Merge https://gitlab.denx.de/u-boot/custodians/u-boot-spi into next
[platform/kernel/u-boot.git] / doc / driver-model / design.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
2 .. sectionauthor:: Simon Glass <sjg@chromium.org>
3
4 Design Details
5 ==============
6
7 This README contains high-level information about driver model, a unified
8 way of declaring and accessing drivers in U-Boot. The original work was done
9 by:
10
11    * Marek Vasut <marex@denx.de>
12    * Pavel Herrmann <morpheus.ibis@gmail.com>
13    * Viktor Křivák <viktor.krivak@gmail.com>
14    * Tomas Hlavacek <tmshlvck@gmail.com>
15
16 This has been both simplified and extended into the current implementation
17 by:
18
19    * Simon Glass <sjg@chromium.org>
20
21
22 Terminology
23 -----------
24
25 Uclass
26   a group of devices which operate in the same way. A uclass provides
27   a way of accessing individual devices within the group, but always
28   using the same interface. For example a GPIO uclass provides
29   operations for get/set value. An I2C uclass may have 10 I2C ports,
30   4 with one driver, and 6 with another.
31
32 Driver
33   some code which talks to a peripheral and presents a higher-level
34   interface to it.
35
36 Device
37   an instance of a driver, tied to a particular port or peripheral.
38
39
40 How to try it
41 -------------
42
43 Build U-Boot sandbox and run it::
44
45    make sandbox_defconfig
46    make
47    ./u-boot -d u-boot.dtb
48
49    (type 'reset' to exit U-Boot)
50
51
52 There is a uclass called 'demo'. This uclass handles
53 saying hello, and reporting its status. There are two drivers in this
54 uclass:
55
56    - simple: Just prints a message for hello, doesn't implement status
57    - shape: Prints shapes and reports number of characters printed as status
58
59 The demo class is pretty simple, but not trivial. The intention is that it
60 can be used for testing, so it will implement all driver model features and
61 provide good code coverage of them. It does have multiple drivers, it
62 handles parameter data and platdata (data which tells the driver how
63 to operate on a particular platform) and it uses private driver data.
64
65 To try it, see the example session below::
66
67    =>demo hello 1
68    Hello '@' from 07981110: red 4
69    =>demo status 2
70    Status: 0
71    =>demo hello 2
72    g
73    r@
74    e@@
75    e@@@
76    n@@@@
77    g@@@@@
78    =>demo status 2
79    Status: 21
80    =>demo hello 4 ^
81      y^^^
82     e^^^^^
83    l^^^^^^^
84    l^^^^^^^
85     o^^^^^
86      w^^^
87    =>demo status 4
88    Status: 36
89    =>
90
91
92 Running the tests
93 -----------------
94
95 The intent with driver model is that the core portion has 100% test coverage
96 in sandbox, and every uclass has its own test. As a move towards this, tests
97 are provided in test/dm. To run them, try::
98
99    ./test/py/test.py --bd sandbox --build -k ut_dm -v
100
101 You should see something like this::
102
103    (venv)$ ./test/py/test.py --bd sandbox --build -k ut_dm -v
104    +make O=/root/u-boot/build-sandbox -s sandbox_defconfig
105    +make O=/root/u-boot/build-sandbox -s -j8
106    ============================= test session starts ==============================
107    platform linux2 -- Python 2.7.5, pytest-2.9.0, py-1.4.31, pluggy-0.3.1 -- /root/u-boot/venv/bin/python
108    cachedir: .cache
109    rootdir: /root/u-boot, inifile:
110    collected 199 items
111
112    test/py/tests/test_ut.py::test_ut_dm_init PASSED
113    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_bind] PASSED
114    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_multi_channel_conversion] PASSED
115    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_multi_channel_shot] PASSED
116    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_single_channel_conversion] PASSED
117    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_single_channel_shot] PASSED
118    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_supply] PASSED
119    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_wrong_channel_selection] PASSED
120    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autobind] PASSED
121    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autobind_uclass_pdata_alloc] PASSED
122    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autobind_uclass_pdata_valid] PASSED
123    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autoprobe] PASSED
124    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_child_post_bind] PASSED
125    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_child_post_bind_uclass] PASSED
126    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_child_pre_probe_uclass] PASSED
127    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_children] PASSED
128    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_children_funcs] PASSED
129    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_children_iterators] PASSED
130    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_data] PASSED
131    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_data_uclass] PASSED
132    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_ops] PASSED
133    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_platdata] PASSED
134    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_platdata_uclass] PASSED
135    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_children] PASSED
136    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_clk_base] PASSED
137    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_clk_periph] PASSED
138    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_device_get_uclass_id] PASSED
139    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth] PASSED
140    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_act] PASSED
141    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_alias] PASSED
142    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_prime] PASSED
143    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_rotate] PASSED
144    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt] PASSED
145    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt_offset] PASSED
146    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt_pre_reloc] PASSED
147    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt_uclass_seq] PASSED
148    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio] PASSED
149    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_anon] PASSED
150    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_copy] PASSED
151    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_leak] PASSED
152    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_phandles] PASSED
153    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_requestf] PASSED
154    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_bytewise] PASSED
155    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_find] PASSED
156    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_offset] PASSED
157    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_offset_len] PASSED
158    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_probe_empty] PASSED
159    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_read_write] PASSED
160    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_speed] PASSED
161    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_leak] PASSED
