Linux设备树(Device Tree)机制

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

目录

1. 设备树（Device  Tree）基本概念及作用

2. 设备树的组成和使用

  2.1. DTS和DTSI

  2.2. DTC

  2.3. DTB

  2.4. Bootloader

3. 设备树中dts、dtsi文件的基本语法

  3.1. chosen node

  3.2. aliases node

  3.3. memory node

  3.4.  其他节点

      3.4.1. Reg属性

      3.4.2. Compatible属性

      3.4.3. Interrupts属性

      3.4.4. Ranges属性

4. DTB相关结构

  4.1. Header

  4.2. 字符串块

  4.3. memory reserve map

5. 解析DTB的函数及相关数据结构

  5.1. machine_desc结构

  5.2. 设备节点结构体

  5.3. 属性结构体

  5.4. uboot下的相关结构体

6. DTB加载及解析过程

7. OF的API接口

 

1. 设备树（Device  Tree）基本概念及作用

在内核源码中，存在大量对板级细节信息描述的代码。这些代码充斥在/arch/arm/plat-xxx和/arch/arm/mach-xxx目录，对内核而言这些platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各种硬件的platform_data绝大多数纯属垃圾冗余代码。为了解决这一问题，ARM内核版本3.x之后引入了原先在Power PC等其他体系架构已经使用的Flattened Device Tree。

“A data structure by which bootloaders pass hardware layout to Linux in a device-independent manner, simplifying hardware probing.”开源文档中对设备树的描述是，一种描述硬件资源的数据结构，它通过bootloader将硬件资源传给内核，使得内核和硬件资源描述相对独立(也就是说*.dtb文件由Bootloader读入内存，之后由内核来解析)。

Device Tree可以描述的信息包括CPU的数量和类别、内存基地址和大小、总线和桥、外设连接、中断控制器和中断使用情况、GPIO控制器和GPIO使用情况、Clock控制器和Clock使用情况。

另外，设备树对于可热插拔的热备不进行具体描述，它只描述用于控制该热插拔设备的控制器。

设备树的主要优势：对于同一SOC的不同主板，只需更换设备树文件.dtb即可实现不同主板的无差异支持，而无需更换内核文件。

注：要使得3.x之后的内核支持使用设备树，除了内核编译时需要打开相对应的选项外，bootloader也需要支持将设备树的数据结构传给内核。

2. 设备树的组成和使用

设备树包含DTC（device tree compiler），DTS（device tree source和DTB（device tree blob）。其对应关系如图1-1所示：

 

 

图1-1 DTS、DTC、DTB之间的关系

2.1. DTS和DTSI

*.dts文件是一种ASCII文本对Device Tree的描述，放置在内核的/arch/arm/boot/dts目录。一般而言，一个*.dts文件对应一个ARM的machine。

*.dtsi文件作用：由于一个SOC可能有多个不同的电路板，而每个电路板拥有一个 *.dts。这些dts势必会存在许多共同部分，为了减少代码的冗余，设备树将这些共同部分提炼保存在*.dtsi文件中，供不同的dts共同使用。*.dtsi的使用方法，类似于C语言的头文件，在dts文件中需要进行include *.dtsi文件。当然，dtsi本身也支持include 另一个dtsi文件。

2.2. DTC

DTC为编译工具，它可以将.dts文件编译成.dtb文件。DTC的源码位于内核的scripts/dtc目录，内核选中CONFIG_OF，编译内核的时候，主机可执行程序DTC就会被编译出来。 即scripts/dtc/Makefile中

hostprogs-y := dtc

always := $(hostprogs-y) 

在内核的arch/arm/boot/dts/Makefile中，若选中某种SOC，则与其对应相关的所有dtb文件都将编译出来。在linux下，make dtbs可单独编译dtb。以下截取了TEGRA平台的一部分。

ifeq ($(CONFIG_OF),y)

dtb-$(CONFIG_ARCH_TEGRA) += tegra20-harmony.dtb \

tegra30-beaver.dtb \

tegra114-dalmore.dtb \

tegra124-ardbeg.dtb 

2.3. DTB

DTC编译*.dts生成的二进制文件(*.dtb)，bootloader在引导内核时，会预先读取*.dtb到内存，进而由内核解析。

2.4. Bootloader

Bootloader需要将设备树在内存中的地址传给内核。在ARM中通过bootm或bootz命令来进行传递。bootm [kernel_addr] [initrd_address] [dtb_address]，其中kernel_addr为内核镜像的地址，initrd为initrd的地址，dtb_address为dtb所在的地址。若initrd_address为空，则用“-”来代替。

