arguments. More specifically, if the name
133      argument is not NULL, the test with this name will be performed,
134      otherwise all tests running in ROM/RAM (depending on the flag
135      argument) will be executed. This routine will be called at least
136      twice with name set to NULL, once from board_init_f() and once
137      from board_init_r(). The flags argument will also specify the
138      mode the test is executed in (power-on, normal, power-fail,
139      manual).
140
141   o) int post_info(char *name);
142
143      This routine will print the list of all POST tests that can be
144      executed manually if name is NULL, and the description of a
145      particular test if name is not NULL.
146
147   o) int post_log(char *format, ...);
148
149      This routine will be called from POST tests to log their
150      results. Basically, this routine will print the results to
151      stderr. The format of the arguments and the return value
152      will be identical to the printf() routine.
153
154 Also, the following board-specific routines will be called from the
155 U-Boot common code:
156
157   o) int post_hotkeys_pressed(gd_t *gd)
158
159      This routine will scan the keyboard to detect if a magic key
160      combination has been pressed, or otherwise detect if the
161      power-on long-running tests shall be executed or not ("normal"
162      versus "slow" test mode).
163
164 The list of available POST tests be kept in the post_tests array
165 filled at U-Boot build time. The format of entry in this array will
166 be as follows:
167
168 struct post_test {
169     char *name;
170     char *cmd;
171     char *desc;
172     int flags;
173     int (*test)(struct bd_info *bd, int flags);
174 };
175
176   o) name
177
178      This field will contain a short name of the test, which will be
179      used in logs and on listing POST tests (e.g. CPU test).
180
181   o) cmd
182
183      This field will keep a name for identifying the test on manual
184      testing (e.g. cpu). For more information, refer to section
185      "Command line interface".
186
187   o) desc
188
189      This field will contain a detailed description of the test,
190      which will be printed on user request. For more information, see
191      section "Command line interface".
192
193   o) flags
194
195      This field will contain a combination of the bit flags described
196      above, which will specify the mode the test is running in
197      (power-on, normal, power-fail or manual mode), the moment it
198      should be run at (before or after relocating to RAM), whether it
199      can cause system rebooting or not.
200
201   o) test
202
203      This field will contain a pointer to the routine that will
204      perform the test, which will take 2 arguments. The first
205      argument will be a pointer to the board info structure, while
206      the second will be a combination of bit flags specifying the
207      mode the test is running in (POST_POWERON, POST_NORMAL,
208      POST_SLOWTEST, POST_MANUAL) and whether the last execution of
209      the test caused system rebooting (POST_REBOOT). The routine will
210      return 0 on successful execution of the test, and 1 if the test
211      failed.
212
213 The lists of the POST tests that should be run at power-on/normal/
214 power-fail booting will be kept in the environment. Namely, the
215 following environment variables will be used: post_poweron,
216 powet_normal, post_slowtest.
217
218 2.1.2. Test results
219
220 The results of tests will be collected by the POST layer. The POST
221 log will have the following format:
222
223 ...
224 --------------------------------------------
225 START <name>
226 <test-specific output>
227 [PASSED|FAILED]
228 --------------------------------------------
229 ...
230
231 Basically, the results of tests will be printed to stderr. This
232 feature may be enhanced in future to spool the log to a serial line,
233 save it in non-volatile RAM (NVRAM), transfer it to a dedicated
234 storage server and etc.
235
236 2.1.3. Integration issues
237
238 All POST-related code will be #ifdef'ed with the CONFIG_POST macro.
239 This macro will be defined in the config_<board>.h file for those
240 boards that need POST. The CFG_POST macro will contain the list of
241 POST tests for the board. The macro will have the format of array
242 composed of post_test structures:
243
244 #define CFG_POST \
245         {
246                 "On-board peripherals test", "board", \
247                 "  This test performs full check-up of the " \
248                 "on-board hardware.", \
249                 POST_RAM | POST_SLOWTEST, \
250                 &board_post_test \
251         }
252
253 A new file, post.h, will be created in the include/ directory. This
254 file will contain common POST declarations and will define a set of
255 macros that will be reused for defining CFG_POST. As an example,
256 the following macro may be defined:
257
258 #define POST_CACHE \
259         {
260                 "Cache test", "cache", \
261                 "  This test verifies the CPU cache operation.", \
262                 POST_RAM | POST_NORMAL, \
263                 &cache_post_test \
264         }
265
266 A new subdirectory will be created in the U-Boot root directory. It
267 will contain the source code of the POST layer and most of POST
268 tests. Each POST test in this directory will be placed into a
269 separate file (it will be needed for building standalone tests). Some
270 POST tests (mainly those for testing peripheral devices) will be
271 located in the source files of the drivers for those devices. This
272 way will be used only if the test subtantially uses the driver.
