a2b6122ebcb3ac7be8285a218d5ad61dd83c6798
[platform/kernel/u-boot.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 18 driver model tests
99     Test: dm_test_autobind
100     Test: dm_test_autoprobe
101     Test: dm_test_bus_children
102     Device 'd-test': seq 3 is in use by 'b-test'
103     Device 'c-test@0': seq 0 is in use by 'a-test'
104     Device 'c-test@1': seq 1 is in use by 'd-test'
105     Test: dm_test_children
106     Test: dm_test_fdt
107     Device 'd-test': seq 3 is in use by 'b-test'
108     Test: dm_test_fdt_offset
109     Test: dm_test_fdt_pre_reloc
110     Test: dm_test_fdt_uclass_seq
111     Device 'd-test': seq 3 is in use by 'b-test'
112     Device 'a-test': seq 0 is in use by 'd-test'
113     Test: dm_test_gpio
114     sandbox_gpio: sb_gpio_get_value: error: offset 4 not reserved
115     Test: dm_test_leak
116     Test: dm_test_lifecycle
117     Test: dm_test_operations
118     Test: dm_test_ordering
119     Test: dm_test_platdata
120     Test: dm_test_pre_reloc
121     Test: dm_test_remove
122     Test: dm_test_uclass
123     Test: dm_test_uclass_before_ready
124     Failures: 0
125
126
127 What is going on?
128 -----------------
129
130 Let's start at the top. The demo command is in common/cmd_demo.c. It does
131 the usual command processing and then:
132
133         struct udevice *demo_dev;
134
135         ret = uclass_get_device(UCLASS_DEMO, devnum, &demo_dev);
136
137 UCLASS_DEMO means the class of devices which implement 'demo'. Other
138 classes might be MMC, or GPIO, hashing or serial. The idea is that the
139 devices in the class all share a particular way of working. The class
140 presents a unified view of all these devices to U-Boot.
141
142 This function looks up a device for the demo uclass. Given a device
143 number we can find the device because all devices have registered with
144 the UCLASS_DEMO uclass.
145
146 The device is automatically activated ready for use by uclass_get_device().
147
148 Now that we have the device we can do things like:
149
150         return demo_hello(demo_dev, ch);
151
152 This function is in the demo uclass. It takes care of calling the 'hello'
153 method of the relevant driver. Bearing in mind that there are two drivers,
154 this particular device may use one or other of them.
155
156 The code for demo_hello() is in drivers/demo/demo-uclass.c:
157
158 int demo_hello(struct udevice *dev, int ch)
159 {
160         const struct demo_ops *ops = device_get_ops(dev);
161
162         if (!ops->hello)
163                 return -ENOSYS;
164
165         return ops->hello(dev, ch);
166 }
167
168 As you can see it just calls the relevant driver method. One of these is
169 in drivers/demo/demo-simple.c:
170
171 static int simple_hello(struct udevice *dev, int ch)
172 {
173         const struct dm_demo_pdata *pdata = dev_get_platdata(dev);
174
175         printf("Hello from %08x: %s %d\n", map_to_sysmem(dev),
176                pdata->colour, pdata->sides);
177
178         return 0;
179 }
180
181
182 So that is a trip from top (command execution) to bottom (driver action)
183 but it leaves a lot of topics to address.
184
185
186 Declaring Drivers
187 -----------------
188
189 A driver declaration looks something like this (see
190 drivers/demo/demo-shape.c):
191
192 static const struct demo_ops shape_ops = {
193         .hello = shape_hello,
194         .status = shape_status,
195 };
196
197 U_BOOT_DRIVER(demo_shape_drv) = {
198         .name   = "demo_shape_drv",
199         .id     = UCLASS_DEMO,
200         .ops    = &shape_ops,
201         .priv_data_size = sizeof(struct shape_data),
202 };
203
204
205 This driver has two methods (hello and status) and requires a bit of
206 private data (accessible through dev_get_priv(dev) once the driver has
207 been probed). It is a member of UCLASS_DEMO so will register itself
208 there.
209
210 In U_BOOT_DRIVER it is also possible to specify special methods for bind
211 and unbind, and these are called at appropriate times. For many drivers
212 it is hoped that only 'probe' and 'remove' will be needed.
213
214 The U_BOOT_DRIVER macro creates a data structure accessible from C,
215 so driver model can find the drivers that are available.
