Merge tag 'char-misc-6.5-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/gregkh...
[platform/kernel/linux-rpi.git] / Documentation / devicetree / usage-model.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ========================
4 Linux and the Devicetree
5 ========================
6
7 The Linux usage model for device tree data
8
9 :Author: Grant Likely <grant.likely@secretlab.ca>
10
11 This article describes how Linux uses the device tree.  An overview of
12 the device tree data format can be found on the device tree usage page
13 at devicetree.org\ [1]_.
14
15 .. [1] https://www.devicetree.org/specifications/
16
17 The "Open Firmware Device Tree", or simply Devicetree (DT), is a data
18 structure and language for describing hardware.  More specifically, it
19 is a description of hardware that is readable by an operating system
20 so that the operating system doesn't need to hard code details of the
21 machine.
22
23 Structurally, the DT is a tree, or acyclic graph with named nodes, and
24 nodes may have an arbitrary number of named properties encapsulating
25 arbitrary data.  A mechanism also exists to create arbitrary
26 links from one node to another outside of the natural tree structure.
27
28 Conceptually, a common set of usage conventions, called 'bindings',
29 is defined for how data should appear in the tree to describe typical
30 hardware characteristics including data busses, interrupt lines, GPIO
31 connections, and peripheral devices.
32
33 As much as possible, hardware is described using existing bindings to
34 maximize use of existing support code, but since property and node
35 names are simply text strings, it is easy to extend existing bindings
36 or create new ones by defining new nodes and properties.  Be wary,
37 however, of creating a new binding without first doing some homework
38 about what already exists.  There are currently two different,
39 incompatible, bindings for i2c busses that came about because the new
40 binding was created without first investigating how i2c devices were
41 already being enumerated in existing systems.
42
43 1. History
44 ----------
45 The DT was originally created by Open Firmware as part of the
46 communication method for passing data from Open Firmware to a client
47 program (like to an operating system).  An operating system used the
48 Device Tree to discover the topology of the hardware at runtime, and
49 thereby support a majority of available hardware without hard coded
50 information (assuming drivers were available for all devices).
51
52 Since Open Firmware is commonly used on PowerPC and SPARC platforms,
53 the Linux support for those architectures has for a long time used the
54 Device Tree.
55
56 In 2005, when PowerPC Linux began a major cleanup and to merge 32-bit
57 and 64-bit support, the decision was made to require DT support on all
58 powerpc platforms, regardless of whether or not they used Open
59 Firmware.  To do this, a DT representation called the Flattened Device
60 Tree (FDT) was created which could be passed to the kernel as a binary
61 blob without requiring a real Open Firmware implementation.  U-Boot,
62 kexec, and other bootloaders were modified to support both passing a
63 Device Tree Binary (dtb) and to modify a dtb at boot time.  DT was
64 also added to the PowerPC boot wrapper (``arch/powerpc/boot/*``) so that
65 a dtb could be wrapped up with the kernel image to support booting
66 existing non-DT aware firmware.
67
68 Some time later, FDT infrastructure was generalized to be usable by
69 all architectures.  At the time of this writing, 6 mainlined
70 architectures (arm, microblaze, mips, powerpc, sparc, and x86) and 1
71 out of mainline (nios) have some level of DT support.
72
73 2. Data Model
74 -------------
75 If you haven't already read the Device Tree Usage\ [1]_ page,
76 then go read it now.  It's okay, I'll wait....
77
78 2.1 High Level View
79 -------------------
80 The most important thing to understand is that the DT is simply a data
81 structure that describes the hardware.  There is nothing magical about
82 it, and it doesn't magically make all hardware configuration problems
83 go away.  What it does do is provide a language for decoupling the
84 hardware configuration from the board and device driver support in the
85 Linux kernel (or any other operating system for that matter).  Using
86 it allows board and device support to become data driven; to make
87 setup decisions based on data passed into the kernel instead of on
88 per-machine hard coded selections.
89
90 Ideally, data driven platform setup should result in less code
91 duplication and make it easier to support a wide range of hardware
92 with a single kernel image.
93
94 Linux uses DT data for three major purposes:
95
96 1) platform identification,
97 2) runtime configuration, and
98 3) device population.
99
100 2.2 Platform Identification
101 ---------------------------
102 First and foremost, the kernel will use data in the DT to identify the
103 specific machine.  In a perfect world, the specific platform shouldn't
104 matter to the kernel because all platform details would be described
105 perfectly by the device tree in a consistent and reliable manner.
106 Hardware is not perfect though, and so the kernel must identify the
107 machine during early boot so that it has the opportunity to run
108 machine-specific fixups.
