【转】uboot中DM驱动模型理解

模型理解"/>

【转】uboot中DM驱动模型理解

title: uboot中DM驱动模型理解
date: 2022-03-01 18:46:46
categories:
tags:    
- 驱动
- uboot

1、uboot驱动模型（DM）

Uboot引入驱动模型（driver model），这种驱动模型为驱动的定义和访问接口提供了统一的方法，提高了驱动之间的兼容性以及访问的标准型，Uboot驱动模型和linux kernel的设备驱动模型相类似，但是又有所区别。

要打开DM模型，最后反映在几个配置信息上：

• CONFIG_DM=y，全局DM模型打开
• CONFIG_DM_XXX=y，某个驱动的DM模型的打开
• 可以通过Kconifg、Makefile来查看对应宏的编译情况

2、DM模型重点数据结构

2.1 global_data

typedef struct global_data {
...
#ifdef CONFIG_DMstruct udevice    *dm_root;    /* Root instance for Driver Model */struct udevice    *dm_root_f;    /* Pre-relocation root instance */struct list_head uclass_root;    /* Head of core tree */
#endif
...
}

global_data，管理着整个Uboot的全局变量，其中dm_root，dm_root_f，uclass_root用来管理整个DM模型。这几个变量含义如下：

dm_root：DM模型的根设备
dm_root_f：重定向前的根设备
uclass_root：uclass链表的头
这几个变量，最终要的作用就是：管理整个模型中的udevice设备信息和uclass驱动类。

2.2 uclass

struct uclass {void *priv;                                //uclass的私有数据struct uclass_driver *uc_drv;            //uclass类的操作函数集合struct list_head dev_head;                //该uclass的所有设备struct list_head sibling_node;            //下一个uclass的节点
};

其中，uclass相当于队长，管理着对应某一个类别下的所有的udevice，并且有对应的uclass_driver驱动。

uclass是uboot自动生成的，并且不是所有uclass都会生成，有对应uclass_driver并且有被udevice匹配到的uclass才会生成。

所有生成的uclass都会被挂载gd->uclass_root链表上。

直接遍历链表gd->uclass_root链表并且根据uclass_id来获取到相应的uclass。

int uclass_get(enum uclass_id key, struct uclass **ucp);
// 从gd->uclass_root链表获取对应的uclass

2.3 uclass_driver

正如上面，我们看到了uclass类所包含uclass_driver结构体，uclass_driver正如其名，它就是uclass的驱动程序。其主要作用是：为uclass提供统一管理的接口，结构体如下：

/*** struct uclass_driver - Driver for the uclass** A uclass_driver provides a consistent interface to a set of related* drivers.*/
struct uclass_driver {const char *name; // 该uclass_driver的命令enum uclass_id id; // 对应的uclass id
/* 以下函数指针主要是调用时机的区别 */int (*post_bind)(struct udevice *dev); // 在udevice被绑定到该uclass之后调用int (*pre_unbind)(struct udevice *dev); // 在udevice被解绑出该uclass之前调用int (*pre_probe)(struct udevice *dev); // 在该uclass的一个udevice进行probe之前调用int (*post_probe)(struct udevice *dev); // 在该uclass的一个udevice进行probe之后调用int (*pre_remove)(struct udevice *dev);// 在该uclass的一个udevice进行remove之前调用int (*child_post_bind)(struct udevice *dev); // 在该uclass的一个udevice的一个子设备被绑定到该udevice之后调用int (*child_pre_probe)(struct udevice *dev); // 在该uclass的一个udevice的一个子设备进行probe之前调用int (*init)(struct uclass *class); // 安装该uclass的时候调用int (*destroy)(struct uclass *class); // 销毁该uclass的时候调用int priv_auto_alloc_size; // 需要为对应的uclass分配多少私有数据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; //操作集合uint32_t flags;   // 标识为
};

uclass_driver主要通过UCLASS_DRIVER来定义，以mailbox为例：

/* Declare a new uclass_driver */
#define UCLASS_DRIVER(__name)                        \ll_entry_declare(struct uclass_driver, __name, uclass)#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)))