3. 设备树中dts、dtsi文件的基本语法

DTS的基本语法范例，如图3-1 所示。

它包括一系列节点，以及描述节点的属性。

“/”为root节点。在一个.dts文件中，有且仅有一个root节点；在root节点下有“node1”，“node2”子节点，称root为“node1”和“node2”的parent节点，除了root节点外，每个节点有且仅有一个parent；其中子节点node1下还存在子节点“child-nodel1”和“child-node2”。

注：如果看过内核/arch/arm/boot/dts目录的读者看到这可能有一个疑问。在每个.dsti和.dts中都会存在一个“/”根节点，那么如果在一个设备树文件中include一个.dtsi文件，那么岂不是存在多个“/”根节点了么。其实不然，编译器DTC在对.dts进行编译生成dtb时，会对node进行合并操作，最终生成的dtb只有一个root node。Dtc会进行合并操作这一点从属性上也可以得到验证。这个稍后做讲解。

在节点的{}里面是描述该节点的属性（property），即设备的特性。它的值是多样化的：

1.它可以是字符串string，如①；也可能是字符串数组string-list，如②

2.它也可以是32 bit unsigned integers，如cell⑧，整形用<>表示

3.它也可以是binary data，如③，十六进制用[]表示

4.它也可能是空，如⑦

图3-1  DTS的基本语法范例

在/arch/arm/boot/dts/目录中有一个文件skeleton.dtsi，该文件为各ARM vendor共用的一些硬件定义信息。以下为skeleton.dtsi的全部内容。

/ {

#address-cells = <1>;

#size-cells = <1>;

chosen { };

aliases { };

memory { device_type = “memory”; reg = <0 0>; };

};

如上，属性# address-cells的值为1，它代表以“/”根节点为parent的子节点中，reg属性中存在一个address值；#size-cells的值为1，它代表以“\” 根节点为parent的子节点中，reg属性中存在一个size值。即父节点的# address-cells和#size-cells决定了子节点的address和size的长度；Reg的组织形式为reg = 

下面列举例子，对一些典型节点进行具体描述。

3.1. chosen node

chosen {

bootargs = “tegraid=40.0.0.00.00 vmalloc=256M video=tegrafb console=ttyS0,115200n8 earlyprintk”;

};

chosen node 主要用来描述由系统指定的runtime parameter，它并没有描述任何硬件设备节点信息。原先通过tag list传递的一些linux kernel运行的参数，可以通过chosen节点来传递。如command line可以通过bootargs这个property来传递。如果存在chosen node，它的parent节点必须为“/”根节点。

3.3. aliases node

aliases {

i2c6 = &pca9546_i2c0;

i2c7 = &pca9546_i2c1;

i2c8 = &pca9546_i2c2;

i2c9 = &pca9546_i2c3;

};

aliases node用来定义别名，类似C++中引用。上面是一个在.dtsi中的典型应用，当使用i2c6时，也即使用pca9546_i2c0，使得引用节点变得简单方便。例：当.dts  include 该.dtsi时，将i2c6的status属性赋值为okay，则表明该主板上的pca9546_i2c0处于enable状态；反之，status赋值为disabled，则表明该主板上的pca9546_i2c0处于disenable状态。如下是引用的具体例子：

&i2c6 {————–这里&i2c6到底是label还是alias???

status = “okay”;

};——————在*.dtsi中大多默认为设备为disable，然后在*.dts中将其enable,进行重写使能。

3.3. memory node

memory {

device_type = “memory”;

reg = <0x00000000 0x20000000>; /* 512 MB */

};

对于memory node，device_type必须为memory，由之前的描述可以知道该memory node是以0x00000000为起始地址，以0x20000000为结束地址的512MB的空间。

