]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-uboot.git/blob - doc/driver-model/README.txt
dm: Introduce device sequence numbering
[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 15 driver model tests
99     Test: dm_test_autobind
100     Test: dm_test_autoprobe
101     Test: dm_test_children
102     Test: dm_test_fdt
103     Device 'd-test': seq 3 is in use by 'b-test'
104     Test: dm_test_fdt_pre_reloc
105     Test: dm_test_fdt_uclass_seq
106     Device 'd-test': seq 3 is in use by 'b-test'
107     Device 'a-test': seq 0 is in use by 'd-test'
108     Test: dm_test_gpio
109     sandbox_gpio: sb_gpio_get_value: error: offset 4 not reserved
110     Test: dm_test_leak
111     Test: dm_test_lifecycle
112     Test: dm_test_operations
113     Test: dm_test_ordering
114     Test: dm_test_platdata
115     Test: dm_test_pre_reloc
116     Test: dm_test_remove
117     Test: dm_test_uclass
118     Failures: 0
119
120
121 What is going on?
122 -----------------
123
124 Let's start at the top. The demo command is in common/cmd_demo.c. It does
125 the usual command processing and then:
126
127         struct udevice *demo_dev;
128
129         ret = uclass_get_device(UCLASS_DEMO, devnum, &demo_dev);
130
131 UCLASS_DEMO means the class of devices which implement 'demo'. Other
132 classes might be MMC, or GPIO, hashing or serial. The idea is that the
133 devices in the class all share a particular way of working. The class
134 presents a unified view of all these devices to U-Boot.
135
136 This function looks up a device for the demo uclass. Given a device
137 number we can find the device because all devices have registered with
138 the UCLASS_DEMO uclass.
139
140 The device is automatically activated ready for use by uclass_get_device().
141
142 Now that we have the device we can do things like:
143
144         return demo_hello(demo_dev, ch);
145
146 This function is in the demo uclass. It takes care of calling the 'hello'
147 method of the relevant driver. Bearing in mind that there are two drivers,
148 this particular device may use one or other of them.
149
150 The code for demo_hello() is in drivers/demo/demo-uclass.c:
151
152 int demo_hello(struct udevice *dev, int ch)
153 {
154         const struct demo_ops *ops = device_get_ops(dev);
155
156         if (!ops->hello)
157                 return -ENOSYS;
158
159         return ops->hello(dev, ch);
160 }
161
162 As you can see it just calls the relevant driver method. One of these is
163 in drivers/demo/demo-simple.c:
164
165 static int simple_hello(struct udevice *dev, int ch)
166 {
167         const struct dm_demo_pdata *pdata = dev_get_platdata(dev);
168
169         printf("Hello from %08x: %s %d\n", map_to_sysmem(dev),
170                pdata->colour, pdata->sides);
171
172         return 0;
173 }
174
175
176 So that is a trip from top (command execution) to bottom (driver action)
177 but it leaves a lot of topics to address.
178
179
180 Declaring Drivers
181 -----------------
182
183 A driver declaration looks something like this (see
184 drivers/demo/demo-shape.c):
185
186 static const struct demo_ops shape_ops = {
187         .hello = shape_hello,
188         .status = shape_status,
189 };
190
191 U_BOOT_DRIVER(demo_shape_drv) = {
192         .name   = "demo_shape_drv",
193         .id     = UCLASS_DEMO,
194         .ops    = &shape_ops,
195         .priv_data_size = sizeof(struct shape_data),
196 };
197
198
199 This driver has two methods (hello and status) and requires a bit of
200 private data (accessible through dev_get_priv(dev) once the driver has
201 been probed). It is a member of UCLASS_DEMO so will register itself
202 there.
203
204 In U_BOOT_DRIVER it is also possible to specify special methods for bind
205 and unbind, and these are called at appropriate times. For many drivers
206 it is hoped that only 'probe' and 'remove' will be needed.
207
208 The U_BOOT_DRIVER macro creates a data structure accessible from C,
209 so driver model can find the drivers that are available.
210
211 The methods a device can provide are documented in the device.h header.
212 Briefly, they are:
213
214     bind - make the driver model aware of a device (bind it to its driver)
215     unbind - make the driver model forget the device
216     ofdata_to_platdata - convert device tree data to platdata - see later
217     probe - make a device ready for use
218     remove - remove a device so it cannot be used until probed again
219
220 The sequence to get a device to work is bind, ofdata_to_platdata (if using
221 device tree) and probe.