通过上面的定义，替换掉宏之后，最终得到的定义如下：

struct uclass_driver _u_boot_list_2_uclass_2_mbox_test = {.name = "mbox_test",.id = UCLASS_MISC,.of_match = win2030_umbox_test_ids,.priv_auto_alloc_size = sizeof(struct win2030_umbox_test),}
//同时存放在段._u_boot_list_2_uclass_2_mbox_test中，也就是section段的内容

由上面结构体可得，其定义之后都被存放在了段._u_boot_list_2_uclass_2_umbox_test中，那么去哪里可以看到呢？

在u-boot.map文件中搜索，._u_boot_list_2_uclass_2_umbox_test，就可以查到程序中定义的所有驱动程序。

为什么是uclass_2呢？我们大概看一下，也会看到uclass_1和uclass_3，这两个代表什么呢？

想要获取uclass_driver需要先获取uclass_driver table。

struct uclass_driver *uclass =ll_entry_start(struct uclass_driver, uclass); 
// 会根据.u_boot_list_2_uclass_1的段地址来得到uclass_driver table的地址const int n_ents = ll_entry_count(struct uclass_driver, uclass);
// 获得uclass_driver table的长度struct uclass_driver *lists_uclass_lookup(enum uclass_id id)
// 从uclass_driver table中获取uclass id为id的uclass_driver。

上文中提到的uclass_1和uclass_3起到定位作用，用于计算uclass_2的长度！

上述的API，主要用于根据uclass_id来查找到对应的uclass_driver，进而操作对应的uclass下的udevice。

2.4 uclass_id

uclass代表驱动的一个类别，uclass_driver是uclass的驱动程序，为uclass提供统一操作接口。而对于不同类型的驱动，就需要uclass_id来区分了！

事实上，每一种类型的设备``uclass都有唯一对应的uclass_id，贯穿设备模型，也是udevice与uclass`相关联的关键之处。

enum uclass_id {/* These are used internally by driver model */UCLASS_ROOT = 0,UCLASS_DEMO,UCLASS_TEST,UCLASS_TEST_FDT,UCLASS_TEST_BUS,UCLASS_TEST_PROBE,
....../* U-Boot uclasses start here - in alphabetical order */UCLASS_ACPI_PMC,    /* (x86) Power-management controller (PMC) */UCLASS_ADC,        /* Analog-to-digital converter */UCLASS_AHCI,        /* SATA disk controller */UCLASS_AUDIO_CODEC,    /* Audio codec with control and data path */UCLASS_AXI,        /* AXI bus */UCLASS_BLK,        /* Block device */UCLASS_BOARD,        /* Device information from hardware */
......
};

这个uclass_id在一个uclass-id.h文件中，描述了各种所支持的设备id

2.5 udevice

/*** struct udevice - An instance of a driver** This holds information about a device, which is a driver bound to a* particular port or peripheral (essentially a driver instance).**/
struct udevice {const struct driver *driver;        //device 对应的driverconst char *name;                    //device 的名称void *platdata;void *parent_platdata;void *uclass_platdata;ofnode node;                        //设备树节点ulong driver_data;struct udevice *parent;                //父设备void *priv;                            // 私有数据的指针struct uclass *uclass;                //驱动所属的uclassvoid *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_DEVRESstruct list_head devres_head;
#endif
};

udevice是最基础的一个设备单元，我们把它作为一个独立的个体，上层所有的操作，最终都与该结构体有关。
我们创建一个设备后，为了服从统一的管理，该结构体会被连接到DM模型下，并入到机制中。那么udevice会被连接到哪里呢？

将udevice连接到对应的uclass中，uclass主要用来管理着同一类的驱动.
除此之外，有父子关系的udevice，还会连接到udevice->child_head链表下，方便调用.

相关API:

这些相关的API，主要作用就是根据uclass_id，查找对应的uclass，然后根据索引值或者名称，来查找到对应的udevice

#define uclass_foreach_dev(pos, uc) \list_for_each_entry(pos, &uc->dev_head, uclass_node)#define uclass_foreach_dev_safe(pos, next, uc)  \list_for_each_entry_safe(pos, next, &uc->dev_head, uclass_node)int uclass_get_device(enum uclass_id id, int index, struct udevice **devp); // 通过索引从uclass中获取udevice
int uclass_get_device_by_name(enum uclass_id id, const char *name, // 通过设备名从uclass中获取udevicestruct udevice **devp);
int uclass_get_device_by_seq(enum uclass_id id, int seq, struct udevice **devp);
int uclass_get_device_by_of_offset(enum uclass_id id, int node,struct udevice **devp);
int uclass_get_device_by_phandle(enum uclass_id id, struct udevice *parent,const char *name, struct udevice **devp);
int uclass_first_device(enum uclass_id id, struct udevice **devp);
int uclass_first_device_err(enum uclass_id id, struct udevice **devp);
int uclass_next_device(struct udevice **devp);
int uclass_resolve_seq(struct udevice *dev);