一般而言，在.dts中不对memory进行描述，而是通过bootargs中类似521M@0x00000000的方式传递给内核。

3.4.  其他节点

由于其他设备节点依据属性进行描述，具有类似的形式。接下来的部分主要分析各种属性的含义及作用，并结合相关的例子进行阐述。

3.4.1. Reg属性

在device node 中，reg是描述memory-mapped IO register的offset和length。子节点的reg属性address和length长度取决于父节点对应的#address-cells和#size-cells的值。例：

在上述的aips节点中，存在子节点spda。spda中的中reg为<0x70000000 0x40000 >，其0x700000000为address，0x40000为size。这一点在图3-1下有作介绍。

这里补充的一点是：设备节点的名称格式node-name@unit-address，节点名称用node-name唯一标识，为一个ASCII字符串。其中@unit-address为可选项，可以不作描述。unit-address的具体格式和设备挂载在哪个bus上相关。如：cpu的unit-address从0开始编址，以此加1；本例中，aips为0x70000000。

3.4.2. compatible属性

在①中，compatible属性为string list，用来将设备匹配对应的driver驱动，优先级为从左向右。本例中spba的驱动优先考虑“fsl，aips-bus”驱动；若没有“fsl，aips-bus”驱动，则用字符串“simple-bus”来继续寻找合适的驱动。即compatible实现了原先内核版本3.x之前，platform_device中.name的功能，至于具体的实现方法，本文后面会做讲解。

注：对于“/”root节点，它也存在compatible属性，用来匹配machine type。具体说明将在后面给出。

3.4.3. interrupts属性

设备节点通过interrupt-parent来指定它所依附的中断控制器，当节点没有指定interrupt-parent时，则从parent节点中继承。上面例子中，root节点的interrupt-parent = <&mic>。这里使用了引用，即mic引用了②中的inrerrupt-controller @40008000；root节点的子节点并没有指定interrupt-controller，如ahb、fab，它们均使用从根节点继承过来的mic，即位于0x40008000的中断控制器。

若子节点使用到中断(中断号、触发方法等等)，则需用interrupt属性来指定，该属性的数值长度受中断控制器中#inrerrupt-controller值③控制，即interrupt属性<>中数值的个数为#inrerrupt-controller的值；本例中#inrerrupt-controller=<2>，因而④中interrupts的值为<0x3d 0>形式，具体每个数值的含义由驱动实现决定。

3.4.4. ranges属性

ranges属性为地址转换表，这在pcie中使用较为常见，它表明了该设备在到parent节点中所对用的地址映射关系。ranges格式长度受当前节点#address-cell、parent节点#address-cells、当前节点#size-cell所控制。顺序为ranges=<前节点#address-cell, parent节点#address-cells , 当前节点#size-cell。在本例中，当前节点#address-cell=<1>,对应于⑤中的第一个0x20000000；parent节点#address-cells=<1>，对应于⑤中的第二个0x20000000；当前节点#size-cell=<1>，对应于⑤中的0x30000000。即ahb0节点所占空间从0x20000000地址开始，对应于父节点的0x20000000地址开始的0x30000000地址空间大小。

注：对于相同名称的节点，dtc会根据定义的先后顺序进行合并，其相同属性，取后定义的那个。

4. DTB相关结构

本节讲下.dts编译生成的dtb文件，其布局结构。

DTB由三部分组成：头（Header）、结构块（device-tree structure）、字符串块（string block）。下面将详细介绍这三部分的内容。

4.1. Header

在\kernel\include\linux\of_fdt.h文件中有相关定义

 

4.2.device-tree structure

 

设备树结构块是一个线性化的结构体，是设备树的主体，以节点的形式保存了主板上的设备信息。

在结构块中，以宏OF_DT_BEGIN_NODE标志一个节点的开始，以宏OF_DT_END_NODE标识一个节点的结束，整个结构块以宏OF_DT_END (0x00000009)结束。在\kernel\include\linux\of_fdt.h中有相关定义，我们把这些宏称之为token。

（1）FDT_BEGIN_NODE (0x00000001)。该token描述了一个node的开始位置，紧挨着该token的就是node name（包括unit address）

