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