linux内核机制之设备树

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

wll1228

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wll1228 · 2020-05-16 08:03:12 发布

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)。

本质上，Device Tree改变了原来用code方式将HW配置信息嵌入到内核代码的方法，改用bootloader传递一个DB的形式。对于嵌入式系统，在系统启动阶段，bootloader会加载内核并将控制权转交给内核，此外，还需要把上述的三个参数信息传递给kernel，以便kernel可以有较大的灵活性。在linux kernel中，Device Tree的设计目标就是如此。
在devie tree中，可描述的信息包括：

1、CPU的数量和类别
2、内存基地址和大小
3、总线和桥
4、外设连接
5、中断控制器和中断的使用情况
6、GPIO控制器和GPIO使用情况
7、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。

它基本就是一棵电路板上的CPU、总线、设备组成的树，Bootloader会将这棵树传递给内核，然后内核来识别这棵树，并根据它展开出Linux内核中的platform_device、i2c_client、spi_device等设备，而这些设备用到的内存、IRQ等资源，也被传递给内核，内核会将这些资源绑定给展开的相应设备

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

3.1 DTS基本语法

3.1.1DTS的基本结构

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 =<>

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。

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。

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。

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。

3.2 标准属性

3.2.1 compatible

每一个dts文件都是由一个root的根节点组成，内核通过根节点“/”的兼容性即可判断它启动的是什么设备，其代码结构如下

/ {
	model = "Spreadtrum SC9830A-5 V1.0.0 Smartphone Board";

	compatible = "sprd,sp9830a-5h10-ga1", "sprd,sc9830";

	chosen {
		bootargs = "earlycon=sprd_serial,0x70100000,115200n8 loglevel=8 console=ttyS1,115200n8 init=/init root=/dev/ram0 rw androidboot.hardware=sc9830";
		linux,initrd-start = <0x85500000>;
		linux,initrd-end = <0x855a3212>;
	};
};

model属性值是，它指定制造商的设备型号。推荐的格式是：“manufacturer，model”，其中manufacturer是一个字符串描述

制造商的名称，而型号指定型号。

compatible属性值是,指定了系统的名称，是一个字符串列表，它包含了一个“<制造商>,<型号>”形式的字符串。重要的是要指定一个确切的设备，并且包括制造商的名字，以避免命名空间冲突。

chosen 节点不代表一个真正的设备，但功能与在固件和操作系统间传递数据的地点一样，如根参数，取代以前bootloader的启动参数，控制台的输入输出参数等

3.1.2 #address-cells和#size-cells

#address-cells = <1>: 基地址、片选号等绝对起始地址所占字长，单位uint32
#size-cells = <1>: 长度所占字长，单位uint32

soc {
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <1>;
	serial {
		compatible = "ns16550";
		reg = <0x4600 0x100>;
		clock-frequency = <0>;
		interrupts = <0xA 0x8>;
		interrupt-parent = <&ipic>;
	};
};

3.1.3 CPU addressing

在讨论寻址时，CPU节点代表了最简单的情况。每个CPU都分配有一个唯一的ID，并且没有与CPU ID相关联的大小。

  cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            reg = <0>;
        };
        cpu@1 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            reg = <1>;
        };
    };

在cpus节点，#address-cells被设置成了1，#size-cells被设置成了0。这是说子reg值是单独的uint32，它用无大小字段表示地址。在此情况下，这两个cpu分配到的地址为0和1。Cpu节点的#size-cells是0因为每个cpu只分配到了一个单独的地址。

你仍然需要注意reg值班需要与节点名的值相匹配。按照惯例，如果一个节点有一个reg属性，那么这个节点名称必须包括unit-address,这是reg属性的第一个address值。

3.1.4 Memory Mapped Devices

与在cpu节点中单独的address值不同，内存映射设备被分配了一系列将要响应的地址，因此不仅需要包含内存的基地址而且还需要映射地址的长度，因此需要使用#size-cells用来表示在每个子reg元组中长度字段的大小。在以下示例中，每个address值为1 cell(32 bits),每个长度值也是1 cell,这在32 bit系统是比较典型的。64 bit设备也许会为#address-cells和#size-cells使用数值2，在device tree中获取64 bit addressing。

/dts-v1/;