109
110 In the majority of cases, the machine identity is irrelevant, and the
111 kernel will instead select setup code based on the machine's core
112 CPU or SoC.  On ARM for example, setup_arch() in
113 arch/arm/kernel/setup.c will call setup_machine_fdt() in
114 arch/arm/kernel/devtree.c which searches through the machine_desc
115 table and selects the machine_desc which best matches the device tree
116 data.  It determines the best match by looking at the 'compatible'
117 property in the root device tree node, and comparing it with the
118 dt_compat list in struct machine_desc (which is defined in
119 arch/arm/include/asm/mach/arch.h if you're curious).
120
121 The 'compatible' property contains a sorted list of strings starting
122 with the exact name of the machine, followed by an optional list of
123 boards it is compatible with sorted from most compatible to least.  For
124 example, the root compatible properties for the TI BeagleBoard and its
125 successor, the BeagleBoard xM board might look like, respectively::
126
127         compatible = "ti,omap3-beagleboard", "ti,omap3450", "ti,omap3";
128         compatible = "ti,omap3-beagleboard-xm", "ti,omap3450", "ti,omap3";
129
130 Where "ti,omap3-beagleboard-xm" specifies the exact model, it also
131 claims that it compatible with the OMAP 3450 SoC, and the omap3 family
132 of SoCs in general.  You'll notice that the list is sorted from most
133 specific (exact board) to least specific (SoC family).
134
135 Astute readers might point out that the Beagle xM could also claim
136 compatibility with the original Beagle board.  However, one should be
137 cautioned about doing so at the board level since there is typically a
138 high level of change from one board to another, even within the same
139 product line, and it is hard to nail down exactly what is meant when one
140 board claims to be compatible with another.  For the top level, it is
141 better to err on the side of caution and not claim one board is
142 compatible with another.  The notable exception would be when one
143 board is a carrier for another, such as a CPU module attached to a
144 carrier board.
145
146 One more note on compatible values.  Any string used in a compatible
147 property must be documented as to what it indicates.  Add
148 documentation for compatible strings in Documentation/devicetree/bindings.
149
150 Again on ARM, for each machine_desc, the kernel looks to see if
151 any of the dt_compat list entries appear in the compatible property.
152 If one does, then that machine_desc is a candidate for driving the
153 machine.  After searching the entire table of machine_descs,
154 setup_machine_fdt() returns the 'most compatible' machine_desc based
155 on which entry in the compatible property each machine_desc matches
156 against.  If no matching machine_desc is found, then it returns NULL.
157
158 The reasoning behind this scheme is the observation that in the majority
159 of cases, a single machine_desc can support a large number of boards
160 if they all use the same SoC, or same family of SoCs.  However,
161 invariably there will be some exceptions where a specific board will
162 require special setup code that is not useful in the generic case.
163 Special cases could be handled by explicitly checking for the
164 troublesome board(s) in generic setup code, but doing so very quickly
165 becomes ugly and/or unmaintainable if it is more than just a couple of
166 cases.
167
168 Instead, the compatible list allows a generic machine_desc to provide
169 support for a wide common set of boards by specifying "less
170 compatible" values in the dt_compat list.  In the example above,
171 generic board support can claim compatibility with "ti,omap3" or
172 "ti,omap3450".  If a bug was discovered on the original beagleboard
173 that required special workaround code during early boot, then a new
174 machine_desc could be added which implements the workarounds and only
175 matches on "ti,omap3-beagleboard".
176
177 PowerPC uses a slightly different scheme where it calls the .probe()
178 hook from each machine_desc, and the first one returning TRUE is used.
179 However, this approach does not take into account the priority of the
180 compatible list, and probably should be avoided for new architecture
181 support.
182
183 2.3 Runtime configuration
184 -------------------------
185 In most cases, a DT will be the sole method of communicating data from
186 firmware to the kernel, so also gets used to pass in runtime and
187 configuration data like the kernel parameters string and the location
188 of an initrd image.
189
190 Most of this data is contained in the /chosen node, and when booting
191 Linux it will look something like this::
192
193         chosen {
194                 bootargs = "console=ttyS0,115200 loglevel=8";
195                 initrd-start = <0xc8000000>;
196                 initrd-end = <0xc8200000>;
197         };
198
199 The bootargs property contains the kernel arguments, and the initrd-*
200 properties define the address and size of an initrd blob.  Note that
201 initrd-end is the first address after the initrd image, so this doesn't
202 match the usual semantic of struct resource.  The chosen node may also
203 optionally contain an arbitrary number of additional properties for
204 platform-specific configuration data.
