【万字长文】Linux设备树详解

Linux内核是从V2.6开始引入设备树的概念，其起源于OF:OpenFirmware， 用于描述一个硬件平台的硬件资源信息，这些信息包括：CPU的数量和类别、内存基地址和大小、总线和桥、外设连接、中断控制器和中断使用情况、GPIO控制器和GPIO使用情况、Clock控制器和Clock使用情况等等。

官方说明：

The "Open Firmware Device Tree", or simply Device Tree (DT), is a data structure and language for describing hardware.

设备树是一种数据结构和一种用于描述硬件信息的语言。

设备树的特点：

• 实现驱动代码与设备硬件信息相分离。

• 通过被bootloader(uboot)和Linux传递到内核， 内核可以从设备树中获取对应的硬件信息。

• 对于同一SOC的不同主板，只需更换设备树文件即可实现不同主板的无差异支持，而无需更换内核文件，实现了内核和不同板级硬件数据的拆分。

明白了设备树的概念，不妨思考一下：为什么要引入设备树？

在Linux内核v2.6版本以前，ARM架构用于描述不同的硬件信息的文件都存放在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx文件夹下，如下：

在这些文件内，都是通过手动定义不同的硬件设备，步骤非常繁琐

这样就导致了Linux内核代码中充斥着大量的垃圾代码，因为不同的板级他们的硬件信息都不相同，这些都是硬件特有的信息，对内核而言没有任何的意义，但是往往这部分代码特别的多，造成内核的冗余。

设备树的引入就是为了解决这个问题，通过引入设备树，我们可以直接通过它来传递给Linux，而不再需要内核中大量的垃圾代码。

整个设备树牵涉面比较广，即增加了新的用于描述设备硬件信息的文本格式，又增加了编译这个文本的工具，同时还得支持Bootloader解析设备树，并将信息传递给内核。

整个设备树包含DTC（device tree compiler），DTS（device tree source）和DTB（device tree blob）。

• DTS（device tree source）

DTS是一种ASCII文本格式的设备树描述，在ARM Linux中，一个dts文件对应一个ARM的设备，该文件一般放在arch/arm/boot/dts/目录中。

当然，我们还会看到一些dtsi文件，这些文件有什么用呢？

Dtsi：由于一个SoC可能对应多个设备（一个SoC可以对应多个产品和电路板），这些.dts文件势必须包含许多共同的部分，Linux内核为了简化，把SoC公用的部分或者多个设备共同的部分一般提炼为.dtsi，类似于C语言的头文件。其他的设备对应的.dts就包括这个.dtsi 。

• DTC（device tree compiler）

DTC是将.dts编译为.dtb的工具，相当于gcc。

DTC的源代码位于内核的scripts/dtc目录中， 在Linux内核使能了设备树的情况下， 编译内核的时候，工具DTC会被编译出来， 对应于scripts/dtc/Makefile中hostprogs-y:=dtc这一编译目标。

该工具一般在编译内核的时候，默认会自动执行编译操作，如果我们想单独编译设备树，该怎么办呢？

两条编译命令：

将dts文件编译为dtb：

											

												dtc -I dts -O dtb xxx.dtb xxx.dts
											

将dtb文件反编译为dts：

										

											dtc -I dtb -O dts xxx.dts xxx.dtb
										

• DTB（device tree blob）

dtb文件是.dts 被 DTC 编译后的二进制格式的设备树文件，它由Linux内核解析，也可以被bootloader进行解析。

通常在我们为电路板制作NAND、SD启动映像时，会为.dtb文件单独留下一个很小的区域以存放之，之后bootloader在引导内核的过程中，会先读取该.dtb到内存。

总之，三者关系如下：

dts文件是一种ASCII文本格式的设备树描述，它有以下几种特性：

• 每个设备树文件都有一个根节点，每个设备都是一个节点。

• 节点间可以嵌套，形成父子关系，这样就可以方便的描述设备间的关系。

• 每个设备的属性都用一组key-value对(键值对)来描述。

• 每个属性的描述用;结束

记住上面的几个核心特性，往下看！

																		