162    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_led_base] PASSED
163    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_led_gpio] PASSED
164    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_led_label] PASSED
165    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_lifecycle] PASSED
166    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_mmc_base] PASSED
167    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_net_retry] PASSED
168    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_operations] PASSED
169    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_ordering] PASSED
170    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pci_base] PASSED
171    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pci_busnum] PASSED
172    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pci_swapcase] PASSED
173    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_platdata] PASSED
174    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_pmic_get] PASSED
175    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_pmic_io] PASSED
176    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_autoset] PASSED
177    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_autoset_list] PASSED
178    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_get] PASSED
179    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_current] PASSED
180    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_enable] PASSED
181    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_mode] PASSED
182    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_voltage] PASSED
183    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pre_reloc] PASSED
184    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_ram_base] PASSED
185    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_regmap_base] PASSED
186    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_regmap_syscon] PASSED
187    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_remoteproc_base] PASSED
188    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_remove] PASSED
189    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_reset_base] PASSED
190    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_reset_walk] PASSED
191    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_base] PASSED
192    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_dual] PASSED
193    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_reset] PASSED
194    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_set_get] PASSED
195    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_spi_find] PASSED
196    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_spi_flash] PASSED
197    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_spi_xfer] PASSED
198    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_syscon_base] PASSED
199    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_syscon_by_driver_data] PASSED
200    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_timer_base] PASSED
201    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass] PASSED
202    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_before_ready] PASSED
203    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_find] PASSED
204    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_find_by_name] PASSED
205    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_get] PASSED
206    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_get_by_name] PASSED
207    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_base] PASSED
208    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_flash] PASSED
209    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_keyb] PASSED
210    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_multi] PASSED
211    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_remove] PASSED
212    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_tree] PASSED
213    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_tree_remove] PASSED
214    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_tree_reorder] PASSED
215    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_base] PASSED
216    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_bmp] PASSED
217    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_bmp_comp] PASSED
218    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_chars] PASSED
219    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_context] PASSED
220    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_rotation1] PASSED
221    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_rotation2] PASSED
222    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_rotation3] PASSED
223    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_text] PASSED
224    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_truetype] PASSED
225    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_truetype_bs] PASSED
226    test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_truetype_scroll] PASSED
227
228    ======================= 84 tests deselected by '-kut_dm' =======================
229    ================== 115 passed, 84 deselected in 3.77 seconds ===================
230
231 What is going on?
232 -----------------
233
234 Let's start at the top. The demo command is in cmd/demo.c. It does
235 the usual command processing and then:
236
237 .. code-block:: c
238
239         struct udevice *demo_dev;
240
241         ret = uclass_get_device(UCLASS_DEMO, devnum, &demo_dev);
242
243 UCLASS_DEMO means the class of devices which implement 'demo'. Other
244 classes might be MMC, or GPIO, hashing or serial. The idea is that the
245 devices in the class all share a particular way of working. The class
246 presents a unified view of all these devices to U-Boot.
247
248 This function looks up a device for the demo uclass. Given a device
249 number we can find the device because all devices have registered with
250 the UCLASS_DEMO uclass.
251
252 The device is automatically activated ready for use by uclass_get_device().
253
254 Now that we have the device we can do things like:
255
256 .. code-block:: c
257
258         return demo_hello(demo_dev, ch);
259
260 This function is in the demo uclass. It takes care of calling the 'hello'
261 method of the relevant driver. Bearing in mind that there are two drivers,
262 this particular device may use one or other of them.
263
264 The code for demo_hello() is in drivers/demo/demo-uclass.c:
265
266 .. code-block:: c
267
268         int demo_hello(struct udevice *dev, int ch)
269         {
270                 const struct demo_ops *ops = device_get_ops(dev);
271
272                 if (!ops->hello)
273                         return -ENOSYS;
274
275                 return ops->hello(dev, ch);
276         }
277
278 As you can see it just calls the relevant driver method. One of these is
279 in drivers/demo/demo-simple.c:
280
281 .. code-block:: c
282
283         static int simple_hello(struct udevice *dev, int ch)
284         {
285                 const struct dm_demo_pdata *pdata = dev_get_platdata(dev);
286
287                 printf("Hello from %08x: %s %d\n", map_to_sysmem(dev),
288                        pdata->colour, pdata->sides);
289
290                 return 0;
291         }
292
293
294 So that is a trip from top (command execution) to bottom (driver action)
295 but it leaves a lot of topics to address.
