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