Merge git://git.denx.de/u-boot-tegra
[oweals/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_defconfig
40    make
41    ./u-boot -d u-boot.dtb
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/py/test.py --bd sandbox --build -k ut_dm -v
94
95 You should see something like this:
96
97 (venv)$ ./test/py/test.py --bd sandbox --build -k ut_dm -v
98 +make O=/root/u-boot/build-sandbox -s sandbox_defconfig
99 +make O=/root/u-boot/build-sandbox -s -j8
100 ============================= test session starts ==============================
101 platform linux2 -- Python 2.7.5, pytest-2.9.0, py-1.4.31, pluggy-0.3.1 -- /root/u-boot/venv/bin/python
102 cachedir: .cache
103 rootdir: /root/u-boot, inifile:
104 collected 199 items
105
106 test/py/tests/test_ut.py::test_ut_dm_init PASSED
107 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_bind] PASSED
108 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_multi_channel_conversion] PASSED
109 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_multi_channel_shot] PASSED
110 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_single_channel_conversion] PASSED
111 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_single_channel_shot] PASSED
112 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_supply] PASSED
113 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_adc_wrong_channel_selection] PASSED
114 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autobind] PASSED
115 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autobind_uclass_pdata_alloc] PASSED
116 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autobind_uclass_pdata_valid] PASSED
117 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_autoprobe] PASSED
118 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_child_post_bind] PASSED
119 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_child_post_bind_uclass] PASSED
120 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_child_pre_probe_uclass] PASSED
121 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_children] PASSED
122 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_children_funcs] PASSED
123 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_children_iterators] PASSED
124 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_data] PASSED
125 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_data_uclass] PASSED
126 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_ops] PASSED
127 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_platdata] PASSED
128 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_bus_parent_platdata_uclass] PASSED
129 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_children] PASSED
130 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_clk_base] PASSED
131 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_clk_periph] PASSED
132 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_device_get_uclass_id] PASSED
133 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth] PASSED
134 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_act] PASSED
135 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_alias] PASSED
136 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_prime] PASSED
137 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_eth_rotate] PASSED
138 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt] PASSED
139 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt_offset] PASSED
140 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt_pre_reloc] PASSED
141 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_fdt_uclass_seq] PASSED
142 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio] PASSED
143 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_anon] PASSED
144 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_copy] PASSED
145 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_leak] PASSED
146 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_phandles] PASSED
147 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_gpio_requestf] PASSED
148 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_bytewise] PASSED
149 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_find] PASSED
150 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_offset] PASSED
151 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_offset_len] PASSED
152 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_probe_empty] PASSED
153 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_read_write] PASSED
154 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_i2c_speed] PASSED
155 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_leak] PASSED
156 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_led_base] PASSED
157 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_led_gpio] PASSED
158 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_led_label] PASSED
159 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_lifecycle] PASSED
160 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_mmc_base] PASSED
161 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_net_retry] PASSED
162 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_operations] PASSED
163 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_ordering] PASSED
164 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pci_base] PASSED
165 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pci_busnum] PASSED
166 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pci_swapcase] PASSED
167 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_platdata] PASSED
168 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_pmic_get] PASSED
169 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_pmic_io] PASSED
170 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_autoset] PASSED
171 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_autoset_list] PASSED
172 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_get] PASSED
173 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_current] PASSED
174 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_enable] PASSED
175 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_mode] PASSED
176 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_power_regulator_set_get_voltage] PASSED