296
297
298 Declaring Drivers
299 -----------------
300
301 A driver declaration looks something like this (see
302 drivers/demo/demo-shape.c):
303
304 .. code-block:: c
305
306         static const struct demo_ops shape_ops = {
307                 .hello = shape_hello,
308                 .status = shape_status,
309         };
310
311         U_BOOT_DRIVER(demo_shape_drv) = {
312                 .name   = "demo_shape_drv",
313                 .id     = UCLASS_DEMO,
314                 .ops    = &shape_ops,
315                 .priv_data_size = sizeof(struct shape_data),
316         };
317
318
319 This driver has two methods (hello and status) and requires a bit of
320 private data (accessible through dev_get_priv(dev) once the driver has
321 been probed). It is a member of UCLASS_DEMO so will register itself
322 there.
323
324 In U_BOOT_DRIVER it is also possible to specify special methods for bind
325 and unbind, and these are called at appropriate times. For many drivers
326 it is hoped that only 'probe' and 'remove' will be needed.
327
328 The U_BOOT_DRIVER macro creates a data structure accessible from C,
329 so driver model can find the drivers that are available.
330
331 The methods a device can provide are documented in the device.h header.
332 Briefly, they are:
333
334    * bind - make the driver model aware of a device (bind it to its driver)
335    * unbind - make the driver model forget the device
336    * ofdata_to_platdata - convert device tree data to platdata - see later
337    * probe - make a device ready for use
338    * remove - remove a device so it cannot be used until probed again
339
340 The sequence to get a device to work is bind, ofdata_to_platdata (if using
341 device tree) and probe.
342
343
344 Platform Data
345 -------------
346
347 Note: platform data is the old way of doing things. It is
348 basically a C structure which is passed to drivers to tell them about
349 platform-specific settings like the address of its registers, bus
350 speed, etc. Device tree is now the preferred way of handling this.
351 Unless you have a good reason not to use device tree (the main one
352 being you need serial support in SPL and don't have enough SRAM for
353 the cut-down device tree and libfdt libraries) you should stay away
354 from platform data.
355
356 Platform data is like Linux platform data, if you are familiar with that.
357 It provides the board-specific information to start up a device.
358
359 Why is this information not just stored in the device driver itself? The
360 idea is that the device driver is generic, and can in principle operate on
361 any board that has that type of device. For example, with modern
362 highly-complex SoCs it is common for the IP to come from an IP vendor, and
363 therefore (for example) the MMC controller may be the same on chips from
364 different vendors. It makes no sense to write independent drivers for the
365 MMC controller on each vendor's SoC, when they are all almost the same.
366 Similarly, we may have 6 UARTs in an SoC, all of which are mostly the same,
367 but lie at different addresses in the address space.
368
369 Using the UART example, we have a single driver and it is instantiated 6
370 times by supplying 6 lots of platform data. Each lot of platform data
371 gives the driver name and a pointer to a structure containing information
372 about this instance - e.g. the address of the register space. It may be that
373 one of the UARTS supports RS-485 operation - this can be added as a flag in
374 the platform data, which is set for this one port and clear for the rest.
375
376 Think of your driver as a generic piece of code which knows how to talk to
377 a device, but needs to know where it is, any variant/option information and
378 so on. Platform data provides this link between the generic piece of code
379 and the specific way it is bound on a particular board.
380
381 Examples of platform data include:
382
383    - The base address of the IP block's register space
384    - Configuration options, like:
385       - the SPI polarity and maximum speed for a SPI controller
386       - the I2C speed to use for an I2C device
387       - the number of GPIOs available in a GPIO device
388
389 Where does the platform data come from? It is either held in a structure
390 which is compiled into U-Boot, or it can be parsed from the Device Tree
391 (see 'Device Tree' below).
392
393 For an example of how it can be compiled in, see demo-pdata.c which
394 sets up a table of driver names and their associated platform data.
395 The data can be interpreted by the drivers however they like - it is
396 basically a communication scheme between the board-specific code and
397 the generic drivers, which are intended to work on any board.
398
399 Drivers can access their data via dev->info->platdata. Here is
400 the declaration for the platform data, which would normally appear
401 in the board file.
402
403 .. code-block:: c
404
405         static const struct dm_demo_pdata red_square = {
406                 .colour = "red",
407                 .sides = 4.