（2）FDT_END_NODE (0x00000002)。该token描述了一个node的结束位置。

（3）FDT_PROP (0x00000003)。该token描述了一个property的开始位置，该token之后是两个u32的数据，分别是length和name offset。length表示该property value data的size。name offset表示该属性字符串在device tree strings block的偏移值。length和name offset之后就是长度为length具体的属性值数据。

（4）FDT_NOP (0x00000004)。

（5）FDT_END (0x00000009)。该token标识了一个DTB的结束位置。

一个节点的结构如下：

(1)节点开始标志：一般为OF_DT_BEGIN_NODE（0x00000001）。

(2)节点路径或者节点的单元名(version<3以节点路径表示，version>=0x10以节点单元名表示)

(3)填充字段（对齐到四字节）

(4)节点属性。每个属性以宏OF_DT_PROP(0x00000003)开始，后面依次为属性值的字节长度(4字节)、属性名称在字符串块中的偏移量(4字节)、属性值和填充（对齐到四字节）。

(5)如果存在子节点，则定义子节点。

(6)节点结束标志OF_DT_END_NODE(0x00000002)。

4.3. 字符串块

通过节点的定义知道节点都有若干属性，而不同的节点的属性又有大量相同的属性名称，因此将这些属性名称提取出一张表，当节点需要应用某个属性名称时，直接在属性名字段保存该属性名称在字符串块中的偏移量。

4.4. memory reserve map

这个区域包括了若干的reserve memory描述符。每个reserve memory描述符是由address和size组成。其中address和size都是用U64来描述。

有些系统，我们也许会保留一些memory有特殊用途（例如DTB或者initrd image），或者在有些DSP+ARM的SOC platform上，有些memory被保留用于ARM和DSP进行信息交互。这些保留内存不会进入内存管理系统。

5. 解析DTB的函数及相关数据结构

5.1. machine_desc结构

内核将机器信息记录为machine_desc结构体（该定义在/arch/arm/include/asm/mach/arch.h），并保存在_arch_info_begin到_arch_info_end之间（_arch_info_begin，_arch_info_end为虚拟地址，是编译内核时指定的，此时mmu还未进行初始化。它其实通过汇编完成地址偏移操作）

machine_desc结构体用宏MACHINE_START进行定义，一般在/arch/arm/子目录，与板级相关的文件中进行成员函数及变量的赋值。由linker将machine_desc聚集在.arch.info.init节区形成列表。

bootloader引导内核时，ARM寄存器r2会将.dtb的首地址传给内核，内核根据该地址，解析.dtb中根节点的compatible属性，将该属性与内核中预先定义machine_desc结构体的dt_compat成员做匹配，得到最匹配的一个machine_desc。

在代码中，内核通过在start_kernel->setup_arch中调用setup_machine_fdt来实现上述功能，该函数的具体实现可参见/arch/arm/kernel/devtree.c。 

5.2. 设备节点结构体

1.

记录节点信息的结构体。.dtb经过解析之后将以device_node列表的形式存储节点信息。

5.3. 属性结构体

device_node结构体中的成员结构体，用于描述节点属性信息。

5.4. uboot下的相关结构体

首先我们看下uboot用于记录os、initrd、fdt信息的数据结构bootm_headers，其定义在/include/image.h中，这边截取了其中与dtb相关的一小部分。

fit_hdr_fdt指向DTB设备树镜像的头。

lmb为uboot下的一种内存管理机制，全称为logical memory blocks。用于管理镜像的内存。lmb所记录的内存信息最终会传递给kernel。这里对lmb不做展开描述。在/include/lmb.h和/lib/lmb.c中有对lmb的接口和定义的具体描述。有兴趣的读者可以看下，所包含的代码量不多。

6. DTB加载及解析过程

先从uboot里的do_bootm出发，根据之前描述，DTB在内存中的地址通过bootm命令进行传递。在bootm中，它会根据所传进来的DTB地址，对DTB所在内存做一系列操作，为内核解析DTB提供保证。上图为对应的函数调用关系图。

在do_bootm中，主要调用函数为do_bootm_states，第四个参数为bootm所要处理的阶段和状态。 

在do_bootm_states中，bootm_start会对lmb进行初始化操作，lmb所管理的物理内存块有三种方式获取。起始地址，优先级从上往下：

1. 环境变量“bootm_low”