216
217 The methods a device can provide are documented in the device.h header.
218 Briefly, they are:
219
220     bind - make the driver model aware of a device (bind it to its driver)
221     unbind - make the driver model forget the device
222     ofdata_to_platdata - convert device tree data to platdata - see later
223     probe - make a device ready for use
224     remove - remove a device so it cannot be used until probed again
225
226 The sequence to get a device to work is bind, ofdata_to_platdata (if using
227 device tree) and probe.
228
229
230 Platform Data
231 -------------
232
233 Platform data is like Linux platform data, if you are familiar with that.
234 It provides the board-specific information to start up a device.
235
236 Why is this information not just stored in the device driver itself? The
237 idea is that the device driver is generic, and can in principle operate on
238 any board that has that type of device. For example, with modern
239 highly-complex SoCs it is common for the IP to come from an IP vendor, and
240 therefore (for example) the MMC controller may be the same on chips from
241 different vendors. It makes no sense to write independent drivers for the
242 MMC controller on each vendor's SoC, when they are all almost the same.
243 Similarly, we may have 6 UARTs in an SoC, all of which are mostly the same,
244 but lie at different addresses in the address space.
245
246 Using the UART example, we have a single driver and it is instantiated 6
247 times by supplying 6 lots of platform data. Each lot of platform data
248 gives the driver name and a pointer to a structure containing information
249 about this instance - e.g. the address of the register space. It may be that
250 one of the UARTS supports RS-485 operation - this can be added as a flag in
251 the platform data, which is set for this one port and clear for the rest.
252
253 Think of your driver as a generic piece of code which knows how to talk to
254 a device, but needs to know where it is, any variant/option information and
255 so on. Platform data provides this link between the generic piece of code
256 and the specific way it is bound on a particular board.
257
258 Examples of platform data include:
259
260    - The base address of the IP block's register space
261    - Configuration options, like:
262          - the SPI polarity and maximum speed for a SPI controller
263          - the I2C speed to use for an I2C device
264          - the number of GPIOs available in a GPIO device
265
266 Where does the platform data come from? It is either held in a structure
267 which is compiled into U-Boot, or it can be parsed from the Device Tree
268 (see 'Device Tree' below).
269
270 For an example of how it can be compiled in, see demo-pdata.c which
271 sets up a table of driver names and their associated platform data.
272 The data can be interpreted by the drivers however they like - it is
273 basically a communication scheme between the board-specific code and
274 the generic drivers, which are intended to work on any board.
275
276 Drivers can access their data via dev->info->platdata. Here is
277 the declaration for the platform data, which would normally appear
278 in the board file.
279
280         static const struct dm_demo_cdata red_square = {
281                 .colour = "red",
282                 .sides = 4.
283         };
284         static const struct driver_info info[] = {
285                 {
286                         .name = "demo_shape_drv",
287                         .platdata = &red_square,
288                 },
289         };
290
291         demo1 = driver_bind(root, &info[0]);
292
293
294 Device Tree
295 -----------
296
297 While platdata is useful, a more flexible way of providing device data is
298 by using device tree. With device tree we replace the above code with the
299 following device tree fragment:
300
301         red-square {
302                 compatible = "demo-shape";
303                 colour = "red";
304                 sides = <4>;
305         };
306
307 This means that instead of having lots of U_BOOT_DEVICE() declarations in
308 the board file, we put these in the device tree. This approach allows a lot
309 more generality, since the same board file can support many types of boards
310 (e,g. with the same SoC) just by using different device trees. An added
311 benefit is that the Linux device tree can be used, thus further simplifying
312 the task of board-bring up either for U-Boot or Linux devs (whoever gets to
313 the board first!).
314
315 The easiest way to make this work it to add a few members to the driver:
316
317         .platdata_auto_alloc_size = sizeof(struct dm_test_pdata),
318         .ofdata_to_platdata = testfdt_ofdata_to_platdata,
319
320 The 'auto_alloc' feature allowed space for the platdata to be allocated
321 and zeroed before the driver's ofdata_to_platdata() method is called. The
322 ofdata_to_platdata() method, which the driver write supplies, should parse
323 the device tree node for this device and place it in dev->platdata. Thus
324 when the probe method is called later (to set up the device ready for use)
325 the platform data will be present.
326
327 Note that both methods are optional. If you provide an ofdata_to_platdata
328 method then it will be called first (during activation). If you provide a
329 probe method it will be called next. See Driver Lifecycle below for more
330 details.
331
332 If you don't want to have the platdata automatically allocated then you
333 can leave out platdata_auto_alloc_size. In this case you can use malloc
334 in your ofdata_to_platdata (or probe) method to allocate the required memory,
335 and you should free it in the remove method.