177 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_pre_reloc] PASSED
178 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_ram_base] PASSED
179 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_regmap_base] PASSED
180 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_regmap_syscon] PASSED
181 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_remoteproc_base] PASSED
182 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_remove] PASSED
183 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_reset_base] PASSED
184 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_reset_walk] PASSED
185 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_base] PASSED
186 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_dual] PASSED
187 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_reset] PASSED
188 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_rtc_set_get] PASSED
189 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_spi_find] PASSED
190 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_spi_flash] PASSED
191 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_spi_xfer] PASSED
192 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_syscon_base] PASSED
193 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_syscon_by_driver_data] PASSED
194 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_timer_base] PASSED
195 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass] PASSED
196 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_before_ready] PASSED
197 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_find] PASSED
198 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_find_by_name] PASSED
199 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_get] PASSED
200 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_uclass_devices_get_by_name] PASSED
201 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_base] PASSED
202 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_flash] PASSED
203 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_keyb] PASSED
204 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_multi] PASSED
205 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_remove] PASSED
206 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_tree] PASSED
207 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_tree_remove] PASSED
208 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_usb_tree_reorder] PASSED
209 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_base] PASSED
210 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_bmp] PASSED
211 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_bmp_comp] PASSED
212 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_chars] PASSED
213 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_context] PASSED
214 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_rotation1] PASSED
215 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_rotation2] PASSED
216 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_rotation3] PASSED
217 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_text] PASSED
218 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_truetype] PASSED
219 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_truetype_bs] PASSED
220 test/py/tests/test_ut.py::test_ut[ut_dm_video_truetype_scroll] PASSED
221
222 ======================= 84 tests deselected by '-kut_dm' =======================
223 ================== 115 passed, 84 deselected in 3.77 seconds ===================
224
225 What is going on?
226 -----------------
227
228 Let's start at the top. The demo command is in common/cmd_demo.c. It does
229 the usual command processing and then:
230
231         struct udevice *demo_dev;
232
233         ret = uclass_get_device(UCLASS_DEMO, devnum, &demo_dev);
234
235 UCLASS_DEMO means the class of devices which implement 'demo'. Other
236 classes might be MMC, or GPIO, hashing or serial. The idea is that the
237 devices in the class all share a particular way of working. The class
238 presents a unified view of all these devices to U-Boot.
239
240 This function looks up a device for the demo uclass. Given a device
241 number we can find the device because all devices have registered with
242 the UCLASS_DEMO uclass.
243
244 The device is automatically activated ready for use by uclass_get_device().
245
246 Now that we have the device we can do things like:
247
248         return demo_hello(demo_dev, ch);
249
250 This function is in the demo uclass. It takes care of calling the 'hello'
251 method of the relevant driver. Bearing in mind that there are two drivers,
252 this particular device may use one or other of them.
253
254 The code for demo_hello() is in drivers/demo/demo-uclass.c:
255
256 int demo_hello(struct udevice *dev, int ch)
257 {
258         const struct demo_ops *ops = device_get_ops(dev);
259
260         if (!ops->hello)
261                 return -ENOSYS;
262
263         return ops->hello(dev, ch);
264 }
265
266 As you can see it just calls the relevant driver method. One of these is
267 in drivers/demo/demo-simple.c:
268
269 static int simple_hello(struct udevice *dev, int ch)
270 {
271         const struct dm_demo_pdata *pdata = dev_get_platdata(dev);
272
273         printf("Hello from %08x: %s %d\n", map_to_sysmem(dev),
274                pdata->colour, pdata->sides);
275
276         return 0;
277 }
278
279
280 So that is a trip from top (command execution) to bottom (driver action)
281 but it leaves a lot of topics to address.
282
283
284 Declaring Drivers
285 -----------------
286
287 A driver declaration looks something like this (see
288 drivers/demo/demo-shape.c):
289
290 static const struct demo_ops shape_ops = {
291         .hello = shape_hello,
292         .status = shape_status,
293 };
294
295 U_BOOT_DRIVER(demo_shape_drv) = {
296         .name   = "demo_shape_drv",
297         .id     = UCLASS_DEMO,
298         .ops    = &shape_ops,
299         .priv_data_size = sizeof(struct shape_data),
300 };
301
302
303 This driver has two methods (hello and status) and requires a bit of
304 private data (accessible through dev_get_priv(dev) once the driver has
305 been probed). It is a member of UCLASS_DEMO so will register itself
306 there.
