嵌入式PowerPC上的扁平设备树FDT

Bertha 。 2022-08-08 06:13 206阅读 0赞

本文在网络上引用甚广，详细的讲述了新版内核dts架构，这里引来详细拜读，本人对原文格式略作调整，原文地址：

**[嵌入式PowerPC上的扁平设备树FDT][PowerPC_FDT]**

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

**1 引言**  
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 设备树的存储格式**  
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。

U-Boot需要将扁平设备树在内存地址传给内核。该树主要由三大部分组成：头（Header）、结构块（Structure block）、字符串块（Strings block）。在内存中分配图如下：

![SouthEast][]

2.1 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。

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  **struct** boot\_param\_header \{ 
2.   u32 magic; /\* magic word OF\_DT\_HEADER \*/
3.   u32 totalsize; /\* total size of DT block \*/
4.   u32 off\_dt\_struct; /\* offset to structure \*/
5.   u32 off\_dt\_strings; /\* offset to strings \*/
6.   u32 off\_mem\_rsvmap; /\* offset to memory reserve map \*/
7.   u32 version; /\* format version \*/
8.   u32 last\_comp\_version; /\* last compatible version \*/
9.  /\* version 2 fields below \*/
10.  u32 boot\_cpuid\_phys; /\* Which physical CPU id we're
11.  booting on \*/
12. /\* version 3 fields below \*/
13.  u32 size\_dt\_strings; /\* size of the strings block \*/
14. /\* version 17 fields below \*/
15.  u32 size\_dt\_struct; /\* size of the DT structure block \*/
16. \};

2.2 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32位常值宏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。一个节点的基本结构如下所示：

**\[html\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  1. 节点起始标志OF\_DT\_BEGIN\_NODE（即0x0000\_0001）; 
2.  2. 节点路径或者节点单元名（version **<****3**以及节点路径表示，version **>** 16时以节点单元名表示）； 
3.  3. 填充字节保证四字节对齐； 
4.  4. 节点属性。每个属性以常值宏OF\_DT\_PROP 开始，后面依次为属性值的字节长度、属性名在在字符串块中的偏移值、属性值及字节对齐填充段； 
5.  5. 如果存在子节点，则定义子节点。 
6.  6. 节点结束标志OF\_DT\_END\_NODE（即0x0000\_0002）。

归纳起来，一个节点可以概括为以OF\_DT\_BEGIN\_NODE开始，节点路径、属性列表、子节点列表以及OF\_DT\_END\_NODE结束的序列，每一个子节点自身也是类似的结构。

2.3 字符串块（Strings block）  
为了节省空间，对于那些属性名，尤其是很多属性名是重复冗余出现的，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，因为可以很容易的查找到属性名字符串。字符串块的引入节省嵌入式系统较为紧张的存储空间。

**3 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。

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  / \{ 
2.   model = "MPC8349EMITX"; 
3.   compatible = "MPC8349EMITX", "MPC834xMITX", "MPC83xxMITX"; 
4.   \#address-cells = <1>; /\* 32bit address \*/
5.   \#size-cells = <1>; /\* 4GB size \*/
6.   cpus \{ 
7.   \#address-cells = <1>;
8.   \#size-cells = <0>;
9.   PowerPC,8349@0 \{ 
10.  device\_type = "cpu"; 
11.  reg = <0>; 
12.  d-cache-line-size = <20>; /\* 32 Bytes \*/
13.  i-cache-line-size = <20>; 
14.  d-cache-size = <8000>; /\* L1 dcache, 32K \*/
15.  i-cache-size = <8000>; 
16.  timebase-frequency = <0>; /\* From bootloader \*/
17.  bus-frequency = <0>; 
18.  clock-frequency = <0>; 
19.  \}; 
20.  \}; 
21.  memory \{ 
22.  device\_type = "memory"; 
23.  reg = <00000000 10000000>; /\* 256MB \*/
24.  \}; 
25.  chosen \{ /\* add by starby \*/
26.  name = "chosen"; 
27.  bootargs = "root=/dev/ram rw console=ttyS0,115200"; 
28.  linux,stdout-path = "/soc8349@e0000000/serial@4500"; 
29.  \}; 
30. \};