408         };
409
410         static const struct driver_info info[] = {
411                 {
412                         .name = "demo_shape_drv",
413                         .platdata = &red_square,
414                 },
415         };
416
417         demo1 = driver_bind(root, &info[0]);
418
419
420 Device Tree
421 -----------
422
423 While platdata is useful, a more flexible way of providing device data is
424 by using device tree. In U-Boot you should use this where possible. Avoid
425 sending patches which make use of the U_BOOT_DEVICE() macro unless strictly
426 necessary.
427
428 With device tree we replace the above code with the following device tree
429 fragment:
430
431 .. code-block:: c
432
433         red-square {
434                 compatible = "demo-shape";
435                 colour = "red";
436                 sides = <4>;
437         };
438
439 This means that instead of having lots of U_BOOT_DEVICE() declarations in
440 the board file, we put these in the device tree. This approach allows a lot
441 more generality, since the same board file can support many types of boards
442 (e,g. with the same SoC) just by using different device trees. An added
443 benefit is that the Linux device tree can be used, thus further simplifying
444 the task of board-bring up either for U-Boot or Linux devs (whoever gets to
445 the board first!).
446
447 The easiest way to make this work it to add a few members to the driver:
448
449 .. code-block:: c
450
451         .platdata_auto_alloc_size = sizeof(struct dm_test_pdata),
452         .ofdata_to_platdata = testfdt_ofdata_to_platdata,
453
454 The 'auto_alloc' feature allowed space for the platdata to be allocated
455 and zeroed before the driver's ofdata_to_platdata() method is called. The
456 ofdata_to_platdata() method, which the driver write supplies, should parse
457 the device tree node for this device and place it in dev->platdata. Thus
458 when the probe method is called later (to set up the device ready for use)
459 the platform data will be present.
460
461 Note that both methods are optional. If you provide an ofdata_to_platdata
462 method then it will be called first (during activation). If you provide a
463 probe method it will be called next. See Driver Lifecycle below for more
464 details.
465
466 If you don't want to have the platdata automatically allocated then you
467 can leave out platdata_auto_alloc_size. In this case you can use malloc
468 in your ofdata_to_platdata (or probe) method to allocate the required memory,
469 and you should free it in the remove method.
470
471 The driver model tree is intended to mirror that of the device tree. The
472 root driver is at device tree offset 0 (the root node, '/'), and its
473 children are the children of the root node.
474
475 In order for a device tree to be valid, the content must be correct with
476 respect to either device tree specification
477 (https://www.devicetree.org/specifications/) or the device tree bindings that
478 are found in the doc/device-tree-bindings directory.  When not U-Boot specific
479 the bindings in this directory tend to come from the Linux Kernel.  As such
480 certain design decisions may have been made already for us in terms of how
481 specific devices are described and bound.  In most circumstances we wish to
482 retain compatibility without additional changes being made to the device tree
483 source files.
484
485 Declaring Uclasses
486 ------------------
487
488 The demo uclass is declared like this:
489
490 .. code-block:: c
491
492         UCLASS_DRIVER(demo) = {
493                 .id             = UCLASS_DEMO,
494         };
495
496 It is also possible to specify special methods for probe, etc. The uclass
497 numbering comes from include/dm/uclass-id.h. To add a new uclass, add to the
498 end of the enum there, then declare your uclass as above.
499
500
501 Device Sequence Numbers
502 -----------------------
503
504 U-Boot numbers devices from 0 in many situations, such as in the command
505 line for I2C and SPI buses, and the device names for serial ports (serial0,
506 serial1, ...). Driver model supports this numbering and permits devices
507 to be locating by their 'sequence'. This numbering uniquely identifies a
508 device in its uclass, so no two devices within a particular uclass can have
509 the same sequence number.
510
511 Sequence numbers start from 0 but gaps are permitted. For example, a board
512 may have I2C buses 1, 4, 5 but no 0, 2 or 3. The choice of how devices are
513 numbered is up to a particular board, and may be set by the SoC in some
514 cases. While it might be tempting to automatically renumber the devices
515 where there are gaps in the sequence, this can lead to confusion and is
516 not the way that U-Boot works.
517
518 Each device can request a sequence number. If none is required then the
519 device will be automatically allocated the next available sequence number.
520
521 To specify the sequence number in the device tree an alias is typically
522 used. Make sure that the uclass has the DM_UC_FLAG_SEQ_ALIAS flag set.
523
524 .. code-block:: none
525
526         aliases {
527                 serial2 = "/serial@22230000";
528         };
529
530 This indicates that in the uclass called "serial", the named node
531 ("/serial@22230000") will be given sequence number 2. Any command or driver
532 which requests serial device 2 will obtain this device.
533
534 More commonly you can use node references, which expand to the full path:
535
536 .. code-block:: none
537
538         aliases {
539                 serial2 = &serial_2;
540         };
541         ...
542         serial_2: serial@22230000 {
543         ...
