學(xué)會Linux設(shè)備樹dts移植

設(shè)備樹的引入減少了內(nèi)核為支持新硬件而需要的改變，提高代碼重用，加速了Linux支持包的開發(fā)，使得單個內(nèi)核鏡像能支持多個系統(tǒng)。作為U-Boot 和Linux 內(nèi)核之間的動態(tài)接口，本文闡述了設(shè)備樹的數(shù)據(jù)存儲格式以及源碼描述語法，進(jìn)而分析了U-Boot 對扁平設(shè)備樹的支持設(shè)置，Linux 內(nèi)核對設(shè)備樹的解析流程。
IBM、Sun 等廠家的服務(wù)器最初都采用了Firmware（一種嵌入到硬件設(shè)備中的程序，用于提供軟件和硬件之間的接口），用于初始化系統(tǒng)配置，提供操作系統(tǒng)軟件和硬件之間的接口，啟動和運行系統(tǒng)。后來為了標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，IBM、Sun 等聯(lián)合推出了固件接口IEEE 1275標(biāo)準(zhǔn)，讓他們的服務(wù)器如IBM PowerPC pSeries，Apple PowerPC，Sun SPARC 等均采用OpenFirmware，在運行時構(gòu)建系統(tǒng)硬件的設(shè)備樹信息傳遞給內(nèi)核，進(jìn)行系統(tǒng)的啟動運行[1]。這樣做的好處有，減少內(nèi)核對系統(tǒng)硬件的嚴(yán)重依賴，利于加速支持包的開發(fā)，降低硬件帶來的變化需求和成本，降低對內(nèi)核設(shè)計和編譯的要求。

隨著 Linux/ppc64 內(nèi)核的發(fā)展，內(nèi)核代碼從原來的arch/ppc32 和arch/ppc64 逐漸遷移到統(tǒng)一的arch/powerpc 目錄，并在內(nèi)核代碼引入Open Firmware API 以使用標(biāo)準(zhǔn)固件接口[2]。Linux 內(nèi)核在運行時，需要知道硬件的一些相關(guān)信息。對于使用ARCH=powerpc 參數(shù)編譯的內(nèi)核鏡像，這個信息需要基于Open Firmware 規(guī)范，以設(shè)備樹的形式存在[3]。這樣內(nèi)核在啟動時讀取掃描Open Firmware 提供的設(shè)備樹，從而獲得平臺的硬件設(shè)備信息，搜索匹配的設(shè)備驅(qū)動程序并將該驅(qū)動程序綁定到設(shè)備。

在嵌入式 PowerPC 中，一般使用U-Boot 之類的系統(tǒng)引導(dǎo)代碼，而不采用Open Firmware。早期的U-Boot 使用include/asm-ppc/u-boot.h 中的靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct bd_t 將板子基本信息傳遞給內(nèi)核，其余的由內(nèi)核處理。這樣的接口不夠靈活，硬件發(fā)生變化就需要重新定制編譯燒寫引導(dǎo)代碼和內(nèi)核，而且也不再適應(yīng)于現(xiàn)在的內(nèi)核。為了適應(yīng)內(nèi)核的發(fā)展及嵌入式PowerPC平臺的千變?nèi)f化，吸收標(biāo)準(zhǔn)Open Firmware 的優(yōu)點，U-Boot 引入了扁平設(shè)備樹FDT 這樣的動態(tài)接口，使用一個單獨的FDT blob（二進(jìn)制大對象，是一個可以存儲二進(jìn)制文件的容器）存儲傳遞給內(nèi)核的參數(shù)[3]。一些確定信息，例如cache 大小、中斷路由等直接由設(shè)備樹提供，而其他的信息，例如eTSEC 的MAC 地址、頻率、PCI 總線數(shù)目等由U-Boot 在運行時修改。U-Boot 使用扁平設(shè)備樹取代了bd_t，而且也不再保證對bd_t 的后向兼容。