273
274 2.1.4. Standalone tests
275
276 The POST framework will allow to develop and run standalone tests. A
277 user-space library will be developed to provide the POST interface
278 functions to standalone tests.
279
280 2.1.5. Command line interface
281
282 A new command, diag, will be added to U-Boot. This command will be
283 used for listing all available hardware tests, getting detailed
284 descriptions of them and running these tests.
285
286 More specifically, being run without any arguments, this command will
287 print the list of all available hardware tests:
288
289 => diag
290 Available hardware tests:
291   cache             - cache test
292   cpu               - CPU test
293   enet              - SCC/FCC ethernet test
294 Use 'diag [<test1> [<test2>]] ... ' to get more info.
295 Use 'diag run [<test1> [<test2>]] ... ' to run tests.
296 =>
297
298 If the first argument to the diag command is not 'run', detailed
299 descriptions of the specified tests will be printed:
300
301 => diag cpu cache
302 cpu - CPU test
303   This test verifies the arithmetic logic unit of CPU.
304 cache - cache test
305   This test verifies the CPU cache operation.
306 =>
307
308 If the first argument to diag is 'run', the specified tests will be
309 executed. If no tests are specified, all available tests will be
310 executed.
311
312 It will be prohibited to execute tests running in ROM manually. The
313 'diag' command will not display such tests and/or run them.
314
315 2.1.6. Power failure handling
316
317 The Linux kernel will be modified to detect power failures and
318 automatically reboot the system in such cases. It will be assumed
319 that the power failure causes a system interrupt.
320
321 To perform correct system shutdown, the kernel will register a
322 handler of the power-fail IRQ on booting. Being called, the handler
323 will run /sbin/reboot using the call_usermodehelper() routine.
324 /sbin/reboot will automatically bring the system down in a secure
325 way. This feature will be configured in/out from the kernel
326 configuration file.
327
328 The POST layer of U-Boot will check whether the system runs in
329 power-fail mode. If it does, the system will be powered off after
330 executing all hardware tests.
331
332 2.1.7. Hazardous tests
333
334 Some tests may cause system rebooting during their execution. For
335 some tests, this will indicate a failure, while for the Watchdog
336 test, this means successful operation of the timer.
337
338 In order to support such tests, the following scheme will be
339 implemented. All the tests that may cause system rebooting will have
340 the POST_REBOOT bit flag set in the flag field of the correspondent
341 post_test structure. Before starting tests marked with this bit flag,
342 the POST layer will store an identification number of the test in a
343 location in IMMR. On booting, the POST layer will check the value of
344 this variable and if it is set will skip over the tests preceding the
345 failed one. On second execution of the failed test, the POST_REBOOT
346 bit flag will be set in the flag argument to the test routine. This
347 will allow to detect system rebooting on the previous iteration. For
348 example, the watchdog timer test may have the following
349 declaration/body:
350
351 ...
352 #define POST_WATCHDOG \
353         {
354                 "Watchdog timer test", "watchdog", \
355                 "  This test checks the watchdog timer.", \
356                 POST_RAM | POST_POWERON | POST_REBOOT, \
357                 &watchdog_post_test \
358         }
359 ...
360
361 ...
362 int watchdog_post_test(struct bd_info *bd, int flags)
363 {
364         unsigned long start_time;
365
366         if (flags & POST_REBOOT) {
367                 /* Test passed */
368                 return 0;
369         } else {
370                 /* disable interrupts */
371                 disable_interrupts();
372                 /* 10-second delay */
373                 ...
