U-Boot 드라이버 구조와 포팅 방법

U-Boot 드라이버 구조와 포팅 방법

임베디드 시스템 개발에서 U-Boot는 단순한 부트로더를 넘어, 다양한 하드웨어 초기화와 디바이스 제어 기능을 제공하는 중요한 소프트웨어입니다. 특히 최근의 U-Boot는 "Driver Model(DM)"이라는 구조를 도입하여 리눅스에 가까운 드라이버 아키텍처를 제공하고 있습니다. 본 글에서는 U-Boot의 드라이버 모델 개념부터 실제 포팅 단계, 그리고 Rockchip RK3399 기반 UART/SPI 예제까지 상세히 다루어 보겠습니다.

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1. U-Boot Driver Model(DM) 개요

과거의 U-Boot 드라이버 구현 방식은 보드별로 분산되어 있었고, 공통화가 어렵고 유지보수가 힘들었습니다. 이를 개선하기 위해 Driver Model(DM)이 도입되었습니다.

● Driver Model의 핵심 개념

• Device: 실제 하드웨어 장치를 의미하며 노드 단위로 관리됨
• Driver: 장치를 제어하는 소프트웨어 코드
• uclass: 동일한 기능을 가진 드라이버들을 그룹화 (예: UART uclass, SPI uclass)
• Device Tree 기반 초기화: 대부분의 장치는 DT의 노드를 기준으로 생성 및 초기화됨
• Probe 함수 중심 구조: 장치 활성화는 probe 단계에서 이루어짐

● Driver Model의 장점

• 리눅스와 유사해 이해가 쉬움
• 코드 중복 제거 및 유지보수 용이
• 다수의 보드에서 공통 드라이버 재활용 가능
• Device Tree로 하드웨어 의존성을 최소화

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2. U_BOOT_DRIVER 매크로 분석

U-Boot에서 드라이버는 U_BOOT_DRIVER 매크로를 통해 등록됩니다.

예시는 다음과 같습니다:

U_BOOT_DRIVER(rk3399_uart) = {
    .name = "rk3399_uart",
    .id = UCLASS_SERIAL,
    .of_match = rk3399_uart_ids,
    .probe = rk3399_uart_probe,
    .ops = &rk3399_uart_ops,
    .priv_auto = sizeof(struct rk_uart_priv),
};

각 항목의 의미는 다음과 같습니다:

필드	의미
name	드라이버 이름
id	uclass ID (예: UCLASS_SERIAL, UCLASS_SPI)
of_match	Device Tree 호환 문자열
probe	장치 초기화 함수
ops	드라이버 기능 함수 테이블
priv_auto	private 데이터 구조 자동 할당

probe는 드라이버의 핵심이며, 이 함수에서 Clock, Reset, Register Mapping 등의 동작을 수행합니다.

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3. Device Tree 기반 장치 초기화 흐름

U-Boot의 DM은 대부분의 장치를 DT 기반으로 초기화합니다.

● 초기화 흐름

1. DTB 로딩
2. UCLASS 스캔 (serial, spi 등)
3. of_match를 기반으로 각 드라이버와 노드 매칭
4. 드라이버 probe 호출
5. 장치 활성화 완료

● RK3399 UART Device Tree 예시

uart0: serial@ff180000 {
    compatible = "rockchip,rk3399-uart";
    reg = <0x0 0xff180000 0x0 0x100>;
    clocks = <&cru SCLK_UART0>;
    clock-names = "baudclk";
    status = "okay";
};

U-Boot는 compatible 문자열을 기반으로 맞는 드라이버를 선택합니다.

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4. 간단한 UART 드라이버 포팅 실습 (RK3399)

RK3399의 UART 드라이버는 이미 U-Boot에 존재하지만, 이해를 돕기 위해 간단한 형태의 UART 드라이버를 직접 만드는 과정을 예제로 설명합니다.

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(1) 드라이버 소스 파일 생성

경로: drivers/serial/serial_rk3399_simple.c

#include <common.h>
#include <dm.h>
#include <serial.h>
#include <asm/io.h>

struct rk_uart_priv {
    void __iomem *base;
};

static int rk_uart_probe(struct udevice *dev)
{
    struct rk_uart_priv *priv = dev_get_priv(dev);
    fdt_addr_t addr = dev_read_addr(dev);

    if (addr == FDT_ADDR_T_NONE)
        return -EINVAL;

    priv->base = (void *)addr;
    return 0;
}

static int rk_uart_putc(struct udevice *dev, const char ch)
{
    struct rk_uart_priv *priv = dev_get_priv(dev);

    writel(ch, priv->base + 0x00); // TX register offset (예시)
    return 0;
}

static const struct dm_serial_ops rk_uart_ops = {
    .putc = rk_uart_putc,
};

static const struct udevice_id rk_uart_ids[] = {
    { .compatible = "rockchip,rk3399-simple-uart" },
    {}
};

U_BOOT_DRIVER(rk3399_simple_uart) = {
    .name = "rk3399_simple_uart",
    .id = UCLASS_SERIAL,
    .of_match = rk_uart_ids,
    .probe = rk_uart_probe,
    .ops = &rk_uart_ops,
    .priv_auto = sizeof(struct rk_uart_priv),
};

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(2) Device Tree에 노드 추가

arch/arm/dts/rk3399-u-boot.dtsi 파일에 다음 추가:

serial_simple: serial@ff190000 {
    compatible = "rockchip,rk3399-simple-uart";
    reg = <0x0 0xff190000 0x0 0x100>;
    status = "okay";
};

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(3) Kconfig 등록

drivers/serial/Kconfig 수정:

config SERIAL_RK3399_SIMPLE
    bool "RK3399 Simple UART support"
    depends on ARCH_ROCKCHIP
    default y

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(4) Makefile 등록

drivers/serial/Makefile 수정:

obj-$(CONFIG_SERIAL_RK3399_SIMPLE) += serial_rk3399_simple.o

이렇게 하면 기본적인 UART 장치가 U-Boot 부팅 시 자동으로 probe되고 출력 함수가 사용 가능하게 됩니다.

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5. drivers/ 하위 디렉토리 구성 설명

U-Boot의 drivers/ 디렉토리는 기능별 드라이버 모음입니다.

주요 디렉토리

• serial/: UART 드라이버
• spi/: SPI 컨트롤러 및 SPI flash 드라이버
• mmc/: eMMC/SD 카드 드라이버
• usb/: USB 호스트/디바이스
• net/: Ethernet 드라이버
• clk/: Clock framework
• gpio/: GPIO controller
• power/: PMIC, regulator

각 디렉토리는 uclass에 맞춰 구조화되어 있으며, 대부분 리눅스 드라이버 구조를 단순하게 축소한 형태입니다.

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6. 결론 요약

마지막으로 오늘 내용을 한 문장으로 정리하면 다음과 같습니다.

“U-Boot 드라이버는 리눅스의 축소판이다.”

U-Boot는 미니멀한 환경임에도 불구하고, 리눅스와 흡사한 Driver Model 기반 구조를 갖추고 있습니다. 이는 복잡한 보드를 지원하거나 다양한 주변장치 초기화가 필요한 개발에서 매우 강력한 장점이 됩니다.

본 글에서 다룬 UART 예제는 아주 단순화된 형태이지만, 실제 SPI, MMC, USB 등 모든 드라이버가 동일한 구조에 기반하고 있으므로 이를 이해한다면 U-Boot 기반의 다양한 장치 포팅을 훨씬 쉽게 진행할 수 있을 것입니다.