2 設(shè)備樹概念
簡單的說，設(shè)備樹是一種描述硬件配置的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有且僅有一個根節(jié)點[4]。它包含了有關(guān)CPU、物理內(nèi)存、總線、串口、PHY 以及其他外圍設(shè)備信息等。該樹繼承了OpenFirmware IEEE 1275 設(shè)備樹的定義。操作系統(tǒng)能夠在啟動時對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行語法分析，以此配置內(nèi)核，加載相應(yīng)的驅(qū)動。

3 設(shè)備樹存儲格式
U-Boot 需要將設(shè)備樹在內(nèi)存中的存儲地址傳給內(nèi)核。該樹主要由三大部分組成：頭（Header）、結(jié)構(gòu)塊（Structure block）、字符串塊（Strings block）。設(shè)備樹在內(nèi)存中的存儲布局圖1 如下：
圖1 設(shè)備樹存儲格式圖
Fig1 The layout of a DT block

3.1 頭（header）
頭主要描述設(shè)備樹的基本信息，如設(shè)備樹魔數(shù)標(biāo)志、設(shè)備樹塊大小、結(jié)構(gòu)塊的偏移地址等，其具體結(jié)構(gòu)boot_param_header 如下。這個結(jié)構(gòu)中的值都是以大端模式表示，并且偏移地址是相對于設(shè)備樹頭的起始地址計算的。

3.2 結(jié)構(gòu)塊（structure block）
扁平設(shè)備樹結(jié)構(gòu)塊是線性化的樹形結(jié)構(gòu)，和字符串塊一起組成了設(shè)備樹的主體，以節(jié)點形式保存目標(biāo)板的設(shè)備信息。在結(jié)構(gòu)塊中，節(jié)點起始標(biāo)志為常值宏OF_DT_BEGIN_NODE，節(jié)點結(jié)束標(biāo)志為宏OF_DT_END_NODE；子節(jié)點定義在節(jié)點結(jié)束標(biāo)志前。一個節(jié)點可以概括為以O(shè)F_DT_BEGIN_NODE 開始，包括節(jié)點路徑、屬性列表、子節(jié)點列表，最后以O(shè)F_DT_END_NODE 結(jié)束的序列，每一個子節(jié)點自身也是類似的結(jié)構(gòu)。

3.3 字符串塊（Strings block）
為了節(jié)省空間，將一些屬性名，尤其是那些重復(fù)冗余出現(xiàn)的屬性名，提取出來單獨存放到字符串塊。這個塊中包含了很多有結(jié)束標(biāo)志的屬性名字符串。在設(shè)備樹的結(jié)構(gòu)塊中存儲了這些字符串的偏移地址，這樣可以很容易地查找到屬性名字符串。字符串塊的引入節(jié)省了嵌入式系統(tǒng)較為緊張的存儲空間。

4 設(shè)備樹源碼DTS 表示
設(shè)備樹源碼文件（.dts）以可讀可編輯的文本形式描述系統(tǒng)硬件配置設(shè)備樹，支持C/C++方式的注釋，該結(jié)構(gòu)有一個唯一的根節(jié)點“/”，每個節(jié)點都有自己的名字并可以包含多個子節(jié)點。設(shè)備樹的數(shù)據(jù)格式遵循了Open Firmware IEEE standard 1275。本文只簡述設(shè)備樹數(shù)據(jù)布局及語法，Linux 板級支持包開發(fā)者應(yīng)該詳細(xì)參考IEEE 1275 標(biāo)準(zhǔn)[5]及其他文獻(xiàn)[2] [4]。為了說明，首先給出基于PowerPC MPC8349E 處理器的最小系統(tǒng)的設(shè)備樹源碼示例。
可以看到，這個設(shè)備樹中有很多節(jié)點，每個節(jié)點都指定了節(jié)點單元名稱。每一個屬性后面都給出相應(yīng)的值。以雙引號引出的內(nèi)容為ASCII 字符串，以尖括號給出的是32 位的16 進(jìn)制值。這個樹結(jié)構(gòu)是啟動Linux 內(nèi)核所需節(jié)點和屬性簡化后的集合，包括了根節(jié)點的基本模式信息、CPU 和物理內(nèi)存布局，它還包括通過/chosen 節(jié)點傳遞給內(nèi)核的命令行參數(shù)信息。
/ {
model = "MPC8349EMITX";
compatible = "MPC8349EMITX", "MPC834xMITX", "MPC83xxMITX";
#address-cells = <1>; /* 32bit address */
#size-cells = <1>; /* 4GB size */
cpus {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
PowerPC,8349@0 {
device_type = "cpu";
reg = <0>;
d-cache-line-size = <20>; /* 32 Bytes */
i-cache-line-size = <20>;
d-cache-size = <8000>; /* L1 dcache, 32K */
i-cache-size = <8000>;
timebase-frequency = <0>; /* from bootloader */
bus-frequency = <0>;
clock-frequency = <0>;
};
};
memory {
device_type = "memory";
reg = <00000000 10000000>; /* 256MB */
};
chosen {
name = "chosen";
bootargs = "root=/dev/ram rw console=ttyS0,115200";
linux,stdout-path = "/soc8349@e0000000/serial@4500";
};
};

