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Linux设备树dts移植详解


摘 要:设备树的引入减少了内核为支持新硬件而需要的改变,提高代码重用,加速了Linux
支持包的开发,使得单个内核镜像能支持多个系统。作为U-Boot 和Linux 内核之间的动态
接口,本文阐述了设备树的数据存储格式以及源码描述语法,进而分析了U-Boot 对扁平设
备树的支持设置,Linux 内核对设备树的解析流程。

关键词:扁平设备树; DTS; PowerPC; Linux

IBM、Sun 等厂家的服务器最初都采用了Firmware(一种嵌入到硬件设备中的程序,用
于提供软件和硬件之间的接口),用于初始化系统配置,提供操作系统软件和硬件之间的接
口,启动和运行系统。后来为了标准化和兼容性,IBM、Sun 等联合推出了固件接口IEEE 1275
标准,让他们的服务器如IBM PowerPC pSeries,Apple PowerPC,Sun SPARC 等均采用Open
Firmware,在运行时构建系统硬件的设备树信息传递给内核,进行系统的启动运行[1]。这样
做的好处有,减少内核对系统硬件的严重依赖,利于加速支持包的开发,降低硬件带来的变
化需求和成本,降低对内核设计和编译的要求。

随着 Linux/ppc64 内核的发展,内核代码从原来的arch/ppc32 和arch/ppc64 逐渐迁移到
统一的arch/powerpc 目录,并在内核代码引入Open Firmware API 以使用标准固件接口[2]。
Linux 内核在运行时,需要知道硬件的一些相关信息。对于使用ARCH=powerpc 参数编译的
内核镜像,这个信息需要基于Open Firmware 规范,以设备树的形式存在[3]。这样内核在启
动时读取扫描Open Firmware 提供的设备树,从而获得平台的硬件设备信息,搜索匹配的设
备驱动程序并将该驱动程序绑定到设备。

在嵌入式 PowerPC 中,一般使用U-Boot 之类的系统引导代码,而不采用Open Firmware。
早期的U-Boot 使用include/asm-ppc/u-boot.h 中的静态数据结构struct bd_t 将板子基本信息传
递给内核,其余的由内核处理。这样的接口不够灵活,硬件发生变化就需要重新定制编译烧
写引导代码和内核,而且也不再适应于现在的内核。为了适应内核的发展及嵌入式PowerPC
平台的千变万化,吸收标准Open Firmware 的优点,U-Boot 引入了扁平设备树FDT 这样的
动态接口,使用一个单独的FDT blob(二进制大对象,是一个可以存储二进制文件的容器)
存储传递给内核的参数[3]。一些确定信息,例如cache 大小、中断路由等直接由设备树提供,
而其他的信息,例如eTSEC 的MAC 地址、频率、PCI 总线数目等由U-Boot 在运行时修改。
U-Boot 使用扁平设备树取代了bd_t,而且也不再保证对bd_t 的后向兼容。

2 设备树概念
简单的说,设备树是一种描述硬件配置的树形数据结构,有且仅有一个根节点[4]。它包
含了有关CPU、物理内存、总线、串口、PHY 以及其他外围设备信息等。该树继承了Open
Firmware IEEE 1275 设备树的定义。操作系统能够在启动时对此结构进行语法分析,以此配
置内核,加载相应的驱动。

3 设备树存储格式
U-Boot 需要将设备树在内存中的存储地址传给内核。该树主要由三大部分组成:头
(Header)、结构块(Structure block)、字符串块(Strings block)。设备树在内存中的存
储布局图1 如下:
图1 设备树存储格式图
Fig1 The layout of a DT block

3.1 头(header)
头主要描述设备树的基本信息,如设备树魔数标志、设备树块大小、结构块的偏移地址
等,其具体结构boot_param_header 如下。这个结构中的值都是以大端模式表示,并且偏移
地址是相对于设备树头的起始地址计算的。

3.2 结构块(structure block)
扁平设备树结构块是线性化的树形结构,和字符串块一起组成了设备树的主体,以节点
形式保存目标板的设备信息。在结构块中,节点起始标志为常值宏OF_DT_BEGIN_NODE,
节点结束标志为宏OF_DT_END_NODE;子节点定义在节点结束标志前。一个节点可以概
括为以OF_DT_BEGIN_NODE 开始,包括节点路径、属性列表、子节点列表,最后以
OF_DT_END_NODE 结束的序列,每一个子节点自身也是类似的结构。