307
308 In U_BOOT_DRIVER it is also possible to specify special methods for bind
309 and unbind, and these are called at appropriate times. For many drivers
310 it is hoped that only 'probe' and 'remove' will be needed.
311
312 The U_BOOT_DRIVER macro creates a data structure accessible from C,
313 so driver model can find the drivers that are available.
314
315 The methods a device can provide are documented in the device.h header.
316 Briefly, they are:
317
318     bind - make the driver model aware of a device (bind it to its driver)
319     unbind - make the driver model forget the device
320     ofdata_to_platdata - convert device tree data to platdata - see later
321     probe - make a device ready for use
322     remove - remove a device so it cannot be used until probed again
323
324 The sequence to get a device to work is bind, ofdata_to_platdata (if using
325 device tree) and probe.
326
327
328 Platform Data
329 -------------
330
331 *** Note: platform data is the old way of doing things. It is
332 *** basically a C structure which is passed to drivers to tell them about
333 *** platform-specific settings like the address of its registers, bus
334 *** speed, etc. Device tree is now the preferred way of handling this.
335 *** Unless you have a good reason not to use device tree (the main one
336 *** being you need serial support in SPL and don't have enough SRAM for
337 *** the cut-down device tree and libfdt libraries) you should stay away
338 *** from platform data.
339
340 Platform data is like Linux platform data, if you are familiar with that.
341 It provides the board-specific information to start up a device.
342
343 Why is this information not just stored in the device driver itself? The
344 idea is that the device driver is generic, and can in principle operate on
345 any board that has that type of device. For example, with modern
346 highly-complex SoCs it is common for the IP to come from an IP vendor, and
347 therefore (for example) the MMC controller may be the same on chips from
348 different vendors. It makes no sense to write independent drivers for the
349 MMC controller on each vendor's SoC, when they are all almost the same.
350 Similarly, we may have 6 UARTs in an SoC, all of which are mostly the same,
351 but lie at different addresses in the address space.
352
353 Using the UART example, we have a single driver and it is instantiated 6
354 times by supplying 6 lots of platform data. Each lot of platform data
355 gives the driver name and a pointer to a structure containing information
356 about this instance - e.g. the address of the register space. It may be that
357 one of the UARTS supports RS-485 operation - this can be added as a flag in
358 the platform data, which is set for this one port and clear for the rest.
359
360 Think of your driver as a generic piece of code which knows how to talk to
361 a device, but needs to know where it is, any variant/option information and
362 so on. Platform data provides this link between the generic piece of code
363 and the specific way it is bound on a particular board.
364
365 Examples of platform data include:
366
367    - The base address of the IP block's register space
368    - Configuration options, like:
369          - the SPI polarity and maximum speed for a SPI controller
370          - the I2C speed to use for an I2C device
371          - the number of GPIOs available in a GPIO device
372
373 Where does the platform data come from? It is either held in a structure
374 which is compiled into U-Boot, or it can be parsed from the Device Tree
375 (see 'Device Tree' below).
376
377 For an example of how it can be compiled in, see demo-pdata.c which
378 sets up a table of driver names and their associated platform data.
379 The data can be interpreted by the drivers however they like - it is
380 basically a communication scheme between the board-specific code and
381 the generic drivers, which are intended to work on any board.
382
383 Drivers can access their data via dev->info->platdata. Here is
384 the declaration for the platform data, which would normally appear
385 in the board file.
386
387         static const struct dm_demo_cdata red_square = {
388                 .colour = "red",
389                 .sides = 4.
390         };
391         static const struct driver_info info[] = {
392                 {
393                         .name = "demo_shape_drv",
394                         .platdata = &red_square,
395                 },
396         };
397
398         demo1 = driver_bind(root, &info[0]);
399
400
401 Device Tree
402 -----------
403
404 While platdata is useful, a more flexible way of providing device data is
405 by using device tree. In U-Boot you should use this where possible. Avoid
406 sending patches which make use of the U_BOOT_DEVICE() macro unless strictly
407 necessary.