4.1 根節(jié)點
設(shè)備樹的起始點稱之為根節(jié)點"/"。屬性model 指明了目標(biāo)板平臺或模塊的名稱，屬性compatible 值指明和目標(biāo)板為同一系列的兼容的開發(fā)板名稱。對于大多數(shù)32 位平臺，屬性
#address-cells 和#size-cells 的值一般為1。

4.2 CPU 節(jié)點
/cpus 節(jié)點是根節(jié)點的子節(jié)點，對于系統(tǒng)中的每一個CPU，都有相應(yīng)的節(jié)點。/cpus 節(jié)點沒有必須指明的屬性，但指明#address-cells = <1>和 #size-cells = <0>是個好習(xí)慣，這同時指明了每個CPU 節(jié)點的reg 屬性格式，方便為物理CPU 編號。

此節(jié)點應(yīng)包含板上每個CPU 的屬性。CPU 名稱一般寫作PowerPC,，例如Freescale 會使用PowerPC,8349 來描述本文的MPC8349E 處理器。CPU 節(jié)點的單元名應(yīng)該是cpu@0 的格式，此節(jié)點一般要指定device_type（固定為"cpu"），一級數(shù)據(jù)/指令緩存的表項
大小，一級數(shù)據(jù)/指令緩存的大小，核心、總線時鐘頻率等。在上面的示例中通過系統(tǒng)引導(dǎo)代碼動態(tài)填寫時鐘頻率相關(guān)項。

4.3 系統(tǒng)內(nèi)存節(jié)點
此節(jié)點用于描述目標(biāo)板上物理內(nèi)存范圍，一般稱作/memory 節(jié)點，可以有一個或多個。當(dāng)有多個節(jié)點時，需要后跟單元地址予以區(qū)分；只有一個單元地址時，可以不寫單元地址，默認(rèn)為0。

此節(jié)點包含板上物理內(nèi)存的屬性，一般要指定device_type（固定為"memory"）和reg屬性。其中reg 的屬性值以<起始地址空間大小>的形式給出，如上示例中目標(biāo)板內(nèi)存起始地址為0，大小為256M 字節(jié)。

4.4 /chosen 節(jié)點
這個節(jié)點有一點特殊。通常，這里由Open Firmware 存放可變的環(huán)境信息，例如參數(shù)，默認(rèn)輸入輸出設(shè)備。
這個節(jié)點中一般指定bootargs 及l(fā)inux,stdout-path 屬性值。bootargs 屬性設(shè)置為傳遞給內(nèi)核命令行的參數(shù)字符串。linux,stdout-path 常常為標(biāo)準(zhǔn)終端設(shè)備的節(jié)點路徑名，內(nèi)核會以此作為默認(rèn)終端。