222
223
224 Platform Data
225 -------------
226
227 Platform data is like Linux platform data, if you are familiar with that.
228 It provides the board-specific information to start up a device.
229
230 Why is this information not just stored in the device driver itself? The
231 idea is that the device driver is generic, and can in principle operate on
232 any board that has that type of device. For example, with modern
233 highly-complex SoCs it is common for the IP to come from an IP vendor, and
234 therefore (for example) the MMC controller may be the same on chips from
235 different vendors. It makes no sense to write independent drivers for the
236 MMC controller on each vendor's SoC, when they are all almost the same.
237 Similarly, we may have 6 UARTs in an SoC, all of which are mostly the same,
238 but lie at different addresses in the address space.
239
240 Using the UART example, we have a single driver and it is instantiated 6
241 times by supplying 6 lots of platform data. Each lot of platform data
242 gives the driver name and a pointer to a structure containing information
243 about this instance - e.g. the address of the register space. It may be that
244 one of the UARTS supports RS-485 operation - this can be added as a flag in
245 the platform data, which is set for this one port and clear for the rest.
246
247 Think of your driver as a generic piece of code which knows how to talk to
248 a device, but needs to know where it is, any variant/option information and
249 so on. Platform data provides this link between the generic piece of code
250 and the specific way it is bound on a particular board.
251
252 Examples of platform data include:
253
254    - The base address of the IP block's register space
255    - Configuration options, like:
256          - the SPI polarity and maximum speed for a SPI controller
257          - the I2C speed to use for an I2C device
258          - the number of GPIOs available in a GPIO device
259
260 Where does the platform data come from? It is either held in a structure
261 which is compiled into U-Boot, or it can be parsed from the Device Tree
262 (see 'Device Tree' below).
263
264 For an example of how it can be compiled in, see demo-pdata.c which
265 sets up a table of driver names and their associated platform data.
266 The data can be interpreted by the drivers however they like - it is
267 basically a communication scheme between the board-specific code and
268 the generic drivers, which are intended to work on any board.
269
270 Drivers can access their data via dev->info->platdata. Here is
271 the declaration for the platform data, which would normally appear
272 in the board file.
273
274         static const struct dm_demo_cdata red_square = {
275                 .colour = "red",
276                 .sides = 4.
277         };
278         static const struct driver_info info[] = {
279                 {
280                         .name = "demo_shape_drv",
281                         .platdata = &red_square,
282                 },
283         };
284
285         demo1 = driver_bind(root, &info[0]);
286
287
288 Device Tree
289 -----------
290
291 While platdata is useful, a more flexible way of providing device data is
292 by using device tree. With device tree we replace the above code with the
293 following device tree fragment:
294
295         red-square {
296                 compatible = "demo-shape";
297                 colour = "red";
298                 sides = <4>;
299         };
300
301 This means that instead of having lots of U_BOOT_DEVICE() declarations in
302 the board file, we put these in the device tree. This approach allows a lot
303 more generality, since the same board file can support many types of boards
304 (e,g. with the same SoC) just by using different device trees. An added
305 benefit is that the Linux device tree can be used, thus further simplifying
306 the task of board-bring up either for U-Boot or Linux devs (whoever gets to
307 the board first!).
308
309 The easiest way to make this work it to add a few members to the driver:
310
311         .platdata_auto_alloc_size = sizeof(struct dm_test_pdata),
312         .ofdata_to_platdata = testfdt_ofdata_to_platdata,
313
314 The 'auto_alloc' feature allowed space for the platdata to be allocated
315 and zeroed before the driver's ofdata_to_platdata() method is called. The
316 ofdata_to_platdata() method, which the driver write supplies, should parse
317 the device tree node for this device and place it in dev->platdata. Thus
318 when the probe method is called later (to set up the device ready for use)
319 the platform data will be present.
320
321 Note that both methods are optional. If you provide an ofdata_to_platdata
322 method then it will be called first (during activation). If you provide a
323 probe method it will be called next. See Driver Lifecycle below for more
324 details.
325
326 If you don't want to have the platdata automatically allocated then you
327 can leave out platdata_auto_alloc_size. In this case you can use malloc
328 in your ofdata_to_platdata (or probe) method to allocate the required memory,
329 and you should free it in the remove method.