336
337
338 Declaring Uclasses
339 ------------------
340
341 The demo uclass is declared like this:
342
343 U_BOOT_CLASS(demo) = {
344         .id             = UCLASS_DEMO,
345 };
346
347 It is also possible to specify special methods for probe, etc. The uclass
348 numbering comes from include/dm/uclass.h. To add a new uclass, add to the
349 end of the enum there, then declare your uclass as above.
350
351
352 Device Sequence Numbers
353 -----------------------
354
355 U-Boot numbers devices from 0 in many situations, such as in the command
356 line for I2C and SPI buses, and the device names for serial ports (serial0,
357 serial1, ...). Driver model supports this numbering and permits devices
358 to be locating by their 'sequence'.
359
360 Sequence numbers start from 0 but gaps are permitted. For example, a board
361 may have I2C buses 0, 1, 4, 5 but no 2 or 3. The choice of how devices are
362 numbered is up to a particular board, and may be set by the SoC in some
363 cases. While it might be tempting to automatically renumber the devices
364 where there are gaps in the sequence, this can lead to confusion and is
365 not the way that U-Boot works.
366
367 Each device can request a sequence number. If none is required then the
368 device will be automatically allocated the next available sequence number.
369
370 To specify the sequence number in the device tree an alias is typically
371 used.
372
373 aliases {
374         serial2 = "/serial@22230000";
375 };
376
377 This indicates that in the uclass called "serial", the named node
378 ("/serial@22230000") will be given sequence number 2. Any command or driver
379 which requests serial device 2 will obtain this device.
380
381 Some devices represent buses where the devices on the bus are numbered or
382 addressed. For example, SPI typically numbers its slaves from 0, and I2C
383 uses a 7-bit address. In these cases the 'reg' property of the subnode is
384 used, for example:
385
386 {
387         aliases {
388                 spi2 = "/spi@22300000";
389         };
390
391         spi@22300000 {
392                 #address-cells = <1>;
393                 #size-cells = <1>;
394                 spi-flash@0 {
395                         reg = <0>;
396                         ...
397                 }
398                 eeprom@1 {
399                         reg = <1>;
400                 };
401         };
402
403 In this case we have a SPI bus with two slaves at 0 and 1. The SPI bus
404 itself is numbered 2. So we might access the SPI flash with:
405
406         sf probe 2:0
407
408 and the eeprom with
409
410         sspi 2:1 32 ef
411
412 These commands simply need to look up the 2nd device in the SPI uclass to
413 find the right SPI bus. Then, they look at the children of that bus for the
414 right sequence number (0 or 1 in this case).
415
416 Typically the alias method is used for top-level nodes and the 'reg' method
417 is used only for buses.
418
419 Device sequence numbers are resolved when a device is probed. Before then
420 the sequence number is only a request which may or may not be honoured,
421 depending on what other devices have been probed. However the numbering is
422 entirely under the control of the board author so a conflict is generally
423 an error.
424
425
426 Driver Lifecycle
427 ----------------
428
429 Here are the stages that a device goes through in driver model. Note that all
430 methods mentioned here are optional - e.g. if there is no probe() method for
431 a device then it will not be called. A simple device may have very few
432 methods actually defined.
433
434 1. Bind stage
435
436 A device and its driver are bound using one of these two methods:
437
438    - Scan the U_BOOT_DEVICE() definitions. U-Boot It looks up the
439 name specified by each, to find the appropriate driver. It then calls
440 device_bind() to create a new device and bind' it to its driver. This will
441 call the device's bind() method.
442
443    - Scan through the device tree definitions. U-Boot looks at top-level
444 nodes in the the device tree. It looks at the compatible string in each node
445 and uses the of_match part of the U_BOOT_DRIVER() structure to find the
446 right driver for each node. It then calls device_bind() to bind the
447 newly-created device to its driver (thereby creating a device structure).
448 This will also call the device's bind() method.
449
450 At this point all the devices are known, and bound to their drivers. There
451 is a 'struct udevice' allocated for all devices. However, nothing has been
452 activated (except for the root device). Each bound device that was created
453 from a U_BOOT_DEVICE() declaration will hold the platdata pointer specified
454 in that declaration. For a bound device created from the device tree,
455 platdata will be NULL, but of_offset will be the offset of the device tree
456 node that caused the device to be created. The uclass is set correctly for
457 the device.
458
459 The device's bind() method is permitted to perform simple actions, but
460 should not scan the device tree node, not initialise hardware, nor set up
461 structures or allocate memory. All of these tasks should be left for
462 the probe() method.