2. 宏CONFIG_SYS_SDRAM_BASE（在tegra124中为0x80000000）

3. gd->bd->bi_dram[0].start

大小：

1. 环境变量“bootm_size”

2. gd->bd->bi_dram[0].size

经过初始化之后，这块内存就归lmb所管辖。接着，调用bootm_find_os进行kernel镜像的相关操作，这里不具体阐述。

还记得之前讲过bootm的三个参数么，第一个参数内核地址已经被bootm_find_os处理，而接下来的两个参数会在bootm_find_other中执行操作。

首先，bootm_find_other根据第二个参数找到ramdisk的地址，得到ramdisk的镜像；然后根据第三个参数得到DTB镜像，同检查kernel和ramdisk镜像一样，检查DTB镜像也会进行一系列的校验工作，如果校验错误，将无法正常启动内核。另外，uboot在确认DTB镜像无误之后，会将该地址保存在环境变量“fdtaddr”中。

接着，uboot会把DTB镜像reload一次，使得DTB镜像所在的物理内存归lmb所管理：①boot_fdt_add_mem_rsv_regions会将原先的内存DTB镜像所在的内存置为reserve，保证该段内存不会被其他非法使用，保证接下来的reload数据是正确的；②boot_relocate_fdt会在bootmap区域中申请一块未被使用的内存，接着将DTB镜像内容复制到这块区域（即归lmb所管理的区域）

注：若环境变量中，指定“fdt_high”参数，则会根据该值，调用lmb_alloc_base函数来分配DTB镜像reload的地址空间。若分配失败，则会停止bootm操作。因而，不建议设置fdt_high参数。

接下来，do_bootm会根据内核的类型调用对应的启动函数。与linux对应的是do_bootm_linux。

① boot_prep_linux

为启动后的kernel准备参数

② boot_jump_linux

以上是boot_jump_linux的片段代码，可以看出：若使用DTB，则原先用来存储ATAG的寄存器R2，将会用来存储.dtb镜像地址。

boot_jump_linux最后将调用kernel_entry，将.dtb镜像地址传给内核。

 

下面我们来看下内核的处理部分：

在arch/arm/kernel/head.S中，有这样一段：

_vet_atags定义在/arch/arm/kernel/head-common.S中，它主要对DTB镜像做了一个简单的校验。

真正解析处理dbt的开始部分，是setup_arch->setup_machine_fdt。这部分的处理在第五部分的machine_mdesc中有提及。

如图，是setup_machine_fdt中的解析过程。

解析chosen节点将对boot_command_line进行初始化。

解析根节点的{size，address}将对dt_root_size_cells，dt_root_addr_cells进行初始化。为之后解析memory等其他节点提供依据。

解析memory节点，将会把节点中描述的内存，加入memory的bank。为之后的内存初始化提供条件。

 

解析设备树在函数unflatten_device_tree中完成，它将.dtb解析成device_node结构（第五部分有其定义），并构成单项链表，以供OF的API接口使用。

下面主要结合代码分析：/drivers/of/fdt.c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

总的归纳为：

① kernel入口处获取到uboot传过来的.dtb镜像的基地址

② 通过early_init_dt_scan()函数来获取kernel初始化时需要的bootargs和cmd_line等系统引导参数。

③ 调用unflatten_device_tree函数来解析dtb文件，构建一个由device_node结构连接而成的单向链表，并使用全局变量of_allnodes保存这个链表的头指针。

④ 内核调用OF的API接口，获取of_allnodes链表信息来初始化内核其他子系统、设备等。

 

7. OF的API接口

OF的接口函数在/drivers/of/目录下，有of_i2c.c、of_mdio.c、of_mtd.c、Adress.c等等

这里将列出几个常用的API接口。

 

1. 用来查找在dtb中的根节点

unsigned long __init of_get_flat_dt_root(void)

 

2. 根据deice_node结构的full_name参数，在全局链表of_allnodes中，查找合适的device_node

struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)

例如：

struct device_node *cpus;

cpus=of_find_node_by_path(“/cpus”);

 

3. 若from=NULL，则在全局链表of_allnodes中根据name查找合适的device_node

struct device_node *of_find_node_by_name(struct device_node *from,const char *name)