U-Boot 在1.3.0 版本后添加了對扁平設(shè)備樹FDT 的支持，U-Boot 加載Linux 內(nèi)核、Ramdisk 文件系統(tǒng)（如果使用的話）和設(shè)備樹二進(jìn)制鏡像到物理內(nèi)存之后，在啟動執(zhí)行Linux內(nèi)核之前，它會修改設(shè)備樹二進(jìn)制文件。它會填充必要的信息到設(shè)備樹中，例如MAC 地址、PCI 總線數(shù)目等。U-Boot 也會填寫設(shè)備樹文件中的“/chosen”節(jié)點，包含了諸如串口、根設(shè)備（Ramdisk、硬盤或NFS 啟動）等相關(guān)信息。

4.5 片上系統(tǒng)SOC 節(jié)點
此節(jié)點用來描述片上系統(tǒng)SOC，如果處理器是SOC，則此節(jié)點必須存在。頂級SOC 節(jié)點包含的信息對此SOC 上的所有設(shè)備可見。節(jié)點名應(yīng)該包含此SOC 的單元地址，即此SOC內(nèi)存映射寄存器的基址。SOC 節(jié)點名以/soc的形式命名，例如MPC8349 的SOC
節(jié)點是"soc8349"。

在屬性中應(yīng)該指定device_type（固定為"soc"）、ranges、bus-frequency 等屬性。ranges屬性值以的形式指定。SOC 節(jié)點還包含目標(biāo)板使用的每個SOC 設(shè)備子節(jié)點，應(yīng)該在設(shè)備樹中盡可能詳細(xì)地描述此SOC 上的外圍設(shè)備。如下給出帶有看門狗設(shè)備的SOC 節(jié)點DTS 示例。

soc8349@e0000000 {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
device_type = "soc";
compatible = "simple-bus";
ranges = <0 e0000000 100000>; /* size 1MB */
reg = ;
bus-frequency = <0>; /* from bootloader */
{
device_type = "watchdog";
compatible = "mpc83xx_wdt";
reg = <200 100>; /* offset: 0x200 */
};
};
4.6 其他設(shè)備節(jié)點
分級節(jié)點用來描述系統(tǒng)上的總線和設(shè)備，類似物理總線拓?fù)?，能很方便的描述設(shè)備間的關(guān)系。對于系統(tǒng)上的每個總線和設(shè)備，在設(shè)備樹中都有其節(jié)點。對于這些設(shè)備屬性的描述和定義請詳細(xì)參考IEEE 1275 標(biāo)準(zhǔn)及本文參考文獻(xiàn)[2]。

設(shè)備樹的中斷系統(tǒng)稍顯復(fù)雜，設(shè)備節(jié)點利用interrupt-parent 和interrupts 屬性描述到中斷控制器的中斷連接。其中interrupt-parent 屬性值為中斷控制器節(jié)點的指針，#interrupts 屬性值描述可觸發(fā)的中斷信號，其值格式與中斷控制器的interrupt-cells 屬性值有關(guān)。一般
#interrupt-cells 屬性值為2，interrupts 屬性就對應(yīng)為一對描述硬件中斷號和中斷觸發(fā)方式的十六進(jìn)制值。

5 扁平設(shè)備樹編譯
根據(jù)嵌入式板的設(shè)備信息寫設(shè)備樹源碼文件（.dts）通常比較簡單，但是手寫二進(jìn)制的扁平設(shè)備樹（.dtb）就顯得比較復(fù)雜了。設(shè)備樹編譯器dtc 就是用來根據(jù)設(shè)備樹源碼的文本文件生成設(shè)備樹二進(jìn)制鏡像的。dtc 編譯器會對輸入文件進(jìn)行語法和語義檢查，并根據(jù)Linux內(nèi)核的要求檢查各節(jié)點及屬性，將設(shè)備樹源碼文件（.dts）編譯二進(jìn)制文件（.dtb），以保證內(nèi)核能正常啟動。dtc 編譯器的使用方法如下所示[6]：dtc [ -I dts ] [ -O dtb ] [ -o opt_file ] [ -V opt_version ] ipt_file2.6.25 版本之后的內(nèi)核源碼已經(jīng)包含了dtc 編譯器。在配置編譯內(nèi)核時選中CONFIG_DTC，會自動生成設(shè)備樹編譯器dtc。將編寫的目標(biāo)板設(shè)備樹文件mpc8349emitx.dts放到內(nèi)核源碼的arch/powerpc/boot/dts/目錄下，利用內(nèi)核Makefile 生成blob 的簡單規(guī)則，使
用以下命令亦可完成設(shè)備樹的dtc 編譯：
$ make mpc8349emitx.dtb