2.6 driver

struct driver {char *name;                            //驱动名称enum uclass_id id;                    //驱动所对应的uclass_id    const struct udevice_id *of_match;    //匹配函数int (*bind)(struct udevice *dev);    //绑定函数int (*probe)(struct udevice *dev);    //注册函数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;
#if CONFIG_IS_ENABLED(ACPIGEN)struct acpi_ops *acpi_ops;
#endif
};

driver对象，主要通过U_BOOT_DRIVER来定义,以mailbox来举例：

/* Declare a new U-Boot driver */
#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)))

通过上面的定义，最终我们定义的结构体如下：

struct uclass_driver _u_boot_list_2_uclass_2_mbox_test = {.name = "mbox_test",.id = UCLASS_MISC,.of_match = win2030_umbox_test_ids,.priv_auto_alloc_size = sizeof(struct win2030_umbox_test),}
//同时存放在段._u_boot_list_2_uclass_2_mbox_test中，也就是section段的内容

由上面结构体可得，其定义之后都被存放在了段._u_boot_list_2_driver_2_xxx中，那么去哪里可以看到呢？

相关API:

/*先获取driver table 表*/
struct driver *drv =ll_entry_start(struct driver, driver);        // 会根据.u_boot_list_2_driver_1的段地址来得到uclass_driver table的地址const int n_ents = ll_entry_count(struct driver, driver);        // 通过.u_boot_list_2_driver_3的段地址 减去 .u_boot_list_2_driver_1的段地址 获得driver table的长度/*遍历所有的driver*/
struct driver *lists_driver_lookup_name(const char *name)    // 从driver table中获取名字为name的driver。

3、DM驱动模型之上帝视角

如何实现driver和udevice的绑定、uclass、uclass_driver的绑定呢？

从对象设计的角度来看，Uboot的驱动模型可以分为静态形式和动态形式。

• 静态模式：对象是离散的，和其他对象分隔开，减小对象复杂度，利于模块化设计。
• **动态模式：*运行态表达形式的对象是*把所有的静态对象组合成层次视图，有清晰的数据关联视图

在静态模式下，驱动模型主要将对象分为udevice和driver，即设备和驱动程序，两个就像火车的两条轨道，永远也不会产生交集，驱动和设备可以想注册多少就注册多少。

udevice是driver的一个实例，两个不相交的铁轨，那么如何让其产生交集呢？这就是动态模式需要做的工作了！

**在动态模式下，**引入了uclass和uclass_driver两个数据结构，实现了对udevice和driver的管理。

看一下uclass和uclass_driver两个结构体的说明：

• uclass：设备组公共属性对象，作为udevice的一个属性，主要用来管理某个驱动类的所有的设备。
• uclass_driver：设备组公共行为对象，uclass的驱动程序，主要将uclass管理的设备和驱动实现绑定、注册，移除等操作。

通过这两个结构体的引入，可以将毫不相关的udevice是driver关联起来！

udevice与driver的绑定：通过驱动的of_match和compatible属性来配对，绑定。

udevice与uclass的绑定：udevice内的driver下的uclass_id，来与uclass对应的uclass_driver的uclass_id进行匹配。

uclass与uclass_driver的绑定：已知udevice内的driver下的uclass_id，创建uclass的同时，通过``uclass_id找到对应的uclass_driver对象，然后将uclass_driver绑定到uclass`上！