374                 /* if we've reached this, the watchdog timer does not work */
375                 enable_interrupts();
376                 return 1;
377         }
378 }
379 ...
380
381 2.2. Hardware-specific details
382
383 This project will also develop a set of POST tests for MPC8xx- based
384 systems. This section provides technical details of how it will be
385 done.
386
387 2.2.1. Generic PPC tests
388
389 The following generic POST tests will be developed:
390
391   o) CPU test
392
393      This test will check the arithmetic logic unit (ALU) of CPU. The
394      test will take several milliseconds and will run on normal
395      booting.
396
397   o) Cache test
398
399      This test will verify the CPU cache (L1 cache). The test will
400      run on normal booting.
401
402   o) Memory test
403
404      This test will examine RAM and check it for errors. The test
405      will always run on booting. On normal booting, only a limited
406      amount of RAM will be checked. On power-fail booting a fool
407      memory check-up will be performed.
408
409 2.2.1.1. CPU test
410
411 This test will verify the following ALU instructions:
412
413   o) Condition register istructions
414
415      This group will contain: mtcrf, mfcr, mcrxr, crand, crandc,
416      cror, crorc, crxor, crnand, crnor, creqv, mcrf.
417
418      The mtcrf/mfcr instructions will be tested by loading different
419      values into the condition register (mtcrf), moving its value to
420      a general-purpose register (mfcr) and comparing this value with
421      the expected one. The mcrxr instruction will be tested by
422      loading a fixed value into the XER register (mtspr), moving XER
423      value to the condition register (mcrxr), moving it to a
424      general-purpose register (mfcr) and comparing the value of this
425      register with the expected one. The rest of instructions will be
426      tested by loading a fixed value into the condition register
427      (mtcrf), executing each instruction several times to modify all
428      4-bit condition fields, moving the value of the conditional
429      register to a general-purpose register (mfcr) and comparing it
430      with the expected one.
431
432   o) Integer compare instructions
433
434      This group will contain: cmp, cmpi, cmpl, cmpli.
435
436      To verify these instructions the test will run them with
437      different combinations of operands, read the condition register
438      value and compare it with the expected one. More specifically,
439      the test will contain a pre-built table containing the
440      description of each test case: the instruction, the values of
441      the operands, the condition field to save the result in and the
442      expected result.
443
444   o) Arithmetic instructions
445
446      This group will contain: add, addc, adde, addme, addze, subf,
447      subfc, subfe, subme, subze, mullw, mulhw, mulhwu, divw, divwu,
448      extsb, extsh.
449
450      The test will contain a pre-built table of instructions,
451      operands, expected results and expected states of the condition
452      register. For each table entry, the test will cyclically use
453      different sets of operand registers and result registers. For
454      example, for instructions that use 3 registers on the first
455      iteration r0/r1 will be used as operands and r2 for result. On
456      the second iteration, r1/r2 will be used as operands and r3 as
457      for result and so on. This will enable to verify all
458      general-purpose registers.
459
460   o) Logic instructions
461
462      This group will contain: and, andc, andi, andis, or, orc, ori,
463      oris, xor, xori, xoris, nand, nor, neg, eqv, cntlzw.
464
465      The test scheme will be identical to that from the previous
466      point.
467
468   o) Shift instructions
469
470      This group will contain: slw, srw, sraw, srawi, rlwinm, rlwnm,
471      rlwimi
472
473      The test scheme will be identical to that from the previous
474      point.
475
476   o) Branch instructions
477
478      This group will contain: b, bl, bc.
479
480      The first 2 instructions (b, bl) will be verified by jumping to
481      a fixed address and checking whether control was transferred to
482      that very point. For the bl instruction the value of the link
483      register will be checked as well (using mfspr). To verify the bc
484      instruction various combinations of the BI/BO fields, the CTR
485      and the condition register values will be checked. The list of
486      such combinations will be pre-built and linked in U-Boot at
487      build time.
488
489   o) Load/store instructions
490
491      This group will contain: lbz(x)(u), lhz(x)(u), lha(x)(u),
492      lwz(x)(u), stb(x)(u), sth(x)(u), stw(x)(u).
493
494      All operations will be performed on a 16-byte array. The array
495      will be 4-byte aligned. The base register will point to offset
496      8. The immediate offset (index register) will range in [-8 ...