																			/dts-v1/;  / {  node1 {  a-string-property = "A string";  a-string-list-property = "first string", "second string";  // hex is implied in byte arrays. no '0x' prefix is required  a-byte-data-property = [01 23 34 56];  child-node1 {  first-child-property;  second-child-property =;  a-string-property = "Hello, world";  };  child-node2 {  };  };  node2 {  an-empty-property;  a-cell-property =; /* each number (cell) is a uint32 */  child-node1 {  };  }; };
																		

• /：表示根节点

• node1、node2：表示根节点下的两个子节点

• child-node1、child-node2：表示子节点node1下的两个子节点

• a-string-property = "A string";：字符串属性，用双引号表示

• cell-property =;：32bit的无符号整数，用尖括号表示

• binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67];：二进制数据用方括号表示

• a-string-list-property = "first string", "second string";：用逗号表示字符串列表

DeviceTree的结构非常简单，由两种元素组成：Node(节点)和Property(属性)。

																				

																					[label:] node-name[@unit-address] {  [properties definitions]  [child nodes] }
																				

想象一下，一棵大树，每一个树干都认为是一个节点，每一片树叶，想作一个属性！

• label：节点的一个标签，可以作为别名

• node-name：节点的名称

• unit-address：单元地址，也就是控制器的地址

• properties：属性名称

• definitions：属性的值

																							

																								/dts-v1/;  / {  compatible = "acme,coyotes-revenge";  #address-cells =;  #size-cells =;  cpus {  cpu@0 {  compatible = "arm,cortex-a9";  reg =;  };  cpu@1 {  compatible = "arm,cortex-a9";  reg =;  };  };   serial@101f0000 {  #address-cells =;  #size-cells =;  compatible = "arm,pl011";  reg =;  };  };
																							

																							

																								
																							

下面几个属性是基本属性

• /dts-v1/;：表示一个dts设备树文件

• /：表示根节点

• compatible = "acme,coyotes-revenge";

• compatible：“兼容性” 属性，这是非常重要的一个属性兼容属性，由该属性值来匹配对应的驱动代码。

• "acme,coyotes-revenge"：该值遵循"manufacturer,model"格式manufacturer表示芯片厂商，model表示驱动名称

compatible是一个字符串列表。列表中的第一个字符串指定节点在表单中表示的确切设备","。

例如，飞思卡尔 MPC8349 片上系统 (SoC) 有一个串行设备，可实现 National Semiconductor ns16550 寄存器接口。因此，MPC8349 串行设备的 compatible 属性应为：compatible = "fsl,mpc8349-uart", "ns16550". 在这种情况下，fsl,mpc8349-uart指定确切的设备，并ns16550声明它与 National Semiconductor 16550 UART 的寄存器级兼容。

• cpus：表示一个子节点，该子节点下又有两个子节点，分别为cpu0和cpu1。

• cpu@0：遵循[@]格式

• ：ascii字符串，表示节点名称

• ：单元地址，设备的私有地址，在节点reg属性中描述。

下面几个属性与寻址相关的

• #address-cells ：表示reg属性中表示地址字段的单元个数，每个单元32bit，即用多少个32bit单元表示地址信息。

• #size-cells：表示reg属性中表示长度字段的单元个数，每个单元32bit，即用多少个32bit单元表示长度信息。

• reg：该属性一般用于描述设备地址空间资源信息，一般都是某个外设的寄存器地址范围信息。其式为reg = 。每个地址值都是一个或多个 32 位整数的列表，称为单元格。同样，长度值可以是单元格列表，也可以是空的。

以cpu节点为例：

																															

																																 cpu@0 {  compatible = "arm,cortex-a9";  reg =;  };
																															

