]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-uboot.git/blob - doc/driver-model/README.txt
dm: Allow drivers to be marked 'before relocation'
[karo-tx-uboot.git] / doc / driver-model / README.txt
1 Driver Model
2 ============
3
4 This README contains high-level information about driver model, a unified
5 way of declaring and accessing drivers in U-Boot. The original work was done
6 by:
7
8    Marek Vasut <marex@denx.de>
9    Pavel Herrmann <morpheus.ibis@gmail.com>
10    Viktor Křivák <viktor.krivak@gmail.com>
11    Tomas Hlavacek <tmshlvck@gmail.com>
12
13 This has been both simplified and extended into the current implementation
14 by:
15
16    Simon Glass <sjg@chromium.org>
17
18
19 Terminology
20 -----------
21
22 Uclass - a group of devices which operate in the same way. A uclass provides
23         a way of accessing individual devices within the group, but always
24         using the same interface. For example a GPIO uclass provides
25         operations for get/set value. An I2C uclass may have 10 I2C ports,
26         4 with one driver, and 6 with another.
27
28 Driver - some code which talks to a peripheral and presents a higher-level
29         interface to it.
30
31 Device - an instance of a driver, tied to a particular port or peripheral.
32
33
34 How to try it
35 -------------
36
37 Build U-Boot sandbox and run it:
38
39    make sandbox_config
40    make
41    ./u-boot
42
43    (type 'reset' to exit U-Boot)
44
45
46 There is a uclass called 'demo'. This uclass handles
47 saying hello, and reporting its status. There are two drivers in this
48 uclass:
49
50    - simple: Just prints a message for hello, doesn't implement status
51    - shape: Prints shapes and reports number of characters printed as status
52
53 The demo class is pretty simple, but not trivial. The intention is that it
54 can be used for testing, so it will implement all driver model features and
55 provide good code coverage of them. It does have multiple drivers, it
56 handles parameter data and platdata (data which tells the driver how
57 to operate on a particular platform) and it uses private driver data.
58
59 To try it, see the example session below:
60
61 =>demo hello 1
62 Hello '@' from 07981110: red 4
63 =>demo status 2
64 Status: 0
65 =>demo hello 2
66 g
67 r@
68 e@@
69 e@@@
70 n@@@@
71 g@@@@@
72 =>demo status 2
73 Status: 21
74 =>demo hello 4 ^
75   y^^^
76  e^^^^^
77 l^^^^^^^
78 l^^^^^^^
79  o^^^^^
80   w^^^
81 =>demo status 4
82 Status: 36
83 =>
84
85
86 Running the tests
87 -----------------
88
89 The intent with driver model is that the core portion has 100% test coverage
90 in sandbox, and every uclass has its own test. As a move towards this, tests
91 are provided in test/dm. To run them, try:
92
93    ./test/dm/test-dm.sh
94
95 You should see something like this:
96
97     <...U-Boot banner...>
98     Running 14 driver model tests
99     Test: dm_test_autobind
100     Test: dm_test_autoprobe
101     Test: dm_test_children
102     Test: dm_test_fdt
103     Test: dm_test_fdt_pre_reloc
104     Test: dm_test_gpio
105     sandbox_gpio: sb_gpio_get_value: error: offset 4 not reserved
106     Test: dm_test_leak
107     Test: dm_test_lifecycle
108     Test: dm_test_operations
109     Test: dm_test_ordering
110     Test: dm_test_platdata
111     Test: dm_test_pre_reloc
112     Test: dm_test_remove
113     Test: dm_test_uclass
114     Failures: 0
115
116
117 What is going on?
118 -----------------
119
120 Let's start at the top. The demo command is in common/cmd_demo.c. It does
121 the usual command processing and then:
122
123         struct udevice *demo_dev;
124
125         ret = uclass_get_device(UCLASS_DEMO, devnum, &demo_dev);
126
127 UCLASS_DEMO means the class of devices which implement 'demo'. Other
128 classes might be MMC, or GPIO, hashing or serial. The idea is that the
129 devices in the class all share a particular way of working. The class
130 presents a unified view of all these devices to U-Boot.
131
132 This function looks up a device for the demo uclass. Given a device
133 number we can find the device because all devices have registered with
134 the UCLASS_DEMO uclass.