497      +7]. The test cases will be composed so that they will not cause
498      alignment exceptions. The test will contain a pre-built table
499      describing all test cases. For store instructions, the table
500      entry will contain: the instruction opcode, the value of the
501      index register and the value of the source register. After
502      executing the instruction, the test will verify the contents of
503      the array and the value of the base register (it must change for
504      "store with update" instructions). For load instructions, the
505      table entry will contain: the instruction opcode, the array
506      contents, the value of the index register and the expected value
507      of the destination register. After executing the instruction,
508      the test will verify the value of the destination register and
509      the value of the base register (it must change for "load with
510      update" instructions).
511
512   o) Load/store multiple/string instructions
513
514
515 The CPU test will run in RAM in order to allow run-time modification
516 of the code to reduce the memory footprint.
517
518 2.2.1.2 Special-Purpose Registers Tests
519
520 TBD.
521
522 2.2.1.3. Cache test
523
524 To verify the data cache operation the following test scenarios will
525 be used:
526
527   1) Basic test #1
528
529     - turn on the data cache
530     - switch the data cache to write-back or write-through mode
531     - invalidate the data cache
532     - write the negative pattern to a cached area
533     - read the area
534
535     The negative pattern must be read at the last step
536
537   2) Basic test #2
538
539     - turn on the data cache
540     - switch the data cache to write-back or write-through mode
541     - invalidate the data cache
542     - write the zero pattern to a cached area
543     - turn off the data cache
544     - write the negative pattern to the area
545     - turn on the data cache
546     - read the area
547
548     The negative pattern must be read at the last step
549
550   3) Write-through mode test
551
552     - turn on the data cache
553     - switch the data cache to write-through mode
554     - invalidate the data cache
555     - write the zero pattern to a cached area
556     - flush the data cache
557     - write the negative pattern to the area
558     - turn off the data cache
559     - read the area
560
561     The negative pattern must be read at the last step
562
563   4) Write-back mode test
564
565     - turn on the data cache
566     - switch the data cache to write-back mode
567     - invalidate the data cache
568     - write the negative pattern to a cached area
569     - flush the data cache
570     - write the zero pattern to the area
571     - invalidate the data cache
572     - read the area
573
574     The negative pattern must be read at the last step
575
576 To verify the instruction cache operation the following test
577 scenarios will be used:
578
579   1) Basic test #1
580
581     - turn on the instruction cache
582     - unlock the entire instruction cache
583     - invalidate the instruction cache
584     - lock a branch instruction in the instruction cache
585     - replace the branch instruction with "nop"
586     - jump to the branch instruction
587     - check that the branch instruction was executed
588
589   2) Basic test #2
590
591     - turn on the instruction cache
592     - unlock the entire instruction cache
593     - invalidate the instruction cache
594     - jump to a branch instruction
595     - check that the branch instruction was executed
596     - replace the branch instruction with "nop"
597     - invalidate the instruction cache
598     - jump to the branch instruction
599     - check that the "nop" instruction was executed
600
601 The CPU test will run in RAM in order to allow run-time modification
602 of the code.
603
604 2.2.1.4. Memory test
605
606 The memory test will verify RAM using sequential writes and reads
607 to/from RAM. Specifically, there will be several test cases that will
608 use different patterns to verify RAM. Each test case will first fill
609 a region of RAM with one pattern and then read the region back and
610 compare its contents with the pattern. The following patterns will be
611 used:
612
613  1) zero pattern (0x00000000)
614  2) negative pattern (0xffffffff)
615  3) checkerboard pattern (0x55555555, 0xaaaaaaaa)
616  4) bit-flip pattern ((1 << (offset % 32)), ~(1 << (offset % 32)))
617  5) address pattern (offset, ~offset)
618
619 Patterns #1, #2 will help to find unstable bits. Patterns #3, #4 will
620 be used to detect adherent bits, i.e. bits whose state may randomly
621 change if adjacent bits are modified. The last pattern will be used
622 to detect far-located errors, i.e. situations when writing to one
623 location modifies an area located far from it. Also, usage of the
624 last pattern will help to detect memory controller misconfigurations
625 when RAM represents a cyclically repeated portion of a smaller size.