4、DM模型-udevice与driver绑定

DM的初始化分为两个部分，一个是在relocate重定向之前的初始化：initf_dm，一个是在relocate重定向之后的初始化：initr_dm。

下面是两个函数的对比：

static int initf_dm(void)
{
#if defined(CONFIG_DM) && CONFIG_VAL(SYS_MALLOC_F_LEN)int ret;bootstage_start(BOOTSTAGE_ID_ACCUM_DM_F, "dm_f");ret = dm_init_and_scan(true);                    //这里为truebootstage_accum(BOOTSTAGE_ID_ACCUM_DM_F);if (ret)return ret;
#endif
#ifdef CONFIG_TIMER_EARLYret = dm_timer_init();if (ret)return ret;
#endifreturn 0;
}static int initr_dm(void)
{int ret;/* Save the pre-reloc driver model and start a new one */gd->dm_root_f = gd->dm_root;gd->dm_root = NULL;
#ifdef CONFIG_TIMERgd->timer = NULL;
#endifbootstage_start(BOOTSTAGE_ID_ACCUM_DM_R, "dm_r");ret = dm_init_and_scan(false);                        //这里为falsebootstage_accum(BOOTSTAGE_ID_ACCUM_DM_R);if (ret)return ret;return 0;
}

两个均调用了dm_init_and_scan这个接口，这两个的关键区别在于参数的不同。

首先说明一下dts节点中的“u-boot,dm-pre-reloc”属性，当设置了这个属性时，则表示这个设备在relocate之前就需要使用。
当dm_init_and_scan的参数为true时，只会对带有“u-boot,dm-pre-reloc”属性的节点进行解析。而当参数为false的时候，则会对所有节点都进行解析。

4.1 dm_init

int dm_init(bool of_live)
{int ret;if (gd->dm_root) {dm_warn("Virtual root driver already exists!\n");return -EINVAL;}INIT_LIST_HEAD(&DM_UCLASS_ROOT_NON_CONST);#if defined(CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC)fix_drivers();fix_uclass();fix_devices();
#endifret = device_bind_by_name(NULL, false, &root_info, &DM_ROOT_NON_CONST);        //查找root_driver驱动，并绑定if (ret)return ret;
#if CONFIG_IS_ENABLED(OF_CONTROL)
# if CONFIG_IS_ENABLED(OF_LIVE)if (of_live)DM_ROOT_NON_CONST->node = np_to_ofnode(gd->of_root);else
#endifDM_ROOT_NON_CONST->node = offset_to_ofnode(0);
#endifret = device_probe(DM_ROOT_NON_CONST);                                        //probe激活root_driver驱动if (ret)return ret;return 0;
}

dm_init这个函数，名字起的容易让人误导，这个函数主要做的就是初始化了根设备root_driver，根据这个跟设备，初始化了global_data中的dm_root、uclass_root。

4.2 list_bind_fdt

这个函数主要用来查找子设备，并且根据查找到的子设备，进而查找对应驱动进行绑定！即：实现了driver和device的绑定。

int lists_bind_fdt(struct udevice *parent, ofnode node, struct udevice **devp,bool pre_reloc_only)
{struct driver *driver = ll_entry_start(struct driver, driver);                //获得驱动列表的起始地址const int n_ents = ll_entry_count(struct driver, driver);                    //获得驱动列表的总数量const struct udevice_id *id;struct driver *entry;struct udevice *dev;bool found = false;const char *name, *compat_list, *compat;int compat_length, i;int result = 0;int ret = 0;if (devp)*devp = NULL;name = ofnode_get_name(node);log_debug("bind node %s\n", name);compat_list = ofnode_get_property(node, "compatible", &compat_length);        //得到compatible属性，用于匹配driver驱动if (!compat_list) {if (compat_length == -FDT_ERR_NOTFOUND) {log_debug("Device '%s' has no compatible string\n",name);return 0;}dm_warn("Device tree error at node '%s'\n", name);return compat_length;}/** Walk through the compatible string list, attempting to match each* compatible string in order such that we match in order of priority* from the first string to the last.*/for (i = 0; i < compat_length; i += strlen(compat) + 1) {compat = compat_list + i;log_debug("   - attempt to match compatible string '%s'\n",compat);for (entry = driver; entry != driver + n_ents; entry++) {                //循环判断所有驱动是否匹配    ret = driver_check_compatible(entry->of_match, &id,compat);if (!ret)break;}if (entry == driver + n_ents)continue;if (pre_reloc_only) {if (!ofnode_pre_reloc(node) &&!(entry->flags & DM_FLAG_PRE_RELOC)) {log_debug("Skipping device pre-relocation\n");return 0;}}log_debug("   - found match at '%s': '%s' matches '%s'\n",entry->name, entry->of_match->compatible,id->compatible);ret = device_bind_with_driver_data(parent, entry, name,id->data, node, &dev);                                //该函数，用于创建udevice对象，并与查找到的driver绑定if (ret == -ENODEV) {log_debug("Driver '%s' refuses to bind\n", entry->name);continue;}if (ret) {dm_warn("Error binding driver '%s': %d\n", entry->name,ret);return ret;} else {found = true;if (devp)*devp = dev;}break;}if (!found && !result && ret != -ENODEV)log_debug("No match for node '%s'\n", name);return result;
}