544         };
545
546 The alias resolves to the same string in this case, but this version is
547 easier to read.
548
549 Device sequence numbers are resolved when a device is probed. Before then
550 the sequence number is only a request which may or may not be honoured,
551 depending on what other devices have been probed. However the numbering is
552 entirely under the control of the board author so a conflict is generally
553 an error.
554
555
556 Bus Drivers
557 -----------
558
559 A common use of driver model is to implement a bus, a device which provides
560 access to other devices. Example of buses include SPI and I2C. Typically
561 the bus provides some sort of transport or translation that makes it
562 possible to talk to the devices on the bus.
563
564 Driver model provides some useful features to help with implementing buses.
565 Firstly, a bus can request that its children store some 'parent data' which
566 can be used to keep track of child state. Secondly, the bus can define
567 methods which are called when a child is probed or removed. This is similar
568 to the methods the uclass driver provides. Thirdly, per-child platform data
569 can be provided to specify things like the child's address on the bus. This
570 persists across child probe()/remove() cycles.
571
572 For consistency and ease of implementation, the bus uclass can specify the
573 per-child platform data, so that it can be the same for all children of buses
574 in that uclass. There are also uclass methods which can be called when
575 children are bound and probed.
576
577 Here an explanation of how a bus fits with a uclass may be useful. Consider
578 a USB bus with several devices attached to it, each from a different (made
579 up) uclass::
580
581    xhci_usb (UCLASS_USB)
582       eth (UCLASS_ETH)
583       camera (UCLASS_CAMERA)
584       flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)
585
586 Each of the devices is connected to a different address on the USB bus.
587 The bus device wants to store this address and some other information such
588 as the bus speed for each device.
589
590 To achieve this, the bus device can use dev->parent_platdata in each of its
591 three children. This can be auto-allocated if the bus driver (or bus uclass)
592 has a non-zero value for per_child_platdata_auto_alloc_size. If not, then
593 the bus device or uclass can allocate the space itself before the child
594 device is probed.
595
596 Also the bus driver can define the child_pre_probe() and child_post_remove()
597 methods to allow it to do some processing before the child is activated or
598 after it is deactivated.
599
600 Similarly the bus uclass can define the child_post_bind() method to obtain
601 the per-child platform data from the device tree and set it up for the child.
602 The bus uclass can also provide a child_pre_probe() method. Very often it is
603 the bus uclass that controls these features, since it avoids each driver
604 having to do the same processing. Of course the driver can still tweak and
605 override these activities.
606
607 Note that the information that controls this behaviour is in the bus's
608 driver, not the child's. In fact it is possible that child has no knowledge
609 that it is connected to a bus. The same child device may even be used on two
610 different bus types. As an example. the 'flash' device shown above may also
611 be connected on a SATA bus or standalone with no bus::
612
613    xhci_usb (UCLASS_USB)
614       flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)  - parent data/methods defined by USB bus
615
616    sata (UCLASS_AHCI)
617       flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)  - parent data/methods defined by SATA bus
618
619    flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)  - no parent data/methods (not on a bus)
620
621 Above you can see that the driver for xhci_usb/sata controls the child's
622 bus methods. In the third example the device is not on a bus, and therefore
623 will not have these methods at all. Consider the case where the flash
624 device defines child methods. These would be used for *its* children, and
625 would be quite separate from the methods defined by the driver for the bus
626 that the flash device is connetced to. The act of attaching a device to a
627 parent device which is a bus, causes the device to start behaving like a
628 bus device, regardless of its own views on the matter.
629
630 The uclass for the device can also contain data private to that uclass.
631 But note that each device on the bus may be a member of a different
632 uclass, and this data has nothing to do with the child data for each child
633 on the bus. It is the bus' uclass that controls the child with respect to
634 the bus.
635
636
637 Driver Lifecycle
638 ----------------
639
640 Here are the stages that a device goes through in driver model. Note that all
641 methods mentioned here are optional - e.g. if there is no probe() method for
642 a device then it will not be called. A simple device may have very few
643 methods actually defined.
644
645 Bind stage
646 ^^^^^^^^^^
647
648 U-Boot discovers devices using one of these two methods:
649
650 - Scan the U_BOOT_DEVICE() definitions. U-Boot looks up the name specified
651   by each, to find the appropriate U_BOOT_DRIVER() definition. In this case,
652   there is no path by which driver_data may be provided, but the U_BOOT_DEVICE()
653   may provide platdata.
654
655 - Scan through the device tree definitions. U-Boot looks at top-level
656   nodes in the the device tree. It looks at the compatible string in each node
657   and uses the of_match table of the U_BOOT_DRIVER() structure to find the
658   right driver for each node. In this case, the of_match table may provide a
659   driver_data value, but platdata cannot be provided until later.