626
627 Being run in normal mode, the test will verify only small 4Kb regions
628 of RAM around each 1Mb boundary. For example, for 64Mb RAM the
629 following areas will be verified: 0x00000000-0x00000800,
630 0x000ff800-0x00100800, 0x001ff800-0x00200800, ..., 0x03fff800-
631 0x04000000. If the test is run in power-fail mode, it will verify the
632 whole RAM.
633
634 The memory test will run in ROM before relocating U-Boot to RAM in
635 order to allow RAM modification without saving its contents.
636
637 2.2.2. Common tests
638
639 This section describes tests that are not based on any hardware
640 peculiarities and use common U-Boot interfaces only. These tests do
641 not need any modifications for porting them to another board/CPU.
642
643 2.2.2.1. I2C test
644
645 For verifying the I2C bus, a full I2C bus scanning will be performed
646 using the i2c_probe() routine. If a board defines
647 CFG_SYS_POST_I2C_ADDRS the I2C test will pass if all devices
648 listed in CFG_SYS_POST_I2C_ADDRS are found, and no additional
649 devices are detected.  If CFG_SYS_POST_I2C_ADDRS is not defined
650 the test will pass if any I2C device is found.
651
652 The CFG_SYS_POST_I2C_IGNORES define can be used to list I2C
653 devices which may or may not be present when using
654 CFG_SYS_POST_I2C_ADDRS.  The I2C POST test will pass regardless
655 if the devices in CFG_SYS_POST_I2C_IGNORES are found or not.
656 This is useful in cases when I2C devices are optional (eg on a
657 daughtercard that may or may not be present) or not critical
658 to board operation.
659
660 2.2.2.2. Watchdog timer test
661
662 To test the watchdog timer the scheme mentioned above (refer to
663 section "Hazardous tests") will be used. Namely, this test will be
664 marked with the POST_REBOOT bit flag. On the first iteration, the
665 test routine will make a 10-second delay. If the system does not
666 reboot during this delay, the watchdog timer is not operational and
667 the test fails. If the system reboots, on the second iteration the
668 POST_REBOOT bit will be set in the flag argument to the test routine.
669 The test routine will check this bit and report a success if it is
670 set.
671
672 2.2.2.3. RTC test
673
674 The RTC test will use the rtc_get()/rtc_set() routines. The following
675 features will be verified:
676
677   o) Time uniformity
678
679      This will be verified by reading RTC in polling within a short
680      period of time (5-10 seconds).
681
682   o) Passing month boundaries
683
684      This will be checked by setting RTC to a second before a month
685      boundary and reading it after its passing the boundary. The test
686      will be performed for both leap- and nonleap-years.
687
688 2.2.3. MPC8xx peripherals tests
689
690 This project will develop a set of tests verifying the peripheral
691 units of MPC8xx processors. Namely, the following controllers of the
692 MPC8xx communication processor module (CPM) will be tested:
693
694   o) Serial Management Controllers (SMC)
695
696   o) Serial Communication Controllers (SCC)
697
698 2.2.3.1. Ethernet tests (SCC)
699
700 The internal (local) loopback mode will be used to test SCC. To do
701 that the controllers will be configured accordingly and several
702 packets will be transmitted. These tests may be enhanced in future to
703 use external loopback for testing. That will need appropriate
704 reconfiguration of the physical interface chip.
705
706 The test routines for the SCC ethernet tests will be located in
707 arch/powerpc/cpu/mpc8xx/scc.c.
708
709 2.2.3.2. UART tests (SMC/SCC)
710
711 To perform these tests the internal (local) loopback mode will be
712 used. The SMC/SCC controllers will be configured to connect the
713 transmitter output to the receiver input. After that, several bytes
714 will be transmitted. These tests may be enhanced to make to perform
715 "external" loopback test using a loopback cable. In this case, the
716 test will be executed manually.
717
718 The test routine for the SMC/SCC UART tests will be located in
719 arch/powerpc/cpu/mpc8xx/serial.c.
720
721 2.2.3.3. USB test
722
723 TBD
724
725 2.2.3.4. SPI test
726
727 TBD