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 /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。  
U-Boot源码common/cmd\_bootm.c的如下代码，显示了在执行内核代码前将调用ft\_setup函数填写设备树。

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  \#if defined(CONFIG\_OF\_FLAT\_TREE)
2.  /\*
3.   \* Create the /chosen node and modify the blob with board specific
4.   \* values as needed.
5.   \*/
6.   ft\_setup(of\_flat\_tree, kbd, initrd\_start, initrd\_end); 
7.  /\* ft\_dump\_blob(of\_flat\_tree); \*/
8.  \#endif

3.5 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。

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  soc8349@e0000000 \{ 
2.   \#address-cells = <1>;
3.   \#size-cells = <1>;
4.   device\_type = "soc"; 
5.   compatible = "simple-bus"; 
6.   ranges = <0 e0000000 100000>; /\* 1MB size \*/
7.   reg = <e0000000 00000200>; 
8.   bus-frequency = <0>; /\* From bootloader \*/
9.   wdt@200 \{ 
10.  device\_type = "watchdog"; 
11.  compatible = "mpc83xx\_wdt"; 
12.  reg = <200 100>; /\* Offset: 0x200 \*/
13.  \};

3.6 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及Linux内核文档booting-without-of.txt。  
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。其具体内容见参考文献\[x\]（Open Firmware Recommended Practice: Interrupt Mapping Version 0.9". The document is available at: <http://playground.sun.com/1275/practice>.）  
  
**4 设备树编译**  
由于内核只识别二进制格式的扁平设备树，因此需要一个特殊的设备树编译器"dtc"，将设备树源码文件（.dts）编译二进制文件（.dtb）。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。最新的dtc编译器Git仓库位于www.gdl.com，可以通过如下命令获得源码

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  $git clone http://www.gdl.com/projects/dtc.git

dtc编译器的使用方法如下所示\[6\]：

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  dtc \[-I <input\_fomat>\] \[-O <ouput\_fomat>\] \[-o output\_filename\] \[-V output\_version\] input\_filename 
2.  input\_format可以使用以下三个参数： 
3.  dtb: 表示输入文件为dtb文件； 
4.  dts: 表示输入文件为dts文件； 
5.  fs: 表示输入文件为与/proc/device-tree文件的格式相同。 
6.  output\_format可以使用以下三个参数： 
7.  dtb: 表示输出文件为dtb文件； 
8.  dts: 表示输出文件为dts文件； 
9.  asm: 表示输出文件为汇编语言文件；

如果output\_format为“dtb”是，ouput\_version用来规定生成的dtb文件的版本号，目前dtb文件可用的版本号为1，2，3，16或17，output\_format的缺省值为17。-S指定的是生成的dtb文件的大小，需要适当地扩大以供u-boot 创建/chose节点时使用。input\_filename和output\_filename分别为输入和输出文件名。从dtc编译器的使用方法中发现，dtc编译器不仅可以实现dts文件到dtb文件的转换，也可以实现dtb文件到dts文件的转换。  
Linux源码的arch/powerpc/boot/dts/目录下存放了很多dts文件，可以作为参考文件。另外dtc编译器在内核源码2.6.25版本之后已经被包含进去。在2.6.26版本之后，生成blob的简单规则已经加入makefile，如下命令：

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  $ make ARCH=powerpc canyonlands.dtb

也可以根据自己的硬件修改好dts文件后，用下面类似命令生成dtb文件。

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  $ dtc -f -I dts -O dtb -R 8 -S 0x3000 test.dts > mpc836x\_mds.dtb 
2.  $ mkimage -A ppc -O Linux -T flat\_dt -C none -a 0x300000 -e 0 -d mpc836x\_mds.dtb mpc836x\_mds.dtu

注：最新的U-Boot使用dtb镜像文件。而freescale的U-Boot需要如上使用mkimage为dtb添加镜像信息。

**5 U-Boot相关设置**  
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：

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  /\* pass open firmware flat tree \*/
2.  \#define CONFIG\_OF\_LIBFDT 1
3.  \#undef CONFIG\_OF\_FLAT\_TREE
4.  \#define CONFIG\_OF\_BOARD\_SETUP 1
5.  \#define CONFIG\_OF\_HAS\_BD\_T 1
6.  \#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：