其#address-cells=1表示reg属性中描述地址字段，所需32bit的单元个数为1，#size-cells=0表示reg属性中没有表示长度的单元，即reg=

再以serial节点为例：

																														

																															 serial@101f0000 {  #address-cells =;  #size-cells =;  compatible = "arm,pl011";  reg =;  };
																														

该设备都被分配一个基址，以及被分配区域的大小

其#address-cells=1表示reg属性中描述地址字段需要1个32bit单元，#size-cells=1表示reg属性中描述长度字段需要2个单元，即reg=

• 0x101f0000：表示serial的控制器起始地址

• 0x1000：表示serial控制器所占用的大小

地址映射部分还要了解一个属性，为什么要引入这个属性呢？

根节点与根节点的直接子节点，都使用了CPU的地址分配空间，但是根节点的非直接子节点，并不会自动实用CPU的地址空间，因此需要手动用属性分配。

如上述的serial节点，属于根节点下的直接子节点，无需手动再次分配地址空间，而下面所述的external-bus节点，其内部的子节点就需要再次分配！

																																	

																																		/dts-v1/;  / {  compatible = "acme,coyotes-revenge";  #address-cells =;  #size-cells =;  ...  external-bus {  #address-cells =;  #size-cells =;  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 =;  };   i2c@1,0 {  compatible = "acme,a1234-i2c-bus";  #address-cells =;  #size-cells =;  reg =;  rtc@58 {  compatible = "maxim,ds1338";  reg =;  };  };   flash@2,0 {  compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash";  reg =;  };  }; };
																																	

该总线使用了不同的寻址方式，分析一下external-bus节点：

• #address-cells =：用两个单元表示地址

• #size-cells =：用一个单元表示长度

• reg =：第一个0表示片选号，第二个0表示基于片选的偏移，第三个表示偏移的大小

这种抽象的表示，如何映射到CPU地址区域呢？属性来帮助！

																																			

																																				 ranges = <0 0 0x10100000 0x10000 // Chipselect 1, Ethernet 1 0 0x10160000 0x10000 // Chipselect 2, i2c controller 2 0 0x30000000 0x1000000>; // Chipselect 3, NOR Flash
																																			

range：表示了不同设备的地址空间范围，表中的每一项都是一个元组，包含子地址、父地址以及子地址空间中区域的大小，这三个字段。

• 子地址字段：由子节点的#address-cells决定，如前面的0 0、0 1

• 父地址字段：由父节点的#address-cells决定，如0x10100000、0x10160000

• 子地址空间字段：描述子节点的空间大小，由父节点的#size-cells决定，如0x10000、0x10000

经过映射后，总线的地址映射如下：

• 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

																																							

																																								/dts-v1/;

/ {
    compatible = "acme,coyotes-revenge";
    #address-cells =;
    #size-cells =;
    interrupt-parent = <&intc>;

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

    serial@101f0000 {
        compatible = "arm,pl011";
        reg =;
        interrupts = < 1 0 >;
    };

    intc: interrupt-controller@10140000 {
        compatible = "arm,pl190";
        reg =;
        interrupt-controller;
        #interrupt-cells =;
    };
};
																																							

如上

• interrupt-controller：声明一个节点是接收中断信号的设备，也就是中断控制器

• #interrupt-cells：interrupt-controller节点下的一个属性，表明中断标识符用多少个单元表示

• interrupt-parent：设备节点中的一个属性，选择哪个中断控制器

• interrupts：设备节点的一个属性，中断标识符列表，其单元个数取决于#interrupt-cells

根据设备树，我们了解到：

• 该机器有一个中断控制器interrupt-controller@10140000

• intc标签，为中断控制器的别名，方便引用

• #interrupt-cells =;：中断标识符用两个单元格表示

• interrupt-parent = <&intc>;：选择中断控制器

• interrupts = < 1 0 >;：表示一个中断，第一个值用于表明中断线编号，第二个值表明中断类型，如高电平，低电平，跳变沿等

																																												