463
464 Note that compared to Linux, U-Boot's driver model has a separate step of
465 probe/remove which is independent of bind/unbind. This is partly because in
466 U-Boot it may be expensive to probe devices and we don't want to do it until
467 they are needed, or perhaps until after relocation.
468
469 2. Activation/probe
470
471 When a device needs to be used, U-Boot activates it, by following these
472 steps (see device_probe()):
473
474    a. If priv_auto_alloc_size is non-zero, then the device-private space
475    is allocated for the device and zeroed. It will be accessible as
476    dev->priv. The driver can put anything it likes in there, but should use
477    it for run-time information, not platform data (which should be static
478    and known before the device is probed).
479
480    b. If platdata_auto_alloc_size is non-zero, then the platform data space
481    is allocated. This is only useful for device tree operation, since
482    otherwise you would have to specific the platform data in the
483    U_BOOT_DEVICE() declaration. The space is allocated for the device and
484    zeroed. It will be accessible as dev->platdata.
485
486    c. If the device's uclass specifies a non-zero per_device_auto_alloc_size,
487    then this space is allocated and zeroed also. It is allocated for and
488    stored in the device, but it is uclass data. owned by the uclass driver.
489    It is possible for the device to access it.
490
491    d. All parent devices are probed. It is not possible to activate a device
492    unless its predecessors (all the way up to the root device) are activated.
493    This means (for example) that an I2C driver will require that its bus
494    be activated.
495
496    e. The device's sequence number is assigned, either the requested one
497    (assuming no conflicts) or the next available one if there is a conflict
498    or nothing particular is requested.
499
500    f. If the driver provides an ofdata_to_platdata() method, then this is
501    called to convert the device tree data into platform data. This should
502    do various calls like fdtdec_get_int(gd->fdt_blob, dev->of_offset, ...)
503    to access the node and store the resulting information into dev->platdata.
504    After this point, the device works the same way whether it was bound
505    using a device tree node or U_BOOT_DEVICE() structure. In either case,
506    the platform data is now stored in the platdata structure. Typically you
507    will use the platdata_auto_alloc_size feature to specify the size of the
508    platform data structure, and U-Boot will automatically allocate and zero
509    it for you before entry to ofdata_to_platdata(). But if not, you can
510    allocate it yourself in ofdata_to_platdata(). Note that it is preferable
511    to do all the device tree decoding in ofdata_to_platdata() rather than
512    in probe(). (Apart from the ugliness of mixing configuration and run-time
513    data, one day it is possible that U-Boot will cache platformat data for
514    devices which are regularly de/activated).
515
516    g. The device's probe() method is called. This should do anything that
517    is required by the device to get it going. This could include checking
518    that the hardware is actually present, setting up clocks for the
519    hardware and setting up hardware registers to initial values. The code
520    in probe() can access:
521
522       - platform data in dev->platdata (for configuration)
523       - private data in dev->priv (for run-time state)
524       - uclass data in dev->uclass_priv (for things the uclass stores
525         about this device)
526
527    Note: If you don't use priv_auto_alloc_size then you will need to
528    allocate the priv space here yourself. The same applies also to
529    platdata_auto_alloc_size. Remember to free them in the remove() method.
530
531    h. The device is marked 'activated'
532
533    i. The uclass's post_probe() method is called, if one exists. This may
534    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
535    activated and 'known' by the uclass.
536
537 3. Running stage
538
539 The device is now activated and can be used. From now until it is removed
540 all of the above structures are accessible. The device appears in the
541 uclass's list of devices (so if the device is in UCLASS_GPIO it will appear
542 as a device in the GPIO uclass). This is the 'running' state of the device.
543
544 4. Removal stage
545
546 When the device is no-longer required, you can call device_remove() to
547 remove it. This performs the probe steps in reverse:
548
549    a. The uclass's pre_remove() method is called, if one exists. This may
550    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
551    deactivated and no-longer 'known' by the uclass.
552
553    b. All the device's children are removed. It is not permitted to have
554    an active child device with a non-active parent. This means that
555    device_remove() is called for all the children recursively at this point.
556
557    c. The device's remove() method is called. At this stage nothing has been
558    deallocated so platform data, private data and the uclass data will all
559    still be present. This is where the hardware can be shut down. It is
560    intended that the device be completely inactive at this point, For U-Boot
561    to be sure that no hardware is running, it should be enough to remove
562    all devices.
563
564    d. The device memory is freed (platform data, private data, uclass data).