6 U-Boot 相關(guān)設(shè)置說明
為使 U-Boot 支持設(shè)備樹，需要在板子配置頭文件中設(shè)置一系列宏變量。如本文在
MPC8349E 處理器目標(biāo)板中移植的U-Boot 配置如下：
/* pass open firmware flat tree */
#define CONFIG_OF_LIBFDT 1
#undef CONFIG_OF_FLAT_TREE
#define CONFIG_OF_BOARD_SETUP 1
#define CONFIG_OF_HAS_BD_T 1
#define CONFIG_OF_HAS_UBOOT_ENV 1
啟動引導(dǎo)代碼U-Boot 在完成自己的工作之后，會加載Linux 內(nèi)核，并將扁平設(shè)備樹的
地址傳遞給內(nèi)核，其代碼形式如下：
#if defined(CONFIG_OF_FLAT_TREE) || defined(CONFIG_OF_LIBFDT)
if (of_flat_tree) { /* device tree; boot new style */
/*
* Linux Kernel Parameters (passing device tree):
* r3: pointer to the fdt, followed by the board info data
* r4: physical pointer to the kernel itself
* r5: NULL
* r6: NULL
* r7: NULL
*/
(*kernel) ((bd_t *)of_flat_tree, (ulong)kernel, 0, 0, 0);
/* does not return */
}
#endif
arch/powerpc 內(nèi)核的入口有且只有一個，入口點為內(nèi)核鏡像的起始。此入口支持兩種調(diào)用方式，一種是支持Open Firmware 啟動，另一種對于沒有OF 的引導(dǎo)代碼，需要使用扁平設(shè)備樹塊，如上示例代碼。寄存器r3 保存指向設(shè)備樹的物理地址指針，寄存器r4 保存為內(nèi)
核在物理內(nèi)存中的地址，r5 為NULL。其中的隱含意思為：假設(shè)開啟了mmu，那么這個mmu的映射關(guān)系是1:1 的映射，即虛擬地址和物理地址是相同的。

7 Linux 內(nèi)核對設(shè)備樹的解析
扁平設(shè)備樹描述了目標(biāo)板平臺中的設(shè)備樹信息。每個設(shè)備都有一個節(jié)點來描述其信息，每個節(jié)點又可以有子節(jié)點及其相應(yīng)的屬性。內(nèi)核源碼中include/linux/of.h 及drivers/of/base.c等文件中提供了一些Open Firmware API，通過這些API，內(nèi)核及設(shè)備驅(qū)動可以查找到相應(yīng)
的設(shè)備節(jié)點，讀取其屬性值，利用這些信息正確地初始化和驅(qū)動硬件。

圖2 內(nèi)核及驅(qū)動對扁平設(shè)備樹的解析
Fig2 Interaction from kernel and drivers with the FDT blob

8 結(jié)論
本文介紹了設(shè)備樹的起源及其優(yōu)點，進(jìn)而闡述了設(shè)備樹的數(shù)據(jù)存儲格式以及源碼描述語法，給出了設(shè)備樹的編譯方法，最后引出了移植過程中的U-Boot 相關(guān)設(shè)置說明及內(nèi)核的解析過程分析。設(shè)備樹為嵌入式系統(tǒng)向Linux 內(nèi)核傳遞參數(shù)的動態(tài)接口，本文以MPC8349E
處理器目標(biāo)板上的DTS 移植經(jīng)歷作總結(jié)，希望對嵌入式PowerPC Linux 開發(fā)者具有一定的參考價值，可以加快嵌入式PowerPC Linux 開發(fā)中的設(shè)備樹DTS 移植過程。

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