例如：

struct device_node *np;

np = of_find_node_by_name(NULL,”firewire”);

 

4. 根据设备类型查找相应的device_node

struct device_node *of_find_node_by_type(struct device_node *from,const char *type)

例如：

struct device_node *tsi_pci;

tsi_pci= of_find_node_by_type(NULL,”pci”);

 

5. 根据compatible字符串查找device_node

struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from,const char *type, const char *compatible)

 

6. 根据节点属性的name查找device_node

struct device_node *of_find_node_with_property(struct device_node *from,const char *prop_name)

 

7. 根据phandle查找device_node

struct device_node *of_find_node_by_phandle(phandle handle)

 

8. 根据alias的name获得设备id号

int of_alias_get_id(struct device_node *np, const char *stem)

 

9. device node计数增加/减少

struct device_node *of_node_get(struct device_node *node)

void of_node_put(struct device_node *node)

 

10. 根据property结构的name参数，在指定的device node中查找合适的property

struct property *of_find_property(const struct device_node *np,const char *name,int *lenp)

 

11. 根据property结构的name参数，返回该属性的属性值

const void *of_get_property(const struct device_node *np, const char *name,int *lenp)

 

12. 根据compat参数与device node的compatible匹配，返回匹配度

int of_device_is_compatible(const struct device_node *device,const char *compat)

 

13. 获得父节点的device node

struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node)

 

14. 将matches数组中of_device_id结构的name和type与device node的compatible和type匹配，返回匹配度最高的of_device_id结构

const struct of_device_id *of_match_node(const struct of_device_id *matches,const struct device_node *node)

 

15. 根据属性名propname，读出属性值中的第index个u32数值给out_value

int of_property_read_u32_index(const struct device_node *np,const char *propname,u32 index, u32 *out_value)

 

16. 根据属性名propname，读出该属性的数组中sz个属性值给out_values

int of_property_read_u8_array(const struct device_node *np,const char *propname, u8 *out_values, size_t sz)

int of_property_read_u16_array(const struct device_node *np,const char *propname, u16 *out_values, size_t sz)

int of_property_read_u32_array(const struct device_node *np,const char *propname, u32 *out_values,size_t sz)

 

17. 根据属性名propname，读出该属性的u64属性值

int of_property_read_u64(const struct device_node *np, const char *propname,u64 *out_value)

 

18. 根据属性名propname，读出该属性的字符串属性值

int of_property_read_string(struct device_node *np, const char *propname,const char **out_string)

 

19. 根据属性名propname，读出该字符串属性值数组中的第index个字符串

int of_property_read_string_index(struct device_node *np, const char *propname,int index, const char **output)

 

20. 读取属性名propname中，字符串属性值的个数

int of_property_count_strings(struct device_node *np, const char *propname)

 

21. 读取该设备的第index个irq号

unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index)

 

22. 读取该设备的第index个irq号，并填充一个irq资源结构体

int of_irq_to_resource(struct device_node *dev, int index, struct resource *r)

 

23. 获取该设备的irq个数

int of_irq_count(struct device_node *dev)

 

24. 获取设备寄存器地址，并填充寄存器资源结构体

int of_address_to_resource(struct device_node *dev, int index,struct resource *r)

const __be32 *of_get_address(struct device_node *dev, int index, u64 *size,unsigned int *flags)

 

25. 获取经过映射的寄存器虚拟地址

void __iomem *of_iomap(struct device_node *np, int index)

 

24. 根据device_node查找返回该设备对应的platform_device结构

struct platform_device *of_find_device_by_node(struct device_node *np)

 

25. 根据device node，bus id以及父节点创建该设备的platform_device结构

struct platform_device *of_device_alloc(struct device_node *np,const char *bus_id,struct device *parent)

static struct platform_device *of_platform_device_create_pdata(struct device_node *np,const char *bus_id,

void *platform_data,struct device *parent)

 

26. 遍历of_allnodes中的节点挂接到of_platform_bus_type总线上,由于此时of_platform_bus_type总线上还没有驱动,所以此时不进行匹配

int of_platform_bus_probe(struct device_node *root,const struct of_device_id *matches,struct device *parent)