408
409 With device tree we replace the above code with the following device tree
410 fragment:
411
412         red-square {
413                 compatible = "demo-shape";
414                 colour = "red";
415                 sides = <4>;
416         };
417
418 This means that instead of having lots of U_BOOT_DEVICE() declarations in
419 the board file, we put these in the device tree. This approach allows a lot
420 more generality, since the same board file can support many types of boards
421 (e,g. with the same SoC) just by using different device trees. An added
422 benefit is that the Linux device tree can be used, thus further simplifying
423 the task of board-bring up either for U-Boot or Linux devs (whoever gets to
424 the board first!).
425
426 The easiest way to make this work it to add a few members to the driver:
427
428         .platdata_auto_alloc_size = sizeof(struct dm_test_pdata),
429         .ofdata_to_platdata = testfdt_ofdata_to_platdata,
430
431 The 'auto_alloc' feature allowed space for the platdata to be allocated
432 and zeroed before the driver's ofdata_to_platdata() method is called. The
433 ofdata_to_platdata() method, which the driver write supplies, should parse
434 the device tree node for this device and place it in dev->platdata. Thus
435 when the probe method is called later (to set up the device ready for use)
436 the platform data will be present.
437
438 Note that both methods are optional. If you provide an ofdata_to_platdata
439 method then it will be called first (during activation). If you provide a
440 probe method it will be called next. See Driver Lifecycle below for more
441 details.
442
443 If you don't want to have the platdata automatically allocated then you
444 can leave out platdata_auto_alloc_size. In this case you can use malloc
445 in your ofdata_to_platdata (or probe) method to allocate the required memory,
446 and you should free it in the remove method.
447
448 The driver model tree is intended to mirror that of the device tree. The
449 root driver is at device tree offset 0 (the root node, '/'), and its
450 children are the children of the root node.
451
452
453 Declaring Uclasses
454 ------------------
455
456 The demo uclass is declared like this:
457
458 U_BOOT_CLASS(demo) = {
459         .id             = UCLASS_DEMO,
460 };
461
462 It is also possible to specify special methods for probe, etc. The uclass
463 numbering comes from include/dm/uclass.h. To add a new uclass, add to the
464 end of the enum there, then declare your uclass as above.
465
466
467 Device Sequence Numbers
468 -----------------------
469
470 U-Boot numbers devices from 0 in many situations, such as in the command
471 line for I2C and SPI buses, and the device names for serial ports (serial0,
472 serial1, ...). Driver model supports this numbering and permits devices
473 to be locating by their 'sequence'. This numbering uniquely identifies a
474 device in its uclass, so no two devices within a particular uclass can have
475 the same sequence number.
476
477 Sequence numbers start from 0 but gaps are permitted. For example, a board
478 may have I2C buses 1, 4, 5 but no 0, 2 or 3. The choice of how devices are
479 numbered is up to a particular board, and may be set by the SoC in some
480 cases. While it might be tempting to automatically renumber the devices
481 where there are gaps in the sequence, this can lead to confusion and is
482 not the way that U-Boot works.
483
484 Each device can request a sequence number. If none is required then the
485 device will be automatically allocated the next available sequence number.
486
487 To specify the sequence number in the device tree an alias is typically
488 used. Make sure that the uclass has the DM_UC_FLAG_SEQ_ALIAS flag set.
489
490 aliases {
491         serial2 = "/serial@22230000";
492 };
493
494 This indicates that in the uclass called "serial", the named node
495 ("/serial@22230000") will be given sequence number 2. Any command or driver
496 which requests serial device 2 will obtain this device.
497
498 More commonly you can use node references, which expand to the full path:
499
500 aliases {
501         serial2 = &serial_2;
502 };
503 ...
504 serial_2: serial@22230000 {
505 ...
506 };
507
508 The alias resolves to the same string in this case, but this version is
509 easier to read.
510
511 Device sequence numbers are resolved when a device is probed. Before then
512 the sequence number is only a request which may or may not be honoured,
513 depending on what other devices have been probed. However the numbering is
514 entirely under the control of the board author so a conflict is generally
515 an error.