205
206 During early boot, the architecture setup code calls of_scan_flat_dt()
207 several times with different helper callbacks to parse device tree
208 data before paging is setup.  The of_scan_flat_dt() code scans through
209 the device tree and uses the helpers to extract information required
210 during early boot.  Typically the early_init_dt_scan_chosen() helper
211 is used to parse the chosen node including kernel parameters,
212 early_init_dt_scan_root() to initialize the DT address space model,
213 and early_init_dt_scan_memory() to determine the size and
214 location of usable RAM.
215
216 On ARM, the function setup_machine_fdt() is responsible for early
217 scanning of the device tree after selecting the correct machine_desc
218 that supports the board.
219
220 2.4 Device population
221 ---------------------
222 After the board has been identified, and after the early configuration data
223 has been parsed, then kernel initialization can proceed in the normal
224 way.  At some point in this process, unflatten_device_tree() is called
225 to convert the data into a more efficient runtime representation.
226 This is also when machine-specific setup hooks will get called, like
227 the machine_desc .init_early(), .init_irq() and .init_machine() hooks
228 on ARM.  The remainder of this section uses examples from the ARM
229 implementation, but all architectures will do pretty much the same
230 thing when using a DT.
231
232 As can be guessed by the names, .init_early() is used for any machine-
233 specific setup that needs to be executed early in the boot process,
234 and .init_irq() is used to set up interrupt handling.  Using a DT
235 doesn't materially change the behaviour of either of these functions.
236 If a DT is provided, then both .init_early() and .init_irq() are able
237 to call any of the DT query functions (of_* in include/linux/of*.h) to
238 get additional data about the platform.
239
240 The most interesting hook in the DT context is .init_machine() which
241 is primarily responsible for populating the Linux device model with
242 data about the platform.  Historically this has been implemented on
243 embedded platforms by defining a set of static clock structures,
244 platform_devices, and other data in the board support .c file, and
245 registering it en-masse in .init_machine().  When DT is used, then
246 instead of hard coding static devices for each platform, the list of
247 devices can be obtained by parsing the DT, and allocating device
248 structures dynamically.
249
250 The simplest case is when .init_machine() is only responsible for
251 registering a block of platform_devices.  A platform_device is a concept
252 used by Linux for memory or I/O mapped devices which cannot be detected
253 by hardware, and for 'composite' or 'virtual' devices (more on those
254 later).  While there is no 'platform device' terminology for the DT,
255 platform devices roughly correspond to device nodes at the root of the
256 tree and children of simple memory mapped bus nodes.
257
258 About now is a good time to lay out an example.  Here is part of the
259 device tree for the NVIDIA Tegra board::
260
261   /{
262         compatible = "nvidia,harmony", "nvidia,tegra20";
263         #address-cells = <1>;
264         #size-cells = <1>;
265         interrupt-parent = <&intc>;
266
267         chosen { };
268         aliases { };
269
270         memory {
271                 device_type = "memory";
272                 reg = <0x00000000 0x40000000>;
273         };
274
275         soc {
276                 compatible = "nvidia,tegra20-soc", "simple-bus";
277                 #address-cells = <1>;
278                 #size-cells = <1>;
279                 ranges;
280
281                 intc: interrupt-controller@50041000 {
282                         compatible = "nvidia,tegra20-gic";
283                         interrupt-controller;
284                         #interrupt-cells = <1>;
285                         reg = <0x50041000 0x1000>, < 0x50040100 0x0100 >;
286                 };
287
288                 serial@70006300 {
289                         compatible = "nvidia,tegra20-uart";
290                         reg = <0x70006300 0x100>;
291                         interrupts = <122>;
292                 };
293
294                 i2s1: i2s@70002800 {
295                         compatible = "nvidia,tegra20-i2s";
296                         reg = <0x70002800 0x100>;
297                         interrupts = <77>;
298                         codec = <&wm8903>;
299                 };
300
301                 i2c@7000c000 {
302                         compatible = "nvidia,tegra20-i2c";
303                         #address-cells = <1>;
304                         #size-cells = <0>;
305                         reg = <0x7000c000 0x100>;
306                         interrupts = <70>;
307
308                         wm8903: codec@1a {
309                                 compatible = "wlf,wm8903";
310                                 reg = <0x1a>;
311                                 interrupts = <347>;
312                         };
313                 };
314         };
315
316         sound {
317                 compatible = "nvidia,harmony-sound";
318                 i2s-controller = <&i2s1>;
319                 i2s-codec = <&wm8903>;
320         };
321   };
322
323 At .init_machine() time, Tegra board support code will need to look at
324 this DT and decide which nodes to create platform_devices for.