135
136 The device is automatically activated ready for use by uclass_get_device().
137
138 Now that we have the device we can do things like:
139
140         return demo_hello(demo_dev, ch);
141
142 This function is in the demo uclass. It takes care of calling the 'hello'
143 method of the relevant driver. Bearing in mind that there are two drivers,
144 this particular device may use one or other of them.
145
146 The code for demo_hello() is in drivers/demo/demo-uclass.c:
147
148 int demo_hello(struct udevice *dev, int ch)
149 {
150         const struct demo_ops *ops = device_get_ops(dev);
151
152         if (!ops->hello)
153                 return -ENOSYS;
154
155         return ops->hello(dev, ch);
156 }
157
158 As you can see it just calls the relevant driver method. One of these is
159 in drivers/demo/demo-simple.c:
160
161 static int simple_hello(struct udevice *dev, int ch)
162 {
163         const struct dm_demo_pdata *pdata = dev_get_platdata(dev);
164
165         printf("Hello from %08x: %s %d\n", map_to_sysmem(dev),
166                pdata->colour, pdata->sides);
167
168         return 0;
169 }
170
171
172 So that is a trip from top (command execution) to bottom (driver action)
173 but it leaves a lot of topics to address.
174
175
176 Declaring Drivers
177 -----------------
178
179 A driver declaration looks something like this (see
180 drivers/demo/demo-shape.c):
181
182 static const struct demo_ops shape_ops = {
183         .hello = shape_hello,
184         .status = shape_status,
185 };
186
187 U_BOOT_DRIVER(demo_shape_drv) = {
188         .name   = "demo_shape_drv",
189         .id     = UCLASS_DEMO,
190         .ops    = &shape_ops,
191         .priv_data_size = sizeof(struct shape_data),
192 };
193
194
195 This driver has two methods (hello and status) and requires a bit of
196 private data (accessible through dev_get_priv(dev) once the driver has
197 been probed). It is a member of UCLASS_DEMO so will register itself
198 there.
199
200 In U_BOOT_DRIVER it is also possible to specify special methods for bind
201 and unbind, and these are called at appropriate times. For many drivers
202 it is hoped that only 'probe' and 'remove' will be needed.
203
204 The U_BOOT_DRIVER macro creates a data structure accessible from C,
205 so driver model can find the drivers that are available.
206
207 The methods a device can provide are documented in the device.h header.
208 Briefly, they are:
209
210     bind - make the driver model aware of a device (bind it to its driver)
211     unbind - make the driver model forget the device
212     ofdata_to_platdata - convert device tree data to platdata - see later
213     probe - make a device ready for use
214     remove - remove a device so it cannot be used until probed again
215
216 The sequence to get a device to work is bind, ofdata_to_platdata (if using
217 device tree) and probe.
218
219
220 Platform Data
221 -------------
222
223 Platform data is like Linux platform data, if you are familiar with that.
224 It provides the board-specific information to start up a device.
225
226 Why is this information not just stored in the device driver itself? The
227 idea is that the device driver is generic, and can in principle operate on
228 any board that has that type of device. For example, with modern
229 highly-complex SoCs it is common for the IP to come from an IP vendor, and
230 therefore (for example) the MMC controller may be the same on chips from
231 different vendors. It makes no sense to write independent drivers for the
232 MMC controller on each vendor's SoC, when they are all almost the same.
233 Similarly, we may have 6 UARTs in an SoC, all of which are mostly the same,
234 but lie at different addresses in the address space.
235
236 Using the UART example, we have a single driver and it is instantiated 6
237 times by supplying 6 lots of platform data. Each lot of platform data
238 gives the driver name and a pointer to a structure containing information
239 about this instance - e.g. the address of the register space. It may be that
240 one of the UARTS supports RS-485 operation - this can be added as a flag in
241 the platform data, which is set for this one port and clear for the rest.
242
243 Think of your driver as a generic piece of code which knows how to talk to
244 a device, but needs to know where it is, any variant/option information and
245 so on. Platform data provides this link between the generic piece of code
246 and the specific way it is bound on a particular board.
247
248 Examples of platform data include:
249
250    - The base address of the IP block's register space
251    - Configuration options, like:
252          - the SPI polarity and maximum speed for a SPI controller
253          - the I2C speed to use for an I2C device
254          - the number of GPIOs available in a GPIO device
255
256 Where does the platform data come from? It is either held in a structure
257 which is compiled into U-Boot, or it can be parsed from the Device Tree
258 (see 'Device Tree' below).