																																													 aliases {
        ethernet0 = ð0;
        serial0 = &serial0;
    };
																																												

aliases：正如其名，别名属性，使用方式：property = &label;

																																												

																																													 chosen {
        bootargs = "root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.1 console=ttyS0,115200";
    };
																																												

chosen：该属性并不表示一个真实的设备，但是提供一个空间，用于传输固件和Linux之间的数据，像启动参数，

我们知道，dts文件经过dtc工具编译为dtb，内核加载并解析dtb文件，最终获得设备树的信息。

那么Linux如何加载``dtb文件，并生成对应节点的呢？

我们一般通过Bootloader引导启动Kernel，在启动Kernel之前，Bootloader必须将dtb文件的首地址传输给Kernel，以供使用。

1. Bootloader将dtb二进制文件的起始地址写入r2寄存器中

2. Kernel在第一个启动文件head.S/head-common.S中，读取r2寄存器中的值，获取dtb文件起始地址

3. 跳转入口函数start_kernel执行C语言代码

在dts文件中，在根节点中有一个compatible属性，该属性的值是一系列的字符串，比如compatible = “samsung，smdk2440”“samsung,smdk2410,samsung，smdk24xx”;，该属性就是告诉内核要选择什么样的machine_desc，因为machine_desc结构体中有一个dt_compat成员，该成员表示machine_desc支持哪些单板，所以内核会把compatible中的字符串与dt_compat进行依次比较。

																																																	

																																																		start_kernel // init/main.c
    setup_arch(&command_line);  // arch/arm/kernel/setup.c
        mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer);  // arch/arm/kernel/devtree.c
                    early_init_dt_verify(phys_to_virt(dt_phys)  // 判断是否有效的dtb, drivers/of/ftd.c
                                    initial_boot_params = params;
                    mdesc = of_flat_dt_match_machine(mdesc_best, arch_get_next_mach);  // 找到最匹配的machine_desc, drivers/of/ftd.c
                                    while ((data = get_next_compat(&compat))) {
                                        score = of_flat_dt_match(dt_root, compat);
                                        if (score > 0 && score < best_score) { best_data = data; best_score = score; } } machine_desc = mdesc;
																																																	

在前面，我们也知道设备树中的chosen属性，用于传输固件和Linux之间的数据，包含一些启动参数，那么我们该如何解析出来呢？

1. /chosen节点中bootargs属性的值, 存入全局变量：boot_command_line

2. 确定根节点的这2个属性的值:#address-cells,#size-cells

3. 存入全局变量:dt_root_addr_cells,dt_root_size_cells

4. 解析/memory中的reg属性, 提取出"base, size", 最终调用memblock_add(base, size);

dtb文件会在内存中一直存在着，不会被内核或者应用程序占用，我们需要使用的时候可以直接使用dtb文件。dtb文件的内容会被解析生成多个device_node，然后这些device_node构成一棵树, 根节点为: of_root

每一个节点都以TAG(FDT_BEGIN_NODE, 0x00000001)开始, 节点内部可以嵌套其他节点, 每一个属性都以TAG(FDT_PROP, 0x00000003)开始

• 设备树中的每一个节点，都会被转换为device_node结构体

																																																					

																																																						 struct device_node {
            const char *name;  // 来自节点中的name属性, 如果没有该属性, 则设为"NULL"
            const char *type;  // 来自节点中的device_type属性, 如果没有该属性, 则设为"NULL"
            phandle phandle;
            const char *full_name;  // 节点的名字, node-name[@unit-address]
            struct fwnode_handle fwnode;

            struct  property *properties;  // 节点的属性
            struct  property *deadprops;    /* removed properties */
            struct  device_node *parent;   // 节点的父亲
            struct  device_node *child;    // 节点的孩子(子节点)
            struct  device_node *sibling;  // 节点的兄弟(同级节点)
        #if defined(CONFIG_OF_KOBJ)
            struct  kobject kobj;
        #endif
            unsigned long _flags;
            void    *data;
        #if defined(CONFIG_SPARC)
            const char *path_component_name;
            unsigned int unique_id;
            struct of_irq_controller *irq_trans;
        #endif
        }; 
																																																					