3.3 字符串块(Strings block)
为了节省空间,将一些属性名,尤其是那些重复冗余出现的属性名,提取出来单独存放
到字符串块。这个块中包含了很多有结束标志的属性名字符串。在设备树的结构块中存储了
这些字符串的偏移地址,这样可以很容易地查找到属性名字符串。字符串块的引入节省了嵌
入式系统较为紧张的存储空间。

4 设备树源码DTS 表示
设备树源码文件(.dts)以可读可编辑的文本形式描述系统硬件配置设备树,支持C/C++
方式的注释,该结构有一个唯一的根节点“/”,每个节点都有自己的名字并可以包含多个
子节点。设备树的数据格式遵循了Open Firmware IEEE standard 1275。本文只简述设备树的
数据布局及语法,Linux 板级支持包开发者应该详细参考IEEE 1275 标准[5]及其他文献[2] [4]。
为了说明,首先给出基于PowerPC MPC8349E 处理器的最小系统的设备树源码示例。
可以看到,这个设备树中有很多节点,每个节点都指定了节点单元名称。每一个属性后面都
给出相应的值。以双引号引出的内容为ASCII 字符串,以尖括号给出的是32 位的16 进制
值。这个树结构是启动Linux 内核所需节点和属性简化后的集合,包括了根节点的基本模式
信息、CPU 和物理内存布局,它还包括通过/chosen 节点传递给内核的命令行参数信息。
/ {
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 根节点
设备树的起始点称之为根节点"/"。属性model 指明了目标板平台或模块的名称,属性
compatible 值指明和目标板为同一系列的兼容的开发板名称。对于大多数32 位平台,属性
#address-cells 和#size-cells 的值一般为1。

4.2 CPU 节点
/cpus 节点是根节点的子节点,对于系统中的每一个CPU,都有相应的节点。/cpus 节点
没有必须指明的属性,但指明#address-cells = <1>和 #size-cells = <0>是个好习惯,这同时指
明了每个CPU 节点的reg 属性格式,方便为物理CPU 编号。

此节点应包含板上每个CPU 的属性。CPU 名称一般写作PowerPC,<name>,例如
Freescale 会使用PowerPC,8349 来描述本文的MPC8349E 处理器。CPU 节点的单元名应该是
cpu@0 的格式,此节点一般要指定device_type(固定为"cpu"),一级数据/指令缓存的表项
大小,一级数据/指令缓存的大小,核心、总线时钟频率等。在上面的示例中通过系统引导
代码动态填写时钟频率相关项。

4.3 系统内存节点
此节点用于描述目标板上物理内存范围,一般称作/memory 节点,可以有一个或多个。
当有多个节点时,需要后跟单元地址予以区分;只有一个单元地址时,可以不写单元地址,
默认为0。

此节点包含板上物理内存的属性,一般要指定device_type(固定为"memory")和reg
属性。其中reg 的属性值以<起始地址空间大小>的形式给出,如上示例中目标板内存起始
地址为0,大小为256M 字节。

4.4 /chosen 节点
这个节点有一点特殊。通常,这里由Open Firmware 存放可变的环境信息,例如参数,
默认输入输出设备。
这个节点中一般指定bootargs 及linux,stdout-path 属性值。bootargs 属性设置为传递给内
核命令行的参数字符串。linux,stdout-path 常常为标准终端设备的节点路径名,内核会以此作
为默认终端。

U-Boot 在1.3.0 版本后添加了对扁平设备树FDT 的支持,U-Boot 加载Linux 内核、
Ramdisk 文件系统(如果使用的话)和设备树二进制镜像到物理内存之后,在启动执行Linux
内核之前,它会修改设备树二进制文件。它会填充必要的信息到设备树中,例如MAC 地址、
PCI 总线数目等。U-Boot 也会填写设备树文件中的“/chosen”节点,包含了诸如串口、根
设备(Ramdisk、硬盘或NFS 启动)等相关信息。

4.5 片上系统SOC 节点
此节点用来描述片上系统SOC,如果处理器是SOC,则此节点必须存在。顶级SOC 节
点包含的信息对此SOC 上的所有设备可见。节点名应该包含此SOC 的单元地址,即此SOC
内存映射寄存器的基址。SOC 节点名以/soc<SOCname>的形式命名,例如MPC8349 的SOC
节点是"soc8349"。