ists_bind_fdt这个函数，主要用来扫描设备树中的各个节点；

根据扫描到的udevice设备信息，通过compatible来匹配compatible相同的driver，匹配成功后，就会创建对应的struct udevice结构体，它会同时指向设备资源和driver，这样设备资源和driver就绑定在一起了。

5、DM模型—probe探测函数的执行

上述，完成了DM模型的初始化，但是我们只是建立了driver和udevice的绑定关系，那么何时调用到我们驱动中的probe探测函数呢？uclass与driver又何时匹配的呢？

dm_init只是负责初始化并绑定了udevice和driver，那么probe探测函数是在该驱动初始化的时候执行。

以mmc驱动为例！其初始化流程如下：

在MMC驱动初始化后，有没有注意到mmc_probe这个函数，该函数就是间接调用了我们驱动编写的probe函数。

执行流程在上面已经很清楚了：根据uclass_id，调用``uclass_get_device_by_seq来得到udevice，进而调用device_probe来找到对应驱动的probe`。

主要工作归纳如下：

• 根据udevice获取driver
• 然后判断是否父设备被probe
• 对父设备进行probe
• 调用driver的probe函数

6、DM模型——uclass与uclass_driver绑定

上述完成了driver的probe函数调用，基本底层都已经准备好了，uclass何时与uclass_driver绑定，给上层提供统一的API呢？

uclass与uclass_driver绑定，也是在驱动probe之后，确保该驱动存在，设备存在，最后为该驱动绑定uclass与uclass_driver，为上层提供统一接口。

上文的驱动流程图中mmc_do_preinit这个里面调用了ret = uclass_get(UCLASS_MMC, &uc);，该函数才是真正的将uclass与uclass_driver绑定。

int uclass_get(enum uclass_id id, struct uclass **ucp)
{struct uclass *uc;*ucp = NULL;uc = uclass_find(id);if (!uc)return uclass_add(id, ucp);*ucp = uc;return 0;
}

uclass_get主要实现了：根据uclass_id查找对应的uclass是否被添加到global_data->uclass_root链表中，如果没有添加到，就调用uclass_add函数，实现uclass与uclass_driver的绑定，并将其添加到global_data->uclass_root链表中。

static int uclass_add(enum uclass_id id, struct uclass **ucp)
{struct uclass_driver *uc_drv;struct uclass *uc;int ret;*ucp = NULL;uc_drv = lists_uclass_lookup(id);                    //根据uclass_id查找到对应的driverif (!uc_drv) {debug("Cannot find uclass for id %d: please add the UCLASS_DRIVER() declaration for this UCLASS_... id\n",id);/** Use a strange error to make this case easier to find. When* a uclass is not available it can prevent driver model from* starting up and this failure is otherwise hard to debug.*/return -EPFNOSUPPORT;}uc = calloc(1, sizeof(*uc));if (!uc)return -ENOMEM;if (uc_drv->priv_auto_alloc_size) {uc->priv = calloc(1, uc_drv->priv_auto_alloc_size);if (!uc->priv) {ret = -ENOMEM;goto fail_mem;}}uc->uc_drv = uc_drv;                                                //uclass与uclass_driver绑定INIT_LIST_HEAD(&uc->sibling_node);INIT_LIST_HEAD(&uc->dev_head);list_add(&uc->sibling_node, &DM_UCLASS_ROOT_NON_CONST);                //添加到global_data->uclass_root链表中if (uc_drv->init) {ret = uc_drv->init(uc);if (ret)goto fail;}*ucp = uc;return 0;
fail:if (uc_drv->priv_auto_alloc_size) {free(uc->priv);uc->priv = NULL;}list_del(&uc->sibling_node);
fail_mem:free(uc);return ret;
}