259
260 For an example of how it can be compiled in, see demo-pdata.c which
261 sets up a table of driver names and their associated platform data.
262 The data can be interpreted by the drivers however they like - it is
263 basically a communication scheme between the board-specific code and
264 the generic drivers, which are intended to work on any board.
265
266 Drivers can access their data via dev->info->platdata. Here is
267 the declaration for the platform data, which would normally appear
268 in the board file.
269
270         static const struct dm_demo_cdata red_square = {
271                 .colour = "red",
272                 .sides = 4.
273         };
274         static const struct driver_info info[] = {
275                 {
276                         .name = "demo_shape_drv",
277                         .platdata = &red_square,
278                 },
279         };
280
281         demo1 = driver_bind(root, &info[0]);
282
283
284 Device Tree
285 -----------
286
287 While platdata is useful, a more flexible way of providing device data is
288 by using device tree. With device tree we replace the above code with the
289 following device tree fragment:
290
291         red-square {
292                 compatible = "demo-shape";
293                 colour = "red";
294                 sides = <4>;
295         };
296
297 This means that instead of having lots of U_BOOT_DEVICE() declarations in
298 the board file, we put these in the device tree. This approach allows a lot
299 more generality, since the same board file can support many types of boards
300 (e,g. with the same SoC) just by using different device trees. An added
301 benefit is that the Linux device tree can be used, thus further simplifying
302 the task of board-bring up either for U-Boot or Linux devs (whoever gets to
303 the board first!).
304
305 The easiest way to make this work it to add a few members to the driver:
306
307         .platdata_auto_alloc_size = sizeof(struct dm_test_pdata),
308         .ofdata_to_platdata = testfdt_ofdata_to_platdata,
309
310 The 'auto_alloc' feature allowed space for the platdata to be allocated
311 and zeroed before the driver's ofdata_to_platdata() method is called. The
312 ofdata_to_platdata() method, which the driver write supplies, should parse
313 the device tree node for this device and place it in dev->platdata. Thus
314 when the probe method is called later (to set up the device ready for use)
315 the platform data will be present.
316
317 Note that both methods are optional. If you provide an ofdata_to_platdata
318 method then it will be called first (during activation). If you provide a
319 probe method it will be called next. See Driver Lifecycle below for more
320 details.
321
322 If you don't want to have the platdata automatically allocated then you
323 can leave out platdata_auto_alloc_size. In this case you can use malloc
324 in your ofdata_to_platdata (or probe) method to allocate the required memory,
325 and you should free it in the remove method.
326
327
328 Declaring Uclasses
329 ------------------
330
331 The demo uclass is declared like this:
332
333 U_BOOT_CLASS(demo) = {
334         .id             = UCLASS_DEMO,
335 };
336
337 It is also possible to specify special methods for probe, etc. The uclass
338 numbering comes from include/dm/uclass.h. To add a new uclass, add to the
339 end of the enum there, then declare your uclass as above.
340
341
342 Driver Lifecycle
343 ----------------
344
345 Here are the stages that a device goes through in driver model. Note that all
346 methods mentioned here are optional - e.g. if there is no probe() method for
347 a device then it will not be called. A simple device may have very few
348 methods actually defined.
349
350 1. Bind stage
351
352 A device and its driver are bound using one of these two methods:
353
354    - Scan the U_BOOT_DEVICE() definitions. U-Boot It looks up the
355 name specified by each, to find the appropriate driver. It then calls
356 device_bind() to create a new device and bind' it to its driver. This will
357 call the device's bind() method.
358
359    - Scan through the device tree definitions. U-Boot looks at top-level
360 nodes in the the device tree. It looks at the compatible string in each node
361 and uses the of_match part of the U_BOOT_DRIVER() structure to find the
362 right driver for each node. It then calls device_bind() to bind the
363 newly-created device to its driver (thereby creating a device structure).
364 This will also call the device's bind() method.
365
366 At this point all the devices are known, and bound to their drivers. There
367 is a 'struct udevice' allocated for all devices. However, nothing has been
368 activated (except for the root device). Each bound device that was created
369 from a U_BOOT_DEVICE() declaration will hold the platdata pointer specified
370 in that declaration. For a bound device created from the device tree,
371 platdata will be NULL, but of_offset will be the offset of the device tree
372 node that caused the device to be created. The uclass is set correctly for
373 the device.