/ {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    ...
    serial@101f0000 {
        compatible = "arm,pl011";
        reg = <0x101f0000 0x1000 >;
    };

    serial@101f2000 {
        compatible = "arm,pl011";
        reg = <0x101f2000 0x1000 >;
    };

    gpio@101f3000 {
        compatible = "arm,pl061";
        reg = <0x101f3000 0x1000
               0x101f4000 0x0010>;
    };

    interrupt-controller@10140000 {
        compatible = "arm,pl190";
        reg = <0x10140000 0x1000 >;
    };

    spi@10115000 {
        compatible = "arm,pl022";
        reg = <0x10115000 0x1000 >;
    };
    ...
};

3.1.5 Non Memory Mapped Devices

处理器总线的其它设备为非内存映射设备。他们有地址范围，但不能被CPU直接寻址。母设备的驱动程序将代替CPU进行间接访问。以i2c设备为例，每个设备都分配了一个地址，但没有长度或范围与之相匹配。这与CPU地址分配很相似。

 i2c@1,0 {
     compatible = "acme,a1234-i2c-bus";
     #address-cells = <1>;
     #size-cells = <0>;
     reg = <1 0 0x1000>;
     rtc@58 {
         compatible = "maxim,ds1338";
         reg = <58>;
     };
 };

3.1.6 Ranges (Address Translation)

我们已经讨论过如何向设备分配地址，但此时这些地址只是本地设备节点，还没有说明如何从那些地址里映射到cpu可以使用的地址。根节点经常描述地址空间的CPU视图。根节点的子节点已经使用了CPU的address domain，所以不需要任何明确的映射。例如，serial@101f0000设备被直接分配了地址0x101f0000。

根节点的非直接子节点是无法使用CPU的address domain的。为了在deivce tree获取内存映射地址必须指定如何从一个域名将地址转换到另一个。Ranges属性就用于此目的。以下是添加了ranges属性的device tree示例。

/dts-v1/;
/ {
    compatible = "acme,coyotes-revenge";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    ...
    external-bus {
        #address-cells = <2>
        #size-cells = <1>;
        ranges = <0 0  0x10100000   0x10000     // Chipselect 1, Ethernet
                  1 0  0x10160000   0x10000     // Chipselect 2, i2c controller
                  2 0  0x30000000   0x1000000>; // Chipselect 3, NOR Flash

        ethernet@0,0 {
            compatible = "smc,smc91c111";
            reg = <0 0 0x1000>;
        };

        i2c@1,0 {
            compatible = "acme,a1234-i2c-bus";
            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;
            reg = <1 0 0x1000>;
            rtc@58 {
                compatible = "maxim,ds1338";
                reg = <58>;
            };
        };

        flash@2,0 {
            compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash";
            reg = <2 0 0x4000000>;
        };
    };
};

Ranges是一个地址转换列表。每个输入ranges表格的是包含子地址的元组，母地址和子地址空间的范围大小。每个字段的大小都由获取的子地址的#address-cells值，母地址的#address-cell值和子地址的#size-cells值而定。以外部总线为例，子地址是2 cells，母地址是1 cell,大小也为1 cell。转换三个ranges：

Offset 0 from chip select 0 is mapped to address range 0x10100000…0x1010ffff
Offset 0 from chip select 1 is mapped to address range 0x10160000…0x1016ffff
Offset 0 from chip select 2 is mapped to address range 0x30000000…0x30ffffff

例如上面的总线是有片选的，就需要描述片选及片选的偏移量，在说明地址时，还需要说明地址映射范围

3.1.7 status

device tree中的status标识了设备的状态，使用status可以去禁止设备或者启用设备，看下设备树规范中的status可选值

value	Description
“okay”	表示设备正在运行
“disabled”	表示该设备目前尚未运行，但将来可能会运行
“fail”	表示设备无法运行。在设备中检测到严重错误，确实如此没有修理就不可能投入运营
“fail-sss”	表示设备无法运行。在设备中检测到严重错误，它是没有修理就不可能投入运营。值的sss部分特定于设备并指示检测到的错误情况

3.2.reserved-memory

reserved-memory:保留内存，顾名思义就是被保留下来的内存，它不被添加到系统的内存管理中，通常给驱动使用，由驱动开发人员自己进行划分和地址映射：如下：

/ {
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <1>;

	memory {
		reg = <0x40000000 0x40000000>;
	};

	reserved-memory {
		#address-cells = <1>;
		#size-cells = <1>;
		ranges;

		/* global autoconfigured region for contiguous allocations */
		linux,cma {
			compatible = "shared-dma-pool";
			reusable;
			size = <0x4000000>;
			alignment = <0x2000>;
			linux,cma-default;
		};

		display_reserved: framebuffer@78000000 {
			reg = <0x78000000 0x800000>;
		};

		multimedia_reserved: multimedia@77000000 {
			compatible = "acme,multimedia-memory";
			reg = <0x77000000 0x4000000>;
		};
	};