• 将device_node转换为platform_device

那么多的device_node，哪些会被转化为platform_device呢？

1. 根节点下的子节点，且该子节点必须包含compatible属性；

2. 如果一个节点的compatile属性含有这些特殊的值(“simple-bus”,“simple-mfd”,“isa”,“arm,amba-bus”)之一，那么它的子结点(需含compatile属性)也可以转换为platform_device。

																																																								

																																																									struct platform_device {
 const char *name;
 int id;
 bool id_auto;
 struct device dev;
 u32 num_resources;
 struct resource *resource;

 const struct platform_device_id *id_entry;
 char *driver_override; /* Driver name to force a match */

 /* MFD cell pointer */
 struct mfd_cell *mfd_cell;

 /* arch specific additions */
 struct pdev_archdata archdata;
};
																																																								

转换完成之后，

• 设备树中的reg/irq等属性，都存放在了platform_device->resource结构体中

• 设备树中的其他属性，都存在在了platform_device.dev->of_node结构体中

• C代码获取设备树属性

转换完成之后，内核提供了一些API来直接获取设备树中对应的属性。如：

• of_property_read_u32_index：获取设备树中某个属性的值

• of_property_read_string：获取设备树中某个属性的字符串的值

• of_get_address：获取设备树中的某个节点的地址信息

整体总结下来，有几个类别：

																																																															

																																																																a. 处理DTB
of_fdt.h // dtb文件的相关操作函数, 我们一般用不到, 因为dtb文件在内核中已经被转换为device_node树(它更易于使用)

b. 处理device_node
of.h // 提供设备树的一般处理函数, 比如 of_property_read_u32(读取某个属性的u32值), of_get_child_count(获取某个device_node的子节点数)
of_address.h // 地址相关的函数, 比如 of_get_address(获得reg属性中的addr, size值)
of_match_device(从matches数组中取出与当前设备最匹配的一项)
of_dma.h // 设备树中DMA相关属性的函数
of_gpio.h // GPIO相关的函数
of_graph.h // GPU相关驱动中用到的函数, 从设备树中获得GPU信息
of_iommu.h // 很少用到
of_irq.h // 中断相关的函数
of_mdio.h // MDIO (Ethernet PHY) API
of_net.h // OF helpers for network devices.
of_pci.h // PCI相关函数
of_pdt.h // 很少用到
of_reserved_mem.h // reserved_mem的相关函数

c. 处理 platform_device
of_platform.h // 把device_node转换为platform_device时用到的函数,
// 比如of_device_alloc(根据device_node分配设置platform_device),
// of_find_device_by_node (根据device_node查找到platform_device),
// of_platform_bus_probe (处理device_node及它的子节点)
of_device.h // 设备相关的函数, 比如 of_match_device 
																																																															

上述总结下来，流程为dts->dtb->device_node->platform_device

• 查看原始的dtb文件

																																																																

																																																																	ls /sys/firmware/fdt 
hexdump -C /sys/firmware/fdt
																																																																

• 查看设备树信息

																																																																		

																																																																			ls /sys/firmware/devicetree
ls /proc/device-tree
																																																																		

以目录结构程现的dtb文件, 根节点对应base目录, 每一个节点对应一个目录, 每一个属性对应一个文件

/proc/device-tree 是链接文件, 指向/sys/firmware/devicetree/base

• 查看所有硬件信息

																																																																					

																																																																						ls /sys/devices/platform
																																																																					

系统中所有的platform_device, 有来自设备树的, 也有来有.c文件中注册的。