325 However, looking at the tree, it is not immediately obvious what kind
326 of device each node represents, or even if a node represents a device
327 at all.  The /chosen, /aliases, and /memory nodes are informational
328 nodes that don't describe devices (although arguably memory could be
329 considered a device).  The children of the /soc node are memory mapped
330 devices, but the codec@1a is an i2c device, and the sound node
331 represents not a device, but rather how other devices are connected
332 together to create the audio subsystem.  I know what each device is
333 because I'm familiar with the board design, but how does the kernel
334 know what to do with each node?
335
336 The trick is that the kernel starts at the root of the tree and looks
337 for nodes that have a 'compatible' property.  First, it is generally
338 assumed that any node with a 'compatible' property represents a device
339 of some kind, and second, it can be assumed that any node at the root
340 of the tree is either directly attached to the processor bus, or is a
341 miscellaneous system device that cannot be described any other way.
342 For each of these nodes, Linux allocates and registers a
343 platform_device, which in turn may get bound to a platform_driver.
344
345 Why is using a platform_device for these nodes a safe assumption?
346 Well, for the way that Linux models devices, just about all bus_types
347 assume that its devices are children of a bus controller.  For
348 example, each i2c_client is a child of an i2c_master.  Each spi_device
349 is a child of an SPI bus.  Similarly for USB, PCI, MDIO, etc.  The
350 same hierarchy is also found in the DT, where I2C device nodes only
351 ever appear as children of an I2C bus node.  Ditto for SPI, MDIO, USB,
352 etc.  The only devices which do not require a specific type of parent
353 device are platform_devices (and amba_devices, but more on that
354 later), which will happily live at the base of the Linux /sys/devices
355 tree.  Therefore, if a DT node is at the root of the tree, then it
356 really probably is best registered as a platform_device.
357
358 Linux board support code calls of_platform_populate(NULL, NULL, NULL, NULL)
359 to kick off discovery of devices at the root of the tree.  The
360 parameters are all NULL because when starting from the root of the
361 tree, there is no need to provide a starting node (the first NULL), a
362 parent struct device (the last NULL), and we're not using a match
363 table (yet).  For a board that only needs to register devices,
364 .init_machine() can be completely empty except for the
365 of_platform_populate() call.
366
367 In the Tegra example, this accounts for the /soc and /sound nodes, but
368 what about the children of the SoC node?  Shouldn't they be registered
369 as platform devices too?  For Linux DT support, the generic behaviour
370 is for child devices to be registered by the parent's device driver at
371 driver .probe() time.  So, an i2c bus device driver will register a
372 i2c_client for each child node, an SPI bus driver will register
373 its spi_device children, and similarly for other bus_types.
374 According to that model, a driver could be written that binds to the
375 SoC node and simply registers platform_devices for each of its
376 children.  The board support code would allocate and register an SoC
377 device, a (theoretical) SoC device driver could bind to the SoC device,
378 and register platform_devices for /soc/interrupt-controller, /soc/serial,
379 /soc/i2s, and /soc/i2c in its .probe() hook.  Easy, right?
380
381 Actually, it turns out that registering children of some
382 platform_devices as more platform_devices is a common pattern, and the
383 device tree support code reflects that and makes the above example
384 simpler.  The second argument to of_platform_populate() is an
385 of_device_id table, and any node that matches an entry in that table
386 will also get its child nodes registered.  In the Tegra case, the code
387 can look something like this::
388
389   static void __init harmony_init_machine(void)
390   {
391         /* ... */
392         of_platform_populate(NULL, of_default_bus_match_table, NULL, NULL);
393   }
394
395 "simple-bus" is defined in the Devicetree Specification as a property
396 meaning a simple memory mapped bus, so the of_platform_populate() code
397 could be written to just assume simple-bus compatible nodes will
398 always be traversed.  However, we pass it in as an argument so that
399 board support code can always override the default behaviour.
400
401 [Need to add discussion of adding i2c/spi/etc child devices]
402
403 Appendix A: AMBA devices
404 ------------------------
405
406 ARM Primecells are a certain kind of device attached to the ARM AMBA
407 bus which include some support for hardware detection and power
408 management.  In Linux, struct amba_device and the amba_bus_type is
409 used to represent Primecell devices.  However, the fiddly bit is that
410 not all devices on an AMBA bus are Primecells, and for Linux it is
411 typical for both amba_device and platform_device instances to be
412 siblings of the same bus segment.
413
414 When using the DT, this creates problems for of_platform_populate()
415 because it must decide whether to register each node as either a
416 platform_device or an amba_device.  This unfortunately complicates the
417 device creation model a little bit, but the solution turns out not to
418 be too invasive.  If a node is compatible with "arm,primecell", then
419 of_platform_populate() will register it as an amba_device instead of a
420 platform_device.