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  \#if defined(CONFIG\_OF\_FLAT\_TREE) || defined(CONFIG\_OF\_LIBFDT)
2.  **if** (of\_flat\_tree) \{ /\* device tree; boot new style \*/
3.  /\*
4.   \* Linux Kernel Parameters (passing device tree):
5.   \* r3: pointer to the fdt, followed by the board info data
6.   \* r4: physical pointer to the kernel itself
7.   \* r5: NULL
8.   \* r6: NULL
9.   \* r7: NULL
10.  \*/
11.  (\*kernel) ((bd\_t \*)of\_flat\_tree, (ulong)kernel, 0, 0, 0); 
12. /\* does not return \*/
13.  \} 
14. \#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。

**6 Linux内核对设备的解析**  
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。

![SouthEast 1][]

分析Linux内核的源码，可以看到其对扁平设备树的解析流程\[7 待详细分析\]如下：

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  （1）首先在内核入口处将从u-boot传递过来的镜像基地址和dtb文件映像基地址保存通用寄存器r30和r31。 
2.  （2）通过调用machine\_init()、early\_init\_devtree()函数来获取内核前期初始化所需的bootargs，cmd\_line等系统引导参数。 
3.  （3）根据bootargs，cmd\_line等系统引导参数进入start\_kernel()函数，进行内核的第二阶段初始化。 
4.  （4）调用start\_kernel()、setup\_arch()、unflatten\_device\_tree()函数来解析dtb文件，构建一个由device\_node结构连接而成的单项链表，并使用全局变量allnodes 指针来保存这个链表的头指针。 
5.  （5）内核调用OF 提供的API函数获取allnodes链表信息来初始化内核其他子系统、设备等。

**7 内核折中**  
引入了设备树FDT blob，相应的会占用一定的存储空间，同时引入了FDT API代码，相比之下内核代码有所增加，但是一个内核镜像可以支持多个硬件平台，不同的平台间只需修改设备树FDT blob即可。

**8 结束语**  
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，希望本文对嵌入式PowerPC Linux开发者具有一定的参考价值，加快嵌入式PowerPC Linux开发中的设备树DTS移植过程。

参考文献  
\[1\] Matt Tyrlik. Booting Linux on Embedded PowerPCTM Systems \[R\]. Embedded Linux Developers Conference, 2007  
\[2\] Benjamin Herrenschmidt, Becky Bruce, et al. Booting the Linux/ppc kernel without Open Firmware \[Z\]. bootint-without-of.txt from the Linux kernel source tree , 2006  
\[3\] DENX. Flattened Device Tree Blob \[EB/OL\]. http://www.denx.de/wiki/view/DULG/LinuxFDTBlob, 2009  
\[4\] Grant Likely, Josh Boyer. A Symphony of Flavours: Using the device tree to describe embedded hardware \[R\]. Ottawa, Canada: Linux Symposium, 2008  
\[5\] SUN. The Open Firmware Home Page \[EB/OL\]. http://playground.sun.com/1275/home.html, 2005  
\[6\] David Gibson, Benjamin Herrenschmidt, OzLabs. Device trees everywhere \[R\]. 2006  
\[7\] 邱文华，邱珍珍. 基于扁平设备树的Linux内核启动方式\[J\]. 现代计算机，2009年第3期，115-118. 2009.3

[PowerPC_FDT]: http://http//blog.chinaunix.net/uid-15193587-id-2774993.html
[SouthEast]: /images/20220805/cc74129ec6a24ce9874fbc448acca6cf.png
[view plain]: http://blog.csdn.net/girlkoo/article/details/19809465#
[CODE]: https://code.csdn.net/assets/CODE_ico.png
[CODE_CODE]: https://code.csdn.net/snippets/201584
[ico_fork.svg]: https://code.csdn.net/assets/ico_fork.svg
[ico_fork.svg 1]: https://code.csdn.net/snippets/201584/fork
[SouthEast 1]: /images/20220805/26df2a434c98497a9a7d90fddf7aef1c.png