660
661 For each device that is discovered, U-Boot then calls device_bind() to create a
662 new device, initializes various core fields of the device object such as name,
663 uclass & driver, initializes any optional fields of the device object that are
664 applicable such as of_offset, driver_data & platdata, and finally calls the
665 driver's bind() method if one is defined.
666
667 At this point all the devices are known, and bound to their drivers. There
668 is a 'struct udevice' allocated for all devices. However, nothing has been
669 activated (except for the root device). Each bound device that was created
670 from a U_BOOT_DEVICE() declaration will hold the platdata pointer specified
671 in that declaration. For a bound device created from the device tree,
672 platdata will be NULL, but of_offset will be the offset of the device tree
673 node that caused the device to be created. The uclass is set correctly for
674 the device.
675
676 The device's bind() method is permitted to perform simple actions, but
677 should not scan the device tree node, not initialise hardware, nor set up
678 structures or allocate memory. All of these tasks should be left for
679 the probe() method.
680
681 Note that compared to Linux, U-Boot's driver model has a separate step of
682 probe/remove which is independent of bind/unbind. This is partly because in
683 U-Boot it may be expensive to probe devices and we don't want to do it until
684 they are needed, or perhaps until after relocation.
685
686 Reading ofdata
687 ^^^^^^^^^^^^^^
688
689 Most devices have data in the device tree which they can read to find out the
690 base address of hardware registers and parameters relating to driver
691 operation. This is called 'ofdata' (Open-Firmware data).
692
693 The device's_ofdata_to_platdata() implemnents allocation and reading of
694 platdata. A parent's ofdata is always read before a child.
695
696 The steps are:
697
698    1. If priv_auto_alloc_size is non-zero, then the device-private space
699    is allocated for the device and zeroed. It will be accessible as
700    dev->priv. The driver can put anything it likes in there, but should use
701    it for run-time information, not platform data (which should be static
702    and known before the device is probed).
703
704    2. If platdata_auto_alloc_size is non-zero, then the platform data space
705    is allocated. This is only useful for device tree operation, since
706    otherwise you would have to specific the platform data in the
707    U_BOOT_DEVICE() declaration. The space is allocated for the device and
708    zeroed. It will be accessible as dev->platdata.
709
710    3. If the device's uclass specifies a non-zero per_device_auto_alloc_size,
711    then this space is allocated and zeroed also. It is allocated for and
712    stored in the device, but it is uclass data. owned by the uclass driver.
713    It is possible for the device to access it.
714
715    4. If the device's immediate parent specifies a per_child_auto_alloc_size
716    then this space is allocated. This is intended for use by the parent
717    device to keep track of things related to the child. For example a USB
718    flash stick attached to a USB host controller would likely use this
719    space. The controller can hold information about the USB state of each
720    of its children.
721
722    5. If the driver provides an ofdata_to_platdata() method, then this is
723    called to convert the device tree data into platform data. This should
724    do various calls like dev_read_u32(dev, ...) to access the node and store
725    the resulting information into dev->platdata. After this point, the device
726    works the same way whether it was bound using a device tree node or
727    U_BOOT_DEVICE() structure. In either case, the platform data is now stored
728    in the platdata structure. Typically you will use the
729    platdata_auto_alloc_size feature to specify the size of the platform data
730    structure, and U-Boot will automatically allocate and zero it for you before
731    entry to ofdata_to_platdata(). But if not, you can allocate it yourself in
732    ofdata_to_platdata(). Note that it is preferable to do all the device tree
733    decoding in ofdata_to_platdata() rather than in probe(). (Apart from the
734    ugliness of mixing configuration and run-time data, one day it is possible
735    that U-Boot will cache platform data for devices which are regularly
736    de/activated).
737
738    5. The device is marked 'platdata valid'.
739
740 Note that ofdata reading is always done (for a child and all its parents)
741 before probing starts. Thus devices go through two distinct states when
742 probing: reading platform data and actually touching the hardware to bring
743 the device up.
744
745 Having probing separate from ofdata-reading helps deal with of-platdata, where
746 the probe() method is common to both DT/of-platdata operation, but the
747 ofdata_to_platdata() method is implemented differently.
748
749 Another case has come up where this separate is useful. Generation of ACPI
750 tables uses the of-platdata but does not want to probe the device. Probing
751 would cause U-Boot to violate one of its design principles, viz that it
752 should only probe devices that are used. For ACPI we want to generate a
753 table for each device, even if U-Boot does not use it. In fact it may not
754 even be possible to probe the device - e.g. an SD card which is not
755 present will cause an error on probe, yet we still must tell Linux about
756 the SD card connector in case it is used while Linux is running.
