Linux device tree 简要笔记

Posted 2020-06-17

第一、DTS简介
     在嵌入式设备上，可能有不同的主板---它们之间差异表现在主板资源不尽相同，比如I2C、SPI、GPIO等接口定义有差别，或者是Timer不同，等等。于是这就产生了BSP的一个说法。所谓BSP，即是是板级支持包，英文全名为：Board Support Package。是介于主板硬件和操纵系统之间的一层。每一个主板，都有自己对应的BSP文件。在kernel/arch/arm/mach-* 目录下，放置着不同主板的BSP文件，比如展讯的某一个项目的BSP文件为：

1 kernel/arch/arm/mach-sc/board-sp7731gea.c 

     根据linux设备驱动最抽象的模型(即设备、驱动、总线模型)，设备和驱动都会向系统进行注册的。那么，系统正式运行之前，需要登记自己的板载资源，以便后面进行使用。以展讯sc7731-5.1上某个项目为例，这些资源分别包括了：CPU、Memory、UART、TIMER、CLOCK、GPIO、keypad、I2C、FB、SPI等等。这些资源信息，大部分都需要在 board-sp7731gea.c 文件中进行注册。以登记I2C为例：

 1 static struct ft5x0x_ts_platform_data ft5x0x_ts_info = { 
 2     .irq_gpio_number    = GPIO_TOUCH_IRQ,
 3     .reset_gpio_number  = GPIO_TOUCH_RESET,
 4     .vdd_name           = "vdd28",
 5 };
 6 
 7 static struct i2c_board_info i2c0_boardinfo[] = {
 8     {
 9         I2C_BOARD_INFO(FOCALTECH_TS_NAME, FOCALTECH_TS_ADDR),
10         .platform_data = &ft5x0x_ts_info,
11     },
12 };
13 
14 static struct i2c_board_info i2c1_boardinfo[] = {
15     {I2C_BOARD_INFO("sensor_main",0x3C),},
16     {I2C_BOARD_INFO("sensor_sub",0x21),},
17 };
18 
19 static int sc8810_add_i2c_devices(void)
20 {
21     i2c_register_board_info(0, i2c1_boardinfo, ARRAY_SIZE(i2c1_boardinfo));
22     i2c_register_board_info(1, i2c0_boardinfo, ARRAY_SIZE(i2c0_boardinfo));
23     return 0;    
24 }
25 
26 static void __init sc8830_init_machine(void)
27 {
28     //...
29     sc8810_add_i2c_devices();
30     //...
31 }

      这上面的I2C设备有这几个：Camera 前后摄、触摸屏(TP)。其中，需要调用 i2c_register_board_info() 这个kernel提供的API对I2C设备进行登记注册。那除开I2C设备以外，比如SPI设备、其他音频设备等等，都可以采用相应的API向系统进行登记。但是这样有两个问题：1.每改动一次板载资源，就得去修改一次BSP文件；2.大量的描述硬件细节的代码，冲进了kernel(Linus似乎对此不能忍受)。
     那么可以把不变的东西和变化的东西分开来做。不变的逻辑，以少量精确的代码搞定；变化的资源，可以形成一个资源配置文件。基于这种思想，Linux device tree(DTS)便应运而生。所谓DTS，它是一个以 ".dts"结尾的文件，该文件会被编译成dtb文件，uboot会把该文件放置到某特定的内存区域，并把相关参数传给kernel；kernel起来之初，便会去解析该文件，以便拿到板载资源配置。DTS文件中内容框架是一棵树的结构，其由一系列的结点（node）和属性（property）键值对组成，此处不进行具体分析。DTS文件一般放在 "kernel/arch/arm/boot/dts/ " 目录下。

二、支持DTS
      linux 3.x kernel已经默认支持了DTS ， 可以 make menuconfig -> Boot options -> Flattened Device Tree support 选项；同时，uboot配置文件中也需要定义支持该功能，以展讯某项目为例，在 u-boot64/include/configs/sp7731gea.h 文件中，定义 CONFIG_OF_LIBFDT 宏控：

1 #define CONFIG_OF_LIBFDT

      怎么让特定的DTS参加编译呢？在 kernel/arch/arm/boot/dts/Makefile 文件中，比如我们要选择 sprd-scx35_sp7731gea.dts 文件进行编译，则进行如下定义：

1 dtb-$(CONFIG_MACH_SP7731GEA) += sprd-scx35_sp7731gea.dtb

     在 kernel/arch/arm/configs/sp7731gea-dt_defconfig 文件中定义 CONFIG_MACH_SP7731GEA 即可。

三、解析DTS简要流程

 1 //在文件 ./kernel/init/main.c 中：
 2 asmlinkage void __init start_kernel(void)
 3 {
 4     //..
 5     setup_arch(&command_line); //选择了什么架构，就去执行该架构下的该函数。比如这里是ARM，则选择进入了 ./kernel/arch/arm/kernel/setup.c 文件
 6     //...
 7 }
 8 
 9 //在文件    ./kernel/arch/arm/kernel/setup.c 中:
10 void __init setup_arch(char **cmdline_p)
11 {
12     //...
13     mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer);  //获取对应机器的dts , __atags_pointer __atags_pointer是uboot传给kernel的一个物理地址。
14     //....
15     unflatten_device_tree(); //全部解析dts树
16     //....
17 }