374
375 The device's bind() method is permitted to perform simple actions, but
376 should not scan the device tree node, not initialise hardware, nor set up
377 structures or allocate memory. All of these tasks should be left for
378 the probe() method.
379
380 Note that compared to Linux, U-Boot's driver model has a separate step of
381 probe/remove which is independent of bind/unbind. This is partly because in
382 U-Boot it may be expensive to probe devices and we don't want to do it until
383 they are needed, or perhaps until after relocation.
384
385 2. Activation/probe
386
387 When a device needs to be used, U-Boot activates it, by following these
388 steps (see device_probe()):
389
390    a. If priv_auto_alloc_size is non-zero, then the device-private space
391    is allocated for the device and zeroed. It will be accessible as
392    dev->priv. The driver can put anything it likes in there, but should use
393    it for run-time information, not platform data (which should be static
394    and known before the device is probed).
395
396    b. If platdata_auto_alloc_size is non-zero, then the platform data space
397    is allocated. This is only useful for device tree operation, since
398    otherwise you would have to specific the platform data in the
399    U_BOOT_DEVICE() declaration. The space is allocated for the device and
400    zeroed. It will be accessible as dev->platdata.
401
402    c. If the device's uclass specifies a non-zero per_device_auto_alloc_size,
403    then this space is allocated and zeroed also. It is allocated for and
404    stored in the device, but it is uclass data. owned by the uclass driver.
405    It is possible for the device to access it.
406
407    d. All parent devices are probed. It is not possible to activate a device
408    unless its predecessors (all the way up to the root device) are activated.
409    This means (for example) that an I2C driver will require that its bus
410    be activated.
411
412    e. If the driver provides an ofdata_to_platdata() method, then this is
413    called to convert the device tree data into platform data. This should
414    do various calls like fdtdec_get_int(gd->fdt_blob, dev->of_offset, ...)
415    to access the node and store the resulting information into dev->platdata.
416    After this point, the device works the same way whether it was bound
417    using a device tree node or U_BOOT_DEVICE() structure. In either case,
418    the platform data is now stored in the platdata structure. Typically you
419    will use the platdata_auto_alloc_size feature to specify the size of the
420    platform data structure, and U-Boot will automatically allocate and zero
421    it for you before entry to ofdata_to_platdata(). But if not, you can
422    allocate it yourself in ofdata_to_platdata(). Note that it is preferable
423    to do all the device tree decoding in ofdata_to_platdata() rather than
424    in probe(). (Apart from the ugliness of mixing configuration and run-time
425    data, one day it is possible that U-Boot will cache platformat data for
426    devices which are regularly de/activated).
427
428    f. The device's probe() method is called. This should do anything that
429    is required by the device to get it going. This could include checking
430    that the hardware is actually present, setting up clocks for the
431    hardware and setting up hardware registers to initial values. The code
432    in probe() can access:
433
434       - platform data in dev->platdata (for configuration)
435       - private data in dev->priv (for run-time state)
436       - uclass data in dev->uclass_priv (for things the uclass stores
437         about this device)
438
439    Note: If you don't use priv_auto_alloc_size then you will need to
440    allocate the priv space here yourself. The same applies also to
441    platdata_auto_alloc_size. Remember to free them in the remove() method.
442
443    g. The device is marked 'activated'
444
445    h. The uclass's post_probe() method is called, if one exists. This may
446    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
447    activated and 'known' by the uclass.
448
449 3. Running stage
450
451 The device is now activated and can be used. From now until it is removed
452 all of the above structures are accessible. The device appears in the
453 uclass's list of devices (so if the device is in UCLASS_GPIO it will appear
454 as a device in the GPIO uclass). This is the 'running' state of the device.
455
456 4. Removal stage
457
458 When the device is no-longer required, you can call device_remove() to
459 remove it. This performs the probe steps in reverse:
460
461    a. The uclass's pre_remove() method is called, if one exists. This may
462    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
463    deactivated and no-longer 'known' by the uclass.
464
465    b. All the device's children are removed. It is not permitted to have
466    an active child device with a non-active parent. This means that
467    device_remove() is called for all the children recursively at this point.
468
469    c. The device's remove() method is called. At this stage nothing has been
470    deallocated so platform data, private data and the uclass data will all
471    still be present. This is where the hardware can be shut down. It is
472    intended that the device be completely inactive at this point, For U-Boot
473    to be sure that no hardware is running, it should be enough to remove
474    all devices.