	/* ... */

	fb0: video@12300000 {
		memory-region = <&display_reserved>;
		/* ... */
	};

	scaler: scaler@12500000 {
		memory-region = <&multimedia_reserved>;
		/* ... */
	};

	codec: codec@12600000 {
		memory-region = <&multimedia_reserved>;
		/* ... */
	};
};

进行内存区域的保留，上面代码中展示了两种方式

static allocation
reg (required) - standard definition
dynamic allocation

size (required) - length based on parent’s #size-cells
- Size in bytes of memory to reserve.
alignment (optional) - length based on parent’s #size-cells
- Address boundary for alignment of allocation.
alloc-ranges (optional) - prop-encoded-array (address, length pairs).
- Specifies regions of memory that are
acceptable to allocate from.

If both reg and size are present, then the reg property takes precedence
and size is ignored.
在《devicetree-specification-v0.3》提供了保留内存的另一只方案：
Memory reservations define an entry for the devicetree blob’s memory reservation table. They have the form: e.g.,

/memreserve/ <address> <length>; Where <address> and <length> are 64-bit C-style integers.

3.3. 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。

3.4 特殊节点

aliases节点为了解决节点路径名过长的问题，引入了节点别名的概念，可以引用到一个全路径的节点。如/external-bus/ethernet@0,0，但当用户想知道具体内容的时候显得太累赘，“哪个设备是eth0？”

aliases {
        ethernet0 = &eth0;
        serial0 = &serial0;
    };

当为设备分配一个标识符的时候，操作系统更倾向于使用aliases

3.5中断映射

与遵循树的自然结构而进行的地址转换不同，机器上的任何设备都可以发起和终止中断信号。另外地址的编址也不同于中断信号，前者是设备树的自然表示，而后者者表现为独立于设备树结构的节点之间的链接。下图显示了设备的自然结构以及每个节点在逻辑中断树中的位置。

在这里插入图片描述

上图包括以下部分：

open-pic中断控制器是中断树的根
中断树根有三个子设备，它们将中断直接路由到open-pic
- device1
- PCI host controller
- GPIO Controller
存在三个中断域; 一个以开放式pic节点为根，一个在PCI主桥节点，一个在GPIO Controller节点上
有两个nexus节点; 一个位于PCI主桥，一个位于GPIO控制器。

属性	属性值	描述
#interrupts	prop-encoded-array	一个设备节点属性，该属性主要描述了中断的HW interrupt ID以及类型
#interrupt-parent	phandle	该属性主要描述了该设备的interrupt request line连接到哪一个interrupt controller，那些没有 interrupt-parent 的节点则从它们的父节点中继承该属性
#interrupts-extended	phandle prop-encoded-array	列出了设备生成的中断,当设备连接到多个中断控制器
#interrupt-cells	u32	这是中断控制器节点的属性，用来标识这个控制器需要几个单位做中断描述符（类似于 #address-cells 和 #size-cells）,则子节点的interrupts一个cell三个32bits整型值： <中断域中断触发方式>
#interrupt-controller	empty	一个空属性用来声明这个node接收中断信号

下面显示了具有PCI总线控制器和采样中断的设备片段

soc {
	compatible = "simple-bus";
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <1>;
	open-pic {
		clock-frequency = <0>;
		interrupt-controller;
		#address-cells = <0>;
		#interrupt-cells = <2>;
	};
	pci {
		#interrupt-cells = <1>;
		#size-cells = <2>;
		#address-cells = <3>;
		interrupt-map-mask = <0xf800 0 0 7>;
		interrupt-map = <
		/ * IDSEL 0x11 - PCI slot 1* /
		0x8800 0 0 1 &open-pic 2 1 / * INTA* /
		0x8800 0 0 2 &open-pic 3 1 / * INTB* /
		0x8800 0 0 3 &open-pic 4 1 / * INTC* /
		0x8800 0 0 4 &open-pic 1 1 / * INTD* /
		/ * IDSEL 0x12 - PCI slot 2* /
		0x9000 0 0 1 &open-pic 3 1 / * INTA* /
		0x9000 0 0 2 &open-pic 4 1 / * INTB* /
		0x9000 0 0 3 &open-pic 1 1 / * INTC* /
		0x9000 0 0 4 &open-pic 2 1 / * INTD* /
	>;
	};
};

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

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)

参考

https://www.cnblogs.com/edver/p/9063526.html
https://blog.csdn.net/u012489236/article/details/97137007

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