3.1 setup_machine_fdt

 1 //kernel/arch/arm/kernel/devtree.c
 2 struct machine_desc * __init setup_machine_fdt(unsigned int dt_phys)
 3 {
 4 //....
 5     devtree = phys_to_virt(dt_phys); //物理地址转虚拟地址
 6 
 7     /* check device tree validity */
 8     if (be32_to_cpu(devtree->magic) != OF_DT_HEADER)
 9         return NULL;
10 
11     /* Search the mdescs for the ‘best‘ compatible value match */
12     initial_boot_params = devtree;
13     dt_root = of_get_flat_dt_root(); //获取dts的根
14     
15     for_each_machine_desc(mdesc) {
16         score = of_flat_dt_match(dt_root, mdesc->dt_compat);
17         if (score > 0 && score < mdesc_score) {
18             mdesc_best = mdesc;
19             mdesc_score = score;
20         }
21     }
22     
23     if (!mdesc_best) {
24       //....
25         dump_machine_table(); /* does not return */  //进入了这里是否很麻烦？
26     }
27 
28     model = of_get_flat_dt_prop(dt_root, "model", NULL);
29     if (!model)
30         model = of_get_flat_dt_prop(dt_root, "compatible", NULL);
31     if (!model)
32         model = "<unknown>";
33     pr_info("Machine: %s, model: %s\n", mdesc_best->name, model);
34 
35     /* Retrieve various information from the /chosen node */
36     of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_chosen, boot_command_line);
37     /* Initialize {size,address}-cells info */
38     of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_root, NULL);
39     /* Setup memory, calling early_init_dt_add_memory_arch */
40     of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_memory, NULL);
41 
42     /* Change machine number to match the mdesc we‘re using */
43     __machine_arch_type = mdesc_best->nr;
44 
45     return mdesc_best; //返回目标机器的指针
46 }

     上面这个函数综合来看的话，就是根据dts来寻找对应的机器了。以展讯某个项目为例，其 sprd-scx35_sp7731gea.dts 文件中定义了字符串 "sprd,sp8835eb" 来标识机器。则它必须要在BSP文件中找到相关的定义，才会继续初始化下去，否则，就认为找不到对应的机器，将跳入 dump_machine_table() 里面，在该函数里面进行死循环。那么，这个BSP文件中是如何提供一个合适的标志来匹配该字符串呢？在对应的BSP文件 board-sp7731gea.c 中这样定义：

1 static const char *sprd_boards_compat[] __initdata = {
2   "sprd,sp8835eb",
3   NULL,
4 };
5 
6 MACHINE_START(SCPHONE, "sc8830")
7 //...
8   .dt_compat    = sprd_boards_compat,
9 MACHINE_END 

       因为 MACHINE_START ...  MACHINE_END 这一对宏的关系，该文件(board-sp7731gea.c)在编译的时候，会被编译器编译链接到 “.arch.info.init” 段落中去：

1 #define MACHINE_START(_type, _name)            2 static const struct machine_desc __mach_desc_##_type    3 __used                            4 __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {    5     .name        = _name,
6 
7 #define MACHINE_END                8 };

       于是，在 setup_machine_fdt() 函数里面，为了匹配特定DTS的机器标志，程序便会去 ".arch.info.init" 段落中将该文件内容读取出来。setup_machine_fdt()中的 for_each_machine_desc(mdesc) 就干了这事：

1 extern struct machine_desc __arch_info_begin[], __arch_info_end[];
2 #define for_each_machine_desc(p)            3     for (p = __arch_info_begin; p < __arch_info_end; p++)

      那么，__arch_info_begin 和 __arch_info_end 在哪里定义呢？在文件 kernel/arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S (编译器的链接脚本)中：

1 //....
2     .init.arch.info : {
3         __arch_info_begin = .;
4         *(.arch.info.init)
5         __arch_info_end = .;
6     }        
7 //....

     说简单了:

1 for_each_machine_desc(mdesc) {
2     score = of_flat_dt_match(dt_root, mdesc->dt_compat); //将获取的机器 dt_compat 与DTS中的 机器标识符进行比较
3     if (score > 0 && score < mdesc_score) {
4         mdesc_best = mdesc;
5         mdesc_score = score;
6     }
7 }

     这段代码，便是循环去 ".arch.info.init" 区域读取目标机器，然后将该机器定义的 dt_compat 和 DTS根目录下的机器标志进行匹配。一旦正确获取到目标机器后，便返回该机器的指针。

3.2 unflatten_device_tree

      这个函数的目的便是通过DTS的内容，创建一个设备节点树。(create tree of device_nodes from flat blob)。在文件 kernel/drivers/of/fdt.c 中:

1 void __init unflatten_device_tree(void)
2 {
3     __unflatten_device_tree(initial_boot_params, &of_allnodes,
4             early_init_dt_alloc_memory_arch);
5 
6 /* Get pointer to "/chosen" and "/aliasas" nodes for use everywhere */
7     of_alias_scan(early_init_dt_alloc_memory_arch);
8 }

     其中， of_allnodes 是一个全局变量。解析出来的设备节点将形成一个链表，而 of_allnodes 则是该链表的头节点。

五、机器初始化简要流程

1 start_kernel --> setup_arch --> do_initcalls --> customize_machine

参考资料:
ARM Linux 3.x的设备树（Device Tree） http://blog.csdn.net/21cnbao/article/details/8457546
linux device tree源代码解析 http://www.blog.chinaunix.net/uid-27717694-id-4274992.html
Linux 3.10 ARM Device Tree 的初始化 http://blog.chinaunix.net/uid-20522771-id-3785808.html