330
331
332 Declaring Uclasses
333 ------------------
334
335 The demo uclass is declared like this:
336
337 U_BOOT_CLASS(demo) = {
338         .id             = UCLASS_DEMO,
339 };
340
341 It is also possible to specify special methods for probe, etc. The uclass
342 numbering comes from include/dm/uclass.h. To add a new uclass, add to the
343 end of the enum there, then declare your uclass as above.
344
345
346 Device Sequence Numbers
347 -----------------------
348
349 U-Boot numbers devices from 0 in many situations, such as in the command
350 line for I2C and SPI buses, and the device names for serial ports (serial0,
351 serial1, ...). Driver model supports this numbering and permits devices
352 to be locating by their 'sequence'.
353
354 Sequence numbers start from 0 but gaps are permitted. For example, a board
355 may have I2C buses 0, 1, 4, 5 but no 2 or 3. The choice of how devices are
356 numbered is up to a particular board, and may be set by the SoC in some
357 cases. While it might be tempting to automatically renumber the devices
358 where there are gaps in the sequence, this can lead to confusion and is
359 not the way that U-Boot works.
360
361 Each device can request a sequence number. If none is required then the
362 device will be automatically allocated the next available sequence number.
363
364 To specify the sequence number in the device tree an alias is typically
365 used.
366
367 aliases {
368         serial2 = "/serial@22230000";
369 };
370
371 This indicates that in the uclass called "serial", the named node
372 ("/serial@22230000") will be given sequence number 2. Any command or driver
373 which requests serial device 2 will obtain this device.
374
375 Some devices represent buses where the devices on the bus are numbered or
376 addressed. For example, SPI typically numbers its slaves from 0, and I2C
377 uses a 7-bit address. In these cases the 'reg' property of the subnode is
378 used, for example:
379
380 {
381         aliases {
382                 spi2 = "/spi@22300000";
383         };
384
385         spi@22300000 {
386                 #address-cells = <1>;
387                 #size-cells = <1>;
388                 spi-flash@0 {
389                         reg = <0>;
390                         ...
391                 }
392                 eeprom@1 {
393                         reg = <1>;
394                 };
395         };
396
397 In this case we have a SPI bus with two slaves at 0 and 1. The SPI bus
398 itself is numbered 2. So we might access the SPI flash with:
399
400         sf probe 2:0
401
402 and the eeprom with
403
404         sspi 2:1 32 ef
405
406 These commands simply need to look up the 2nd device in the SPI uclass to
407 find the right SPI bus. Then, they look at the children of that bus for the
408 right sequence number (0 or 1 in this case).
409
410 Typically the alias method is used for top-level nodes and the 'reg' method
411 is used only for buses.
412
413 Device sequence numbers are resolved when a device is probed. Before then
414 the sequence number is only a request which may or may not be honoured,
415 depending on what other devices have been probed. However the numbering is
416 entirely under the control of the board author so a conflict is generally
417 an error.
418
419
420 Driver Lifecycle
421 ----------------
422
423 Here are the stages that a device goes through in driver model. Note that all
424 methods mentioned here are optional - e.g. if there is no probe() method for
425 a device then it will not be called. A simple device may have very few
426 methods actually defined.
427
428 1. Bind stage
429
430 A device and its driver are bound using one of these two methods:
431
432    - Scan the U_BOOT_DEVICE() definitions. U-Boot It looks up the
433 name specified by each, to find the appropriate driver. It then calls
434 device_bind() to create a new device and bind' it to its driver. This will
435 call the device's bind() method.
436
437    - Scan through the device tree definitions. U-Boot looks at top-level
438 nodes in the the device tree. It looks at the compatible string in each node
439 and uses the of_match part of the U_BOOT_DRIVER() structure to find the
440 right driver for each node. It then calls device_bind() to bind the
441 newly-created device to its driver (thereby creating a device structure).
442 This will also call the device's bind() method.
443
444 At this point all the devices are known, and bound to their drivers. There
445 is a 'struct udevice' allocated for all devices. However, nothing has been
446 activated (except for the root device). Each bound device that was created
447 from a U_BOOT_DEVICE() declaration will hold the platdata pointer specified
448 in that declaration. For a bound device created from the device tree,
449 platdata will be NULL, but of_offset will be the offset of the device tree
450 node that caused the device to be created. The uclass is set correctly for
451 the device.
452
453 The device's bind() method is permitted to perform simple actions, but
454 should not scan the device tree node, not initialise hardware, nor set up
455 structures or allocate memory. All of these tasks should be left for
456 the probe() method.