516
517
518 Bus Drivers
519 -----------
520
521 A common use of driver model is to implement a bus, a device which provides
522 access to other devices. Example of buses include SPI and I2C. Typically
523 the bus provides some sort of transport or translation that makes it
524 possible to talk to the devices on the bus.
525
526 Driver model provides some useful features to help with implementing buses.
527 Firstly, a bus can request that its children store some 'parent data' which
528 can be used to keep track of child state. Secondly, the bus can define
529 methods which are called when a child is probed or removed. This is similar
530 to the methods the uclass driver provides. Thirdly, per-child platform data
531 can be provided to specify things like the child's address on the bus. This
532 persists across child probe()/remove() cycles.
533
534 For consistency and ease of implementation, the bus uclass can specify the
535 per-child platform data, so that it can be the same for all children of buses
536 in that uclass. There are also uclass methods which can be called when
537 children are bound and probed.
538
539 Here an explanation of how a bus fits with a uclass may be useful. Consider
540 a USB bus with several devices attached to it, each from a different (made
541 up) uclass:
542
543    xhci_usb (UCLASS_USB)
544       eth (UCLASS_ETHERNET)
545       camera (UCLASS_CAMERA)
546       flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)
547
548 Each of the devices is connected to a different address on the USB bus.
549 The bus device wants to store this address and some other information such
550 as the bus speed for each device.
551
552 To achieve this, the bus device can use dev->parent_platdata in each of its
553 three children. This can be auto-allocated if the bus driver (or bus uclass)
554 has a non-zero value for per_child_platdata_auto_alloc_size. If not, then
555 the bus device or uclass can allocate the space itself before the child
556 device is probed.
557
558 Also the bus driver can define the child_pre_probe() and child_post_remove()
559 methods to allow it to do some processing before the child is activated or
560 after it is deactivated.
561
562 Similarly the bus uclass can define the child_post_bind() method to obtain
563 the per-child platform data from the device tree and set it up for the child.
564 The bus uclass can also provide a child_pre_probe() method. Very often it is
565 the bus uclass that controls these features, since it avoids each driver
566 having to do the same processing. Of course the driver can still tweak and
567 override these activities.
568
569 Note that the information that controls this behaviour is in the bus's
570 driver, not the child's. In fact it is possible that child has no knowledge
571 that it is connected to a bus. The same child device may even be used on two
572 different bus types. As an example. the 'flash' device shown above may also
573 be connected on a SATA bus or standalone with no bus:
574
575    xhci_usb (UCLASS_USB)
576       flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)  - parent data/methods defined by USB bus
577
578    sata (UCLASS_SATA)
579       flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)  - parent data/methods defined by SATA bus
580
581    flash (UCLASS_FLASH_STORAGE)  - no parent data/methods (not on a bus)
582
583 Above you can see that the driver for xhci_usb/sata controls the child's
584 bus methods. In the third example the device is not on a bus, and therefore
585 will not have these methods at all. Consider the case where the flash
586 device defines child methods. These would be used for *its* children, and
587 would be quite separate from the methods defined by the driver for the bus
588 that the flash device is connetced to. The act of attaching a device to a
589 parent device which is a bus, causes the device to start behaving like a
590 bus device, regardless of its own views on the matter.
591
592 The uclass for the device can also contain data private to that uclass.
593 But note that each device on the bus may be a memeber of a different
594 uclass, and this data has nothing to do with the child data for each child
595 on the bus. It is the bus' uclass that controls the child with respect to
596 the bus.
597
598
599 Driver Lifecycle
600 ----------------
601
602 Here are the stages that a device goes through in driver model. Note that all
603 methods mentioned here are optional - e.g. if there is no probe() method for
604 a device then it will not be called. A simple device may have very few
605 methods actually defined.