757
758 It is important that the ofdata_to_platdata() method does not actually probe
759 the device itself. However there are cases where other devices must be probed
760 in the ofdata_to_platdata() method. An example is where a device requires a
761 GPIO for it to operate. To select a GPIO obviously requires that the GPIO
762 device is probed. This is OK when used by common, core devices such as GPIO,
763 clock, interrupts, reset and the like.
764
765 If your device relies on its parent setting up a suitable address space, so
766 that dev_read_addr() works correctly, then make sure that the parent device
767 has its setup code in ofdata_to_platdata(). If it has it in the probe method,
768 then you cannot call dev_read_addr() from the child device's
769 ofdata_to_platdata() method. Move it to probe() instead. Buses like PCI can
770 fall afoul of this rule.
771
772 Activation/probe
773 ^^^^^^^^^^^^^^^^
774
775 When a device needs to be used, U-Boot activates it, by first reading ofdata
776 as above and then following these steps (see device_probe()):
777
778    1. All parent devices are probed. It is not possible to activate a device
779    unless its predecessors (all the way up to the root device) are activated.
780    This means (for example) that an I2C driver will require that its bus
781    be activated.
782
783    2. The device's sequence number is assigned, either the requested one
784    (assuming no conflicts) or the next available one if there is a conflict
785    or nothing particular is requested.
786
787    4. The device's probe() method is called. This should do anything that
788    is required by the device to get it going. This could include checking
789    that the hardware is actually present, setting up clocks for the
790    hardware and setting up hardware registers to initial values. The code
791    in probe() can access:
792
793       - platform data in dev->platdata (for configuration)
794       - private data in dev->priv (for run-time state)
795       - uclass data in dev->uclass_priv (for things the uclass stores
796         about this device)
797
798    Note: If you don't use priv_auto_alloc_size then you will need to
799    allocate the priv space here yourself. The same applies also to
800    platdata_auto_alloc_size. Remember to free them in the remove() method.
801
802    5. The device is marked 'activated'
803
804    10. The uclass's post_probe() method is called, if one exists. This may
805    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
806    activated and 'known' by the uclass.
807
808 Running stage
809 ^^^^^^^^^^^^^
810
811 The device is now activated and can be used. From now until it is removed
812 all of the above structures are accessible. The device appears in the
813 uclass's list of devices (so if the device is in UCLASS_GPIO it will appear
814 as a device in the GPIO uclass). This is the 'running' state of the device.
815
816 Removal stage
817 ^^^^^^^^^^^^^
818
819 When the device is no-longer required, you can call device_remove() to
820 remove it. This performs the probe steps in reverse:
821
822    1. The uclass's pre_remove() method is called, if one exists. This may
823    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
824    deactivated and no-longer 'known' by the uclass.
825
826    2. All the device's children are removed. It is not permitted to have
827    an active child device with a non-active parent. This means that
828    device_remove() is called for all the children recursively at this point.
829
830    3. The device's remove() method is called. At this stage nothing has been
831    deallocated so platform data, private data and the uclass data will all
832    still be present. This is where the hardware can be shut down. It is
833    intended that the device be completely inactive at this point, For U-Boot
834    to be sure that no hardware is running, it should be enough to remove
835    all devices.
836
837    4. The device memory is freed (platform data, private data, uclass data,
838    parent data).
839
840    Note: Because the platform data for a U_BOOT_DEVICE() is defined with a
841    static pointer, it is not de-allocated during the remove() method. For
842    a device instantiated using the device tree data, the platform data will
843    be dynamically allocated, and thus needs to be deallocated during the
844    remove() method, either:
845
846       - if the platdata_auto_alloc_size is non-zero, the deallocation
847         happens automatically within the driver model core; or
848
849       - when platdata_auto_alloc_size is 0, both the allocation (in probe()
850         or preferably ofdata_to_platdata()) and the deallocation in remove()
851         are the responsibility of the driver author.
852
853    5. The device sequence number is set to -1, meaning that it no longer
854    has an allocated sequence. If the device is later reactivated and that
855    sequence number is still free, it may well receive the name sequence
856    number again. But from this point, the sequence number previously used
857    by this device will no longer exist (think of SPI bus 2 being removed
858    and bus 2 is no longer available for use).
859
860    6. The device is marked inactive. Note that it is still bound, so the
861    device structure itself is not freed at this point. Should the device be
862    activated again, then the cycle starts again at step 2 above.
863
864 Unbind stage
865 ^^^^^^^^^^^^
866
867 The device is unbound. This is the step that actually destroys the device.
868 If a parent has children these will be destroyed first. After this point
869 the device does not exist and its memory has be deallocated.
870
871
872 Data Structures
873 ---------------
874
875 Driver model uses a doubly-linked list as the basic data structure. Some
876 nodes have several lists running through them. Creating a more efficient
877 data structure might be worthwhile in some rare cases, once we understand
878 what the bottlenecks are.
