U-Boot Driver Model领域模型设计

需求分析

在2014年以前，uboot没有一种类似于linux kernel的设备驱动模型，随着uboot支持的设备越来越多，其一直受到如下问题困扰：

• 设备初始化流程都独立实现，而且为了集成到系统，需要修改核心公共代码（如init_sequence）
• 很多子系统只允许一个驱动，比如无法同时支持USB2.0和USB3.0
• 子系统间的交互实现各异，开发难度大
• 没有个统一的设备视图（如linux的/sys）

uboot driver model（U-Boot驱动模型，以下简写dm）的提出就是为了解决这些问题，它的设计目标包括：

• 提供统一设备驱动框架，降低设备驱动的开发复杂度
• 提供设备树视图
• 支持设备组
• 支持设备lazy init
• 支持设备驱动沙盒测试
• 较小的系统开销(内存和CPU)

对象设计

对象的设计之所以区分静态形式和运行态形式，考量的出发点是设计模块化。
静态表达形式的对象是离散的，和系统和其他对象隔离开，减小对象的复杂度，利于模块化设计，遵循人类表达习惯。
运行态形式的对象是把所有对象组合成层次视图，有着清晰的数据关联视图。方便系统运行时数据的流动。

静态表达形式

device: FDT(设备树文本描述) 或者 静态数据结构U_BOOT_DEVICE(以数据段形式组织)
driver: 静态数据结构U_BOOT_DRIVER(以数据段形式组织)

运行态形式

udevice: 设备对象(以链表形式组织)
driver: 驱动对象。作为udevice的一个属性
uclass：设备组公共属性对象(以链表形式组织),外部顶层对象，作为udevice的一个属性
uclass_driver: 设备组公共行为对象，作为uclass的一个属性

领域建模

uboot设备模型中udevice为核心对象，以树型模型组织（如下），其为dm的顶层结构。

单个udevice建模如下，详细对象定义参见《附：核心数据结构》小节。

所有对象可以按udevice或者uclass进行遍历。

DM初始化流程

DM初始化流程包括：

• 模型初始化
• 静态对象初始化
• 运行态对象初始化
• 设备组公共初始化
• 设备初始化

DM初始化的总入口接口：dm_init_and_scan()，其主要由以下三块组成：

dm_init()：创建udevice和uclass空链表，创建根设备（root device）

dm_scan_platdata()：扫描U_BOOT_DEVICE定义的设备，创建对应的udevice和uclass对象，查找并绑定相应driver，并调用probe流程。

dm_scan_fdt()：扫描由FDT设备树文件定义的设备，创建对应的udevice和uclass对象，查找并绑定相应driver，并调用probe流程。

附：核心数据结构

U_BOOT_DRIVER(demo_shape_drv) = {
    .name    = "demo_shape_drv",
    .of_match = demo_shape_id,
    .id    = UCLASS_DEMO,
    .ofdata_to_platdata = shape_ofdata_to_platdata,
    .ops    = &shape_ops,
    .probe = dm_shape_probe,
    .remove = dm_shape_remove,
    .priv_auto_alloc_size = sizeof(struct shape_data),
    .platdata_auto_alloc_size = sizeof(struct dm_demo_pdata),
};

#define U_BOOT_DRIVER(__name)                        
    ll_entry_declare(struct driver, __name, driver)
    
#define ll_entry_declare(_type, _name, _list)                
    _type _u_boot_list_2_##_list##_2_##_name __aligned(4)        
            __attribute__((unused,                
            section(".u_boot_list_2_"#_list"_2_"#_name)))

struct driver {
    char *name;
    enum uclass_id id;
    const struct udevice_id *of_match;
    int (*bind)(struct udevice *dev);
    int (*probe)(struct udevice *dev);
    int (*remove)(struct udevice *dev);
    int (*unbind)(struct udevice *dev);
    int (*ofdata_to_platdata)(struct udevice *dev);
    int (*child_post_bind)(struct udevice *dev);
    int (*child_pre_probe)(struct udevice *dev);
    int (*child_post_remove)(struct udevice *dev);
    int priv_auto_alloc_size;
    int platdata_auto_alloc_size;
    int per_child_auto_alloc_size;
    int per_child_platdata_auto_alloc_size;
    const void *ops;    /* driver-specific operations */
    uint32_t flags;
};

U_BOOT_DEVICE(demo0) = {
    .name = "demo_shape_drv",
    .platdata = &red_square,
};

#define U_BOOT_DEVICE(__name)                        
    ll_entry_declare(struct driver_info, __name, driver_info)   
     
struct driver_info {
    const char *name;
    const void *platdata;
#if CONFIG_IS_ENABLED(OF_PLATDATA)
    uint platdata_size;
#endif
};

struct uclass {
    void *priv;
    struct uclass_driver *uc_drv;
    struct list_head dev_head;
    struct list_head sibling_node;
};
    
UCLASS_DRIVER(demo) = {
    .name        = "demo",
    .id        = UCLASS_DEMO,
};

#define UCLASS_DRIVER(__name)                        
    ll_entry_declare(struct uclass_driver, __name, uclass)

struct uclass_driver {
    const char *name;
    enum uclass_id id;
    int (*post_bind)(struct udevice *dev);
    int (*pre_unbind)(struct udevice *dev);
    int (*pre_probe)(struct udevice *dev);
    int (*post_probe)(struct udevice *dev);
    int (*pre_remove)(struct udevice *dev);
    int (*child_post_bind)(struct udevice *dev);
    int (*child_pre_probe)(struct udevice *dev);
    int (*init)(struct uclass *class);
    int (*destroy)(struct uclass *class);
    int priv_auto_alloc_size;
    int per_device_auto_alloc_size;
    int per_device_platdata_auto_alloc_size;
    int per_child_auto_alloc_size;
    int per_child_platdata_auto_alloc_size;
    const void *ops;
    uint32_t flags;
};

struct udevice {
    const struct driver *driver;
    const char *name;
    void *platdata;
    void *parent_platdata;
    void *uclass_platdata;
    int of_offset;
    ulong driver_data;
    struct udevice *parent;
    void *priv;
    struct uclass *uclass;
    void *uclass_priv;
    void *parent_priv;
    struct list_head uclass_node;
    struct list_head child_head;
    struct list_head sibling_node;
    uint32_t flags;
    int req_seq;
    int seq;
#ifdef CONFIG_DEVRES
    struct list_head devres_head;
#endif
};    

--EOF--