606
607 1. Bind stage
608
609 U-Boot discovers devices using one of these two methods:
610
611    - Scan the U_BOOT_DEVICE() definitions. U-Boot looks up the name specified
612 by each, to find the appropriate U_BOOT_DRIVER() definition. In this case,
613 there is no path by which driver_data may be provided, but the U_BOOT_DEVICE()
614 may provide platdata.
615
616    - Scan through the device tree definitions. U-Boot looks at top-level
617 nodes in the the device tree. It looks at the compatible string in each node
618 and uses the of_match table of the U_BOOT_DRIVER() structure to find the
619 right driver for each node. In this case, the of_match table may provide a
620 driver_data value, but platdata cannot be provided until later.
621
622 For each device that is discovered, U-Boot then calls device_bind() to create a
623 new device, initializes various core fields of the device object such as name,
624 uclass & driver, initializes any optional fields of the device object that are
625 applicable such as of_offset, driver_data & platdata, and finally calls the
626 driver's bind() method if one is defined.
627
628 At this point all the devices are known, and bound to their drivers. There
629 is a 'struct udevice' allocated for all devices. However, nothing has been
630 activated (except for the root device). Each bound device that was created
631 from a U_BOOT_DEVICE() declaration will hold the platdata pointer specified
632 in that declaration. For a bound device created from the device tree,
633 platdata will be NULL, but of_offset will be the offset of the device tree
634 node that caused the device to be created. The uclass is set correctly for
635 the device.
636
637 The device's bind() method is permitted to perform simple actions, but
638 should not scan the device tree node, not initialise hardware, nor set up
639 structures or allocate memory. All of these tasks should be left for
640 the probe() method.
641
642 Note that compared to Linux, U-Boot's driver model has a separate step of
643 probe/remove which is independent of bind/unbind. This is partly because in
644 U-Boot it may be expensive to probe devices and we don't want to do it until
645 they are needed, or perhaps until after relocation.
646
647 2. Activation/probe
648
649 When a device needs to be used, U-Boot activates it, by following these
650 steps (see device_probe()):
651
652    a. If priv_auto_alloc_size is non-zero, then the device-private space
653    is allocated for the device and zeroed. It will be accessible as
654    dev->priv. The driver can put anything it likes in there, but should use
655    it for run-time information, not platform data (which should be static
656    and known before the device is probed).
657
658    b. If platdata_auto_alloc_size is non-zero, then the platform data space
659    is allocated. This is only useful for device tree operation, since
660    otherwise you would have to specific the platform data in the
661    U_BOOT_DEVICE() declaration. The space is allocated for the device and
662    zeroed. It will be accessible as dev->platdata.
663
664    c. If the device's uclass specifies a non-zero per_device_auto_alloc_size,
665    then this space is allocated and zeroed also. It is allocated for and
666    stored in the device, but it is uclass data. owned by the uclass driver.
667    It is possible for the device to access it.
668
669    d. If the device's immediate parent specifies a per_child_auto_alloc_size
670    then this space is allocated. This is intended for use by the parent
671    device to keep track of things related to the child. For example a USB
672    flash stick attached to a USB host controller would likely use this
673    space. The controller can hold information about the USB state of each
674    of its children.
675
676    e. All parent devices are probed. It is not possible to activate a device
677    unless its predecessors (all the way up to the root device) are activated.
678    This means (for example) that an I2C driver will require that its bus
679    be activated.
680
681    f. The device's sequence number is assigned, either the requested one
682    (assuming no conflicts) or the next available one if there is a conflict
683    or nothing particular is requested.
684
685    g. If the driver provides an ofdata_to_platdata() method, then this is
686    called to convert the device tree data into platform data. This should
687    do various calls like fdtdec_get_int(gd->fdt_blob, dev_of_offset(dev), ...)
688    to access the node and store the resulting information into dev->platdata.