在属性中应该指定device_type(固定为"soc")、ranges、bus-frequency 等属性。ranges
属性值以<bus_addr parent_bus_addr size>的形式指定。SOC 节点还包含目标板使用的每个
SOC 设备子节点,应该在设备树中尽可能详细地描述此SOC 上的外围设备。如下给出带有
看门狗设备的SOC 节点DTS 示例。

soc8349@e0000000 {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
device_type = "soc";
compatible = "simple-bus";
ranges = <0 e0000000 100000>; /* size 1MB */
reg = <e0000000 00000200>;
bus-frequency = <0>; /* from bootloader */
{
device_type = "watchdog";
compatible = "mpc83xx_wdt";
reg = <200 100>; /* offset: 0x200 */
};
};
4.6 其他设备节点
分级节点用来描述系统上的总线和设备,类似物理总线拓扑,能很方便的描述设备间的
关系。对于系统上的每个总线和设备,在设备树中都有其节点。对于这些设备属性的描述和
定义请详细参考IEEE 1275 标准及本文参考文献[2]。

设备树的中断系统稍显复杂,设备节点利用interrupt-parent 和interrupts 属性描述到中
断控制器的中断连接。其中interrupt-parent 属性值为中断控制器节点的指针,#interrupts 属
性值描述可触发的中断信号,其值格式与中断控制器的interrupt-cells 属性值有关。一般
#interrupt-cells 属性值为2,interrupts 属性就对应为一对描述硬件中断号和中断触发方式的
十六进制值。

5 扁平设备树编译
根据嵌入式板的设备信息写设备树源码文件(.dts)通常比较简单,但是手写二进制的
扁平设备树(.dtb)就显得比较复杂了。设备树编译器dtc 就是用来根据设备树源码的文本
文件生成设备树二进制镜像的。dtc 编译器会对输入文件进行语法和语义检查,并根据Linux
内核的要求检查各节点及属性,将设备树源码文件(.dts)编译二进制文件(.dtb),以保证
内核能正常启动。dtc 编译器的使用方法如下所示[6]:
dtc [ -I dts ] [ -O dtb ] [ -o opt_file ] [ -V opt_version ] ipt_file
2.6.25 版本之后的内核源码已经包含了dtc 编译器。在配置编译内核时选中
CONFIG_DTC,会自动生成设备树编译器dtc。将编写的目标板设备树文件mpc8349emitx.dts
放到内核源码的arch/powerpc/boot/dts/目录下,利用内核Makefile 生成blob 的简单规则,使
用以下命令亦可完成设备树的dtc 编译:
$ make mpc8349emitx.dtb

6 U-Boot 相关设置说明
为使 U-Boot 支持设备树,需要在板子配置头文件中设置一系列宏变量。如本文在
MPC8349E 处理器目标板中移植的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
启动引导代码U-Boot 在完成自己的工作之后,会加载Linux 内核,并将扁平设备树的
地址传递给内核,其代码形式如下:
#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 内核的入口有且只有一个,入口点为内核镜像的起始。此入口支持两种调
用方式,一种是支持Open Firmware 启动,另一种对于没有OF 的引导代码,需要使用扁平
设备树块,如上示例代码。寄存器r3 保存指向设备树的物理地址指针,寄存器r4 保存为内
核在物理内存中的地址,r5 为NULL。其中的隐含意思为:假设开启了mmu,那么这个mmu
的映射关系是1:1 的映射,即虚拟地址和物理地址是相同的。

7 Linux 内核对设备树的解析
扁平设备树描述了目标板平台中的设备树信息。每个设备都有一个节点来描述其信息,
每个节点又可以有子节点及其相应的属性。内核源码中include/linux/of.h 及drivers/of/base.c
等文件中提供了一些Open Firmware API,通过这些API,内核及设备驱动可以查找到相应
的设备节点,读取其属性值,利用这些信息正确地初始化和驱动硬件。

图2 内核及驱动对扁平设备树的解析
Fig2 Interaction from kernel and drivers with the FDT blob

8 结论
本文介绍了设备树的起源及其优点,进而阐述了设备树的数据存储格式以及源码描述语
法,给出了设备树的编译方法,最后引出了移植过程中的U-Boot 相关设置说明及内核的解
析过程分析。设备树为嵌入式系统向Linux 内核传递参数的动态接口,本文以MPC8349E
处理器目标板上的DTS 移植经历作总结,希望对嵌入式PowerPC Linux 开发者具有一定的
参考价值,可以加快嵌入式PowerPC Linux 开发中的设备树DTS 移植过程。

本文永久更新链接:http://embeddedlinux.org.cn/emb-linux/kernel-driver/201612/23-6012.html



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