475
476    d. The device memory is freed (platform data, private data, uclass data).
477
478    Note: Because the platform data for a U_BOOT_DEVICE() is defined with a
479    static pointer, it is not de-allocated during the remove() method. For
480    a device instantiated using the device tree data, the platform data will
481    be dynamically allocated, and thus needs to be deallocated during the
482    remove() method, either:
483
484       1. if the platdata_auto_alloc_size is non-zero, the deallocation
485       happens automatically within the driver model core; or
486
487       2. when platdata_auto_alloc_size is 0, both the allocation (in probe()
488       or preferably ofdata_to_platdata()) and the deallocation in remove()
489       are the responsibility of the driver author.
490
491    e. The device is marked inactive. Note that it is still bound, so the
492    device structure itself is not freed at this point. Should the device be
493    activated again, then the cycle starts again at step 2 above.
494
495 5. Unbind stage
496
497 The device is unbound. This is the step that actually destroys the device.
498 If a parent has children these will be destroyed first. After this point
499 the device does not exist and its memory has be deallocated.
500
501
502 Data Structures
503 ---------------
504
505 Driver model uses a doubly-linked list as the basic data structure. Some
506 nodes have several lists running through them. Creating a more efficient
507 data structure might be worthwhile in some rare cases, once we understand
508 what the bottlenecks are.
509
510
511 Changes since v1
512 ----------------
513
514 For the record, this implementation uses a very similar approach to the
515 original patches, but makes at least the following changes:
516
517 - Tried to aggressively remove boilerplate, so that for most drivers there
518 is little or no 'driver model' code to write.
519 - Moved some data from code into data structure - e.g. store a pointer to
520 the driver operations structure in the driver, rather than passing it
521 to the driver bind function.
522 - Rename some structures to make them more similar to Linux (struct udevice
523 instead of struct instance, struct platdata, etc.)
524 - Change the name 'core' to 'uclass', meaning U-Boot class. It seems that
525 this concept relates to a class of drivers (or a subsystem). We shouldn't
526 use 'class' since it is a C++ reserved word, so U-Boot class (uclass) seems
527 better than 'core'.
528 - Remove 'struct driver_instance' and just use a single 'struct udevice'.
529 This removes a level of indirection that doesn't seem necessary.
530 - Built in device tree support, to avoid the need for platdata
531 - Removed the concept of driver relocation, and just make it possible for
532 the new driver (created after relocation) to access the old driver data.
533 I feel that relocation is a very special case and will only apply to a few
534 drivers, many of which can/will just re-init anyway. So the overhead of
535 dealing with this might not be worth it.
536 - Implemented a GPIO system, trying to keep it simple
537
538
539 Pre-Relocation Support
540 ----------------------
541
542 For pre-relocation we simply call the driver model init function. Only
543 drivers marked with DM_FLAG_PRE_RELOC or the device tree
544 'u-boot,dm-pre-reloc' flag are initialised prior to relocation. This helps
545 to reduce the driver model overhead.
546
547 Then post relocation we throw that away and re-init driver model again.
548 For drivers which require some sort of continuity between pre- and
549 post-relocation devices, we can provide access to the pre-relocation
550 device pointers, but this is not currently implemented (the root device
551 pointer is saved but not made available through the driver model API).
552
553
554 Things to punt for later
555 ------------------------
556
557 - SPL support - this will have to be present before many drivers can be
558 converted, but it seems like we can add it once we are happy with the
559 core implementation.
560
561 That is not to say that no thinking has gone into this - in fact there
562 is quite a lot there. However, getting these right is non-trivial and
563 there is a high cost associated with going down the wrong path.
564
565 For SPL, it may be possible to fit in a simplified driver model with only
566 bind and probe methods, to reduce size.
567
568 Uclasses are statically numbered at compile time. It would be possible to
569 change this to dynamic numbering, but then we would require some sort of
570 lookup service, perhaps searching by name. This is slightly less efficient
571 so has been left out for now. One small advantage of dynamic numbering might
572 be fewer merge conflicts in uclass-id.h.
573
574
575 Simon Glass
576 sjg@chromium.org
577 April 2013
578 Updated 7-May-13
579 Updated 14-Jun-13
580 Updated 18-Oct-13
581 Updated 5-Nov-13