689    After this point, the device works the same way whether it was bound
690    using a device tree node or U_BOOT_DEVICE() structure. In either case,
691    the platform data is now stored in the platdata structure. Typically you
692    will use the platdata_auto_alloc_size feature to specify the size of the
693    platform data structure, and U-Boot will automatically allocate and zero
694    it for you before entry to ofdata_to_platdata(). But if not, you can
695    allocate it yourself in ofdata_to_platdata(). Note that it is preferable
696    to do all the device tree decoding in ofdata_to_platdata() rather than
697    in probe(). (Apart from the ugliness of mixing configuration and run-time
698    data, one day it is possible that U-Boot will cache platformat data for
699    devices which are regularly de/activated).
700
701    h. The device's probe() method is called. This should do anything that
702    is required by the device to get it going. This could include checking
703    that the hardware is actually present, setting up clocks for the
704    hardware and setting up hardware registers to initial values. The code
705    in probe() can access:
706
707       - platform data in dev->platdata (for configuration)
708       - private data in dev->priv (for run-time state)
709       - uclass data in dev->uclass_priv (for things the uclass stores
710         about this device)
711
712    Note: If you don't use priv_auto_alloc_size then you will need to
713    allocate the priv space here yourself. The same applies also to
714    platdata_auto_alloc_size. Remember to free them in the remove() method.
715
716    i. The device is marked 'activated'
717
718    j. The uclass's post_probe() method is called, if one exists. This may
719    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
720    activated and 'known' by the uclass.
721
722 3. Running stage
723
724 The device is now activated and can be used. From now until it is removed
725 all of the above structures are accessible. The device appears in the
726 uclass's list of devices (so if the device is in UCLASS_GPIO it will appear
727 as a device in the GPIO uclass). This is the 'running' state of the device.
728
729 4. Removal stage
730
731 When the device is no-longer required, you can call device_remove() to
732 remove it. This performs the probe steps in reverse:
733
734    a. The uclass's pre_remove() method is called, if one exists. This may
735    cause the uclass to do some housekeeping to record the device as
736    deactivated and no-longer 'known' by the uclass.
737
738    b. All the device's children are removed. It is not permitted to have
739    an active child device with a non-active parent. This means that
740    device_remove() is called for all the children recursively at this point.
741
742    c. The device's remove() method is called. At this stage nothing has been
743    deallocated so platform data, private data and the uclass data will all
744    still be present. This is where the hardware can be shut down. It is
745    intended that the device be completely inactive at this point, For U-Boot
746    to be sure that no hardware is running, it should be enough to remove
747    all devices.
748
749    d. The device memory is freed (platform data, private data, uclass data,
750    parent data).
751
752    Note: Because the platform data for a U_BOOT_DEVICE() is defined with a
753    static pointer, it is not de-allocated during the remove() method. For
754    a device instantiated using the device tree data, the platform data will
755    be dynamically allocated, and thus needs to be deallocated during the
756    remove() method, either:
757
758       1. if the platdata_auto_alloc_size is non-zero, the deallocation
759       happens automatically within the driver model core; or
760
761       2. when platdata_auto_alloc_size is 0, both the allocation (in probe()
762       or preferably ofdata_to_platdata()) and the deallocation in remove()
763       are the responsibility of the driver author.
764
765    e. The device sequence number is set to -1, meaning that it no longer
766    has an allocated sequence. If the device is later reactivated and that
767    sequence number is still free, it may well receive the name sequence
768    number again. But from this point, the sequence number previously used
769    by this device will no longer exist (think of SPI bus 2 being removed
770    and bus 2 is no longer available for use).
771
772    f. The device is marked inactive. Note that it is still bound, so the
773    device structure itself is not freed at this point. Should the device be
774    activated again, then the cycle starts again at step 2 above.
775
776 5. Unbind stage
777
778 The device is unbound. This is the step that actually destroys the device.
779 If a parent has children these will be destroyed first. After this point
780 the device does not exist and its memory has be deallocated.
781
782
783 Data Structures
784 ---------------
785
786 Driver model uses a doubly-linked list as the basic data structure. Some
787 nodes have several lists running through them. Creating a more efficient
788 data structure might be worthwhile in some rare cases, once we understand
789 what the bottlenecks are.