565
566    Note: Because the platform data for a U_BOOT_DEVICE() is defined with a
567    static pointer, it is not de-allocated during the remove() method. For
568    a device instantiated using the device tree data, the platform data will
569    be dynamically allocated, and thus needs to be deallocated during the
570    remove() method, either:
571
572       1. if the platdata_auto_alloc_size is non-zero, the deallocation
573       happens automatically within the driver model core; or
574
575       2. when platdata_auto_alloc_size is 0, both the allocation (in probe()
576       or preferably ofdata_to_platdata()) and the deallocation in remove()
577       are the responsibility of the driver author.
578
579    e. The device sequence number is set to -1, meaning that it no longer
580    has an allocated sequence. If the device is later reactivated and that
581    sequence number is still free, it may well receive the name sequence
582    number again. But from this point, the sequence number previously used
583    by this device will no longer exist (think of SPI bus 2 being removed
584    and bus 2 is no longer available for use).
585
586    f. The device is marked inactive. Note that it is still bound, so the
587    device structure itself is not freed at this point. Should the device be
588    activated again, then the cycle starts again at step 2 above.
589
590 5. Unbind stage
591
592 The device is unbound. This is the step that actually destroys the device.
593 If a parent has children these will be destroyed first. After this point
594 the device does not exist and its memory has be deallocated.
595
596
597 Data Structures
598 ---------------
599
600 Driver model uses a doubly-linked list as the basic data structure. Some
601 nodes have several lists running through them. Creating a more efficient
602 data structure might be worthwhile in some rare cases, once we understand
603 what the bottlenecks are.
604
605
606 Changes since v1
607 ----------------
608
609 For the record, this implementation uses a very similar approach to the
610 original patches, but makes at least the following changes:
611
612 - Tried to aggressively remove boilerplate, so that for most drivers there
613 is little or no 'driver model' code to write.
614 - Moved some data from code into data structure - e.g. store a pointer to
615 the driver operations structure in the driver, rather than passing it
616 to the driver bind function.
617 - Rename some structures to make them more similar to Linux (struct udevice
618 instead of struct instance, struct platdata, etc.)
619 - Change the name 'core' to 'uclass', meaning U-Boot class. It seems that
620 this concept relates to a class of drivers (or a subsystem). We shouldn't
621 use 'class' since it is a C++ reserved word, so U-Boot class (uclass) seems
622 better than 'core'.
623 - Remove 'struct driver_instance' and just use a single 'struct udevice'.
624 This removes a level of indirection that doesn't seem necessary.
625 - Built in device tree support, to avoid the need for platdata
626 - Removed the concept of driver relocation, and just make it possible for
627 the new driver (created after relocation) to access the old driver data.
628 I feel that relocation is a very special case and will only apply to a few
629 drivers, many of which can/will just re-init anyway. So the overhead of
630 dealing with this might not be worth it.
631 - Implemented a GPIO system, trying to keep it simple
632
633
634 Pre-Relocation Support
635 ----------------------
636
637 For pre-relocation we simply call the driver model init function. Only
638 drivers marked with DM_FLAG_PRE_RELOC or the device tree
639 'u-boot,dm-pre-reloc' flag are initialised prior to relocation. This helps
640 to reduce the driver model overhead.
641
642 Then post relocation we throw that away and re-init driver model again.
643 For drivers which require some sort of continuity between pre- and
644 post-relocation devices, we can provide access to the pre-relocation
645 device pointers, but this is not currently implemented (the root device
646 pointer is saved but not made available through the driver model API).
647
648
649 Things to punt for later
650 ------------------------
651
652 - SPL support - this will have to be present before many drivers can be
653 converted, but it seems like we can add it once we are happy with the
654 core implementation.
655
656 That is not to say that no thinking has gone into this - in fact there
657 is quite a lot there. However, getting these right is non-trivial and
658 there is a high cost associated with going down the wrong path.
659
660 For SPL, it may be possible to fit in a simplified driver model with only
661 bind and probe methods, to reduce size.
662
663 Uclasses are statically numbered at compile time. It would be possible to
664 change this to dynamic numbering, but then we would require some sort of
665 lookup service, perhaps searching by name. This is slightly less efficient
666 so has been left out for now. One small advantage of dynamic numbering might
667 be fewer merge conflicts in uclass-id.h.
668
669
670 Simon Glass
671 sjg@chromium.org
672 April 2013
673 Updated 7-May-13
674 Updated 14-Jun-13
675 Updated 18-Oct-13
676 Updated 5-Nov-13