879
880
881 Changes since v1
882 ----------------
883
884 For the record, this implementation uses a very similar approach to the
885 original patches, but makes at least the following changes:
886
887 - Tried to aggressively remove boilerplate, so that for most drivers there
888   is little or no 'driver model' code to write.
889 - Moved some data from code into data structure - e.g. store a pointer to
890   the driver operations structure in the driver, rather than passing it
891   to the driver bind function.
892 - Rename some structures to make them more similar to Linux (struct udevice
893   instead of struct instance, struct platdata, etc.)
894 - Change the name 'core' to 'uclass', meaning U-Boot class. It seems that
895   this concept relates to a class of drivers (or a subsystem). We shouldn't
896   use 'class' since it is a C++ reserved word, so U-Boot class (uclass) seems
897   better than 'core'.
898 - Remove 'struct driver_instance' and just use a single 'struct udevice'.
899   This removes a level of indirection that doesn't seem necessary.
900 - Built in device tree support, to avoid the need for platdata
901 - Removed the concept of driver relocation, and just make it possible for
902   the new driver (created after relocation) to access the old driver data.
903   I feel that relocation is a very special case and will only apply to a few
904   drivers, many of which can/will just re-init anyway. So the overhead of
905   dealing with this might not be worth it.
906 - Implemented a GPIO system, trying to keep it simple
907
908
909 Pre-Relocation Support
910 ----------------------
911
912 For pre-relocation we simply call the driver model init function. Only
913 drivers marked with DM_FLAG_PRE_RELOC or the device tree 'u-boot,dm-pre-reloc'
914 property are initialised prior to relocation. This helps to reduce the driver
915 model overhead. This flag applies to SPL and TPL as well, if device tree is
916 enabled (CONFIG_OF_CONTROL) there.
917
918 Note when device tree is enabled, the device tree 'u-boot,dm-pre-reloc'
919 property can provide better control granularity on which device is bound
920 before relocation. While with DM_FLAG_PRE_RELOC flag of the driver all
921 devices with the same driver are bound, which requires allocation a large
922 amount of memory. When device tree is not used, DM_FLAG_PRE_RELOC is the
923 only way for statically declared devices via U_BOOT_DEVICE() to be bound
924 prior to relocation.
925
926 It is possible to limit this to specific relocation steps, by using
927 the more specialized 'u-boot,dm-spl' and 'u-boot,dm-tpl' flags
928 in the device tree node. For U-Boot proper you can use 'u-boot,dm-pre-proper'
929 which means that it will be processed (and a driver bound) in U-Boot proper
930 prior to relocation, but will not be available in SPL or TPL.
931
932 To reduce the size of SPL and TPL, only the nodes with pre-relocation properties
933 ('u-boot,dm-pre-reloc', 'u-boot,dm-spl' or 'u-boot,dm-tpl') are keept in their
934 device trees (see README.SPL for details); the remaining nodes are always bound.
935
936 Then post relocation we throw that away and re-init driver model again.
937 For drivers which require some sort of continuity between pre- and
938 post-relocation devices, we can provide access to the pre-relocation
939 device pointers, but this is not currently implemented (the root device
940 pointer is saved but not made available through the driver model API).
941
942
943 SPL Support
944 -----------
945
946 Driver model can operate in SPL. Its efficient implementation and small code
947 size provide for a small overhead which is acceptable for all but the most
948 constrained systems.
949
950 To enable driver model in SPL, define CONFIG_SPL_DM. You might want to
951 consider the following option also. See the main README for more details.
952
953    - CONFIG_SYS_MALLOC_SIMPLE
954    - CONFIG_DM_WARN
955    - CONFIG_DM_DEVICE_REMOVE
956    - CONFIG_DM_STDIO
957
958
959 Enabling Driver Model
960 ---------------------
961
962 Driver model is being brought into U-Boot gradually. As each subsystems gets
963 support, a uclass is created and a CONFIG to enable use of driver model for
964 that subsystem.
965
966 For example CONFIG_DM_SERIAL enables driver model for serial. With that
967 defined, the old serial support is not enabled, and your serial driver must
968 conform to driver model. With that undefined, the old serial support is
969 enabled and driver model is not available for serial. This means that when
970 you convert a driver, you must either convert all its boards, or provide for
971 the driver to be compiled both with and without driver model (generally this
972 is not very hard).
973
974 See the main README for full details of the available driver model CONFIG
975 options.
976
977
978 Things to punt for later
979 ------------------------
980
981 Uclasses are statically numbered at compile time. It would be possible to
982 change this to dynamic numbering, but then we would require some sort of
983 lookup service, perhaps searching by name. This is slightly less efficient
984 so has been left out for now. One small advantage of dynamic numbering might
985 be fewer merge conflicts in uclass-id.h.