学会Linux设备树dts移植

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。
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OpenFirmware，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OpenFirmware 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,，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 = ;
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_file2.6.25 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。