457
458 Note that compared to Linux, U-Boot's driver model has a separate step of
459 probe/remove which is independent of bind/unbind. This is partly because in
460 U-Boot it may be expensive to probe devices and we don't want to do it until
461 they are needed, or perhaps until after relocation.
462
463 2. Activation/probe
464
465 When a device needs to be used, U-Boot activates it, by following these
466 steps (see device_probe()):
467
468    a. If priv_auto_alloc_size is non-zero, then the device-private space
469    is allocated for the device and zeroed. It will be accessible as
470    dev->priv. The driver can put anything it likes in there, but should use
471    it for run-time information, not platform data (which should be static
472    and known before the device is probed).
473
474    b. If platdata_auto_alloc_size is non-zero, then the platform data space
475    is allocated. This is only useful for device tree operation, since
476    otherwise you would have to specific the platform data in the
477    U_BOOT_DEVICE() declaration. The space is allocated for the device and
478    zeroed. It will be accessible as dev->platdata.
479
480    c. If the device's uclass specifies a non-zero per_device_auto_alloc_size,
481    then this space is allocated and zeroed also. It is allocated for and
482    stored in the device, but it is uclass data. owned by the uclass driver.
483    It is possible for the device to access it.
484
485    d. All parent devices are probed. It is not possible to activate a device
486    unless its predecessors (all the way up to the root device) are activated.
487    This means (for example) that an I2C driver will require that its bus
488    be activated.
489
490    e. The device's sequence number is assigned, either the requested one
491    (assuming no conflicts) or the next available one if there is a conflict
492    or nothing particular is requested.
493
494    f. If the driver provides an ofdata_to_platdata() method, then this is
495    called to convert the device tree data into platform data. This should
496    do various calls like fdtdec_get_int(gd->fdt_blob, dev->of_offset, ...)
497    to access the node and store the resulting information into dev->platdata.
498    After this point, the device works the same way whether it was bound
499    using a device tree node or U_BOOT_DEVICE() structure. In either case,
500    the platform data is now stored in the platdata structure. Typically you
501    will use the platdata_auto_alloc_size feature to specify the size of the
502    platform data structure, and U-Boot will automatically allocate and zero
503    it for you before entry to ofdata_to_platdata(). But if not, you can
504    allocate it yourself in ofdata_to_platdata(). Note that it is preferable
505    to do all the device tree decoding in ofdata_to_platdata() rather than
506    in probe(). (Apart from the ugliness of mixing configuration and run-time
507    data, one day it is possible that U-Boot will cache platformat data for
508    devices which are regularly de/activated).
509
510    g. The device's probe() method is called. This should do anything that
511    is required by the device to get it going. This could include checking
512    that the hardware is actually present, setting up clocks for the
513    hardware and setting up hardware registers to initial values. The code
514    in probe() can access:
515
516       - platform data in dev->platdata (for configuration)
517       - private data in dev->priv (for run-time state)
518       - uclass data in dev->uclass_priv (for things the uclass stores
519         about this device)
520
521    Note: If you don't use priv_auto_alloc_size then you will need to
522    allocate the priv space here yourself. The same applies also to
523    platdata_auto_alloc_size. Remember to free them in the remove() method.
524
525    h. The device is marked 'activated'
526
527    i. The uclass's post_probe() method is called, if one exists. This may
528    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
529    activated and 'known' by the uclass.
530
531 3. Running stage
532
533 The device is now activated and can be used. From now until it is removed
534 all of the above structures are accessible. The device appears in the
535 uclass's list of devices (so if the device is in UCLASS_GPIO it will appear
536 as a device in the GPIO uclass). This is the 'running' state of the device.
537
538 4. Removal stage
539
540 When the device is no-longer required, you can call device_remove() to
541 remove it. This performs the probe steps in reverse:
542
543    a. The uclass's pre_remove() method is called, if one exists. This may
544    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
545    deactivated and no-longer 'known' by the uclass.
546
547    b. All the device's children are removed. It is not permitted to have
548    an active child device with a non-active parent. This means that
549    device_remove() is called for all the children recursively at this point.
550
551    c. The device's remove() method is called. At this stage nothing has been
552    deallocated so platform data, private data and the uclass data will all
553    still be present. This is where the hardware can be shut down. It is
554    intended that the device be completely inactive at this point, For U-Boot
555    to be sure that no hardware is running, it should be enough to remove
556    all devices.
557
558    d. The device memory is freed (platform data, private data, uclass data).
