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