790
791
792 Changes since v1
793 ----------------
794
795 For the record, this implementation uses a very similar approach to the
796 original patches, but makes at least the following changes:
797
798 - Tried to aggressively remove boilerplate, so that for most drivers there
799 is little or no 'driver model' code to write.
800 - Moved some data from code into data structure - e.g. store a pointer to
801 the driver operations structure in the driver, rather than passing it
802 to the driver bind function.
803 - Rename some structures to make them more similar to Linux (struct udevice
804 instead of struct instance, struct platdata, etc.)
805 - Change the name 'core' to 'uclass', meaning U-Boot class. It seems that
806 this concept relates to a class of drivers (or a subsystem). We shouldn't
807 use 'class' since it is a C++ reserved word, so U-Boot class (uclass) seems
808 better than 'core'.
809 - Remove 'struct driver_instance' and just use a single 'struct udevice'.
810 This removes a level of indirection that doesn't seem necessary.
811 - Built in device tree support, to avoid the need for platdata
812 - Removed the concept of driver relocation, and just make it possible for
813 the new driver (created after relocation) to access the old driver data.
814 I feel that relocation is a very special case and will only apply to a few
815 drivers, many of which can/will just re-init anyway. So the overhead of
816 dealing with this might not be worth it.
817 - Implemented a GPIO system, trying to keep it simple
818
819
820 Pre-Relocation Support
821 ----------------------
822
823 For pre-relocation we simply call the driver model init function. Only
824 drivers marked with DM_FLAG_PRE_RELOC or the device tree
825 'u-boot,dm-pre-reloc' flag are initialised prior to relocation. This helps
826 to reduce the driver model overhead.
827
828 It is possible to limit this to specific relocation steps, by using
829 the more specialized 'u-boot,dm-spl' and 'u-boot,dm-tpl' flags
830 in the devicetree.
831
832 Then post relocation we throw that away and re-init driver model again.
833 For drivers which require some sort of continuity between pre- and
834 post-relocation devices, we can provide access to the pre-relocation
835 device pointers, but this is not currently implemented (the root device
836 pointer is saved but not made available through the driver model API).
837
838
839 SPL Support
840 -----------
841
842 Driver model can operate in SPL. Its efficient implementation and small code
843 size provide for a small overhead which is acceptable for all but the most
844 constrained systems.
845
846 To enable driver model in SPL, define CONFIG_SPL_DM. You might want to
847 consider the following option also. See the main README for more details.
848
849    - CONFIG_SYS_MALLOC_SIMPLE
850    - CONFIG_DM_WARN
851    - CONFIG_DM_DEVICE_REMOVE
852    - CONFIG_DM_STDIO
853
854
855 Enabling Driver Model
856 ---------------------
857
858 Driver model is being brought into U-Boot gradually. As each subsystems gets
859 support, a uclass is created and a CONFIG to enable use of driver model for
860 that subsystem.
861
862 For example CONFIG_DM_SERIAL enables driver model for serial. With that
863 defined, the old serial support is not enabled, and your serial driver must
864 conform to driver model. With that undefined, the old serial support is
865 enabled and driver model is not available for serial. This means that when
866 you convert a driver, you must either convert all its boards, or provide for
867 the driver to be compiled both with and without driver model (generally this
868 is not very hard).
869
870 See the main README for full details of the available driver model CONFIG
871 options.
872
873
874 Things to punt for later
875 ------------------------
876
877 Uclasses are statically numbered at compile time. It would be possible to
878 change this to dynamic numbering, but then we would require some sort of
879 lookup service, perhaps searching by name. This is slightly less efficient
880 so has been left out for now. One small advantage of dynamic numbering might
881 be fewer merge conflicts in uclass-id.h.
882
883
884 Simon Glass
885 sjg@chromium.org
886 April 2013
887 Updated 7-May-13
888 Updated 14-Jun-13
889 Updated 18-Oct-13
890 Updated 5-Nov-13