559
560    Note: Because the platform data for a U_BOOT_DEVICE() is defined with a
561    static pointer, it is not de-allocated during the remove() method. For
562    a device instantiated using the device tree data, the platform data will
563    be dynamically allocated, and thus needs to be deallocated during the
564    remove() method, either:
565
566       1. if the platdata_auto_alloc_size is non-zero, the deallocation
567       happens automatically within the driver model core; or
568
569       2. when platdata_auto_alloc_size is 0, both the allocation (in probe()
570       or preferably ofdata_to_platdata()) and the deallocation in remove()
571       are the responsibility of the driver author.
572
573    e. The device sequence number is set to -1, meaning that it no longer
574    has an allocated sequence. If the device is later reactivated and that
575    sequence number is still free, it may well receive the name sequence
576    number again. But from this point, the sequence number previously used
577    by this device will no longer exist (think of SPI bus 2 being removed
578    and bus 2 is no longer available for use).
579
580    f. The device is marked inactive. Note that it is still bound, so the
581    device structure itself is not freed at this point. Should the device be
582    activated again, then the cycle starts again at step 2 above.
583
584 5. Unbind stage
585
586 The device is unbound. This is the step that actually destroys the device.
587 If a parent has children these will be destroyed first. After this point
588 the device does not exist and its memory has be deallocated.
589
590
591 Data Structures
592 ---------------
593
594 Driver model uses a doubly-linked list as the basic data structure. Some
595 nodes have several lists running through them. Creating a more efficient
596 data structure might be worthwhile in some rare cases, once we understand
597 what the bottlenecks are.
598
599
600 Changes since v1
601 ----------------
602
603 For the record, this implementation uses a very similar approach to the
604 original patches, but makes at least the following changes:
605
606 - Tried to aggressively remove boilerplate, so that for most drivers there
607 is little or no 'driver model' code to write.
608 - Moved some data from code into data structure - e.g. store a pointer to
609 the driver operations structure in the driver, rather than passing it
610 to the driver bind function.
611 - Rename some structures to make them more similar to Linux (struct udevice
612 instead of struct instance, struct platdata, etc.)
613 - Change the name 'core' to 'uclass', meaning U-Boot class. It seems that
614 this concept relates to a class of drivers (or a subsystem). We shouldn't
615 use 'class' since it is a C++ reserved word, so U-Boot class (uclass) seems
616 better than 'core'.
617 - Remove 'struct driver_instance' and just use a single 'struct udevice'.
618 This removes a level of indirection that doesn't seem necessary.
619 - Built in device tree support, to avoid the need for platdata
620 - Removed the concept of driver relocation, and just make it possible for
621 the new driver (created after relocation) to access the old driver data.
622 I feel that relocation is a very special case and will only apply to a few
623 drivers, many of which can/will just re-init anyway. So the overhead of
624 dealing with this might not be worth it.
625 - Implemented a GPIO system, trying to keep it simple
626
627
628 Pre-Relocation Support
629 ----------------------
630
631 For pre-relocation we simply call the driver model init function. Only
632 drivers marked with DM_FLAG_PRE_RELOC or the device tree
633 'u-boot,dm-pre-reloc' flag are initialised prior to relocation. This helps
634 to reduce the driver model overhead.
635
636 Then post relocation we throw that away and re-init driver model again.
637 For drivers which require some sort of continuity between pre- and
638 post-relocation devices, we can provide access to the pre-relocation
639 device pointers, but this is not currently implemented (the root device
640 pointer is saved but not made available through the driver model API).
641
642
643 Things to punt for later
644 ------------------------
645
646 - SPL support - this will have to be present before many drivers can be
647 converted, but it seems like we can add it once we are happy with the
648 core implementation.
649
650 That is not to say that no thinking has gone into this - in fact there
651 is quite a lot there. However, getting these right is non-trivial and
652 there is a high cost associated with going down the wrong path.
653
654 For SPL, it may be possible to fit in a simplified driver model with only
655 bind and probe methods, to reduce size.
656
657 Uclasses are statically numbered at compile time. It would be possible to
658 change this to dynamic numbering, but then we would require some sort of
659 lookup service, perhaps searching by name. This is slightly less efficient
660 so has been left out for now. One small advantage of dynamic numbering might
661 be fewer merge conflicts in uclass-id.h.
662
663
664 Simon Glass
665 sjg@chromium.org
666 April 2013
667 Updated 7-May-13
668 Updated 14-Jun-13
669 Updated 18-Oct-13
670 Updated 5-Nov-13