设为首页 收藏本站
论坛账号至少一个月登录一次,否则会被自动冻结!论坛全站广告位出租380元一年,有需要联系QQ:3173974412。国内首家由论坛网友持股的IC技术论坛,IC人的乌托邦!
搜索
元器件订购,上立创自营商城。十周年庆典,加入VIP,全场享受98折优惠。现货库存,正品保障。首次购买送现金券。客服QQ:2852512828
广告位出租:ML02 有需要联系QQ:3173974412
广告位出租:ML03 有需要联系QQ:3173974412
青软IC版图实训——线下授课,赠送线上视频 【点击查看】
明德扬《至简设计法》高端FPGA视频教程【点击免费领取】
查看: 532|回复: 3

[转贴] PowerPC Linux 平台扁平设备树FDT解析

[复制链接]
发表于 2016-12-25 11:25:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
来源:http://www.loongnix.org/index.ph ... 5%A4%87%E6%A0%91FDT 如有侵权,请联系本人

嵌入式 PowerPC Linux 平台扁平设备树FDT解析
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)。
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。
  • struct boot_param_header {
  •        u32     magic;                  /* magic word OF_DT_HEADER */
  •        u32     totalsize;              /* total size of DT block */
  •        u32     off_dt_struct;          /* offset to structure */
  •        u32     off_dt_strings;         /* offset to strings */
  •        u32     off_mem_rsvmap;         /* offset to memory reserve map */
  •        u32     version;                /* format version */
  •        u32     last_comp_version;      /* last compatible version */
  •        /* version 2 fields below */
  •        u32     boot_cpuid_phys;        /* Which physical CPU id we're
  •                                           booting on */
  •        /* version 3 fields below */
  •        u32     size_dt_strings;        /* size of the strings block */
  •        /* version 17 fields below */
  •        u32 size_dt_struct;  /* size of the DT structure block */
  • };
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:
  • 节点起始标志OF_DT_BEGIN_NODE(即0x0000_0001);
  • 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);
  • 填充字节保证四字节对齐;
  • 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;
  • 如果存在子节点,则定义子节点。
  • 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。
  • / {
  •    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 {                     /* add by starby */
  •        name = "chosen";
  •        bootargs = "root=/dev/ram rw console=ttyS0,115200";
  •        linux,stdout-path = "/soc8349@e0000000/serial@4500";
  •    };
  • };

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。
  • #if defined(CONFIG_OF_FLAT_TREE)
  •    /*
  •     * Create the /chosen node and modify the blob with board specific
  •     * values as needed.
  •     */
  •    ft_setup(of_flat_tree, kbd, initrd_start, initrd_end);
  •    /* ft_dump_blob(of_flat_tree); */
  • #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。
  •       soc8349@e0000000 {
  •           #address-cells = <1>;
  •           #size-cells = <1>;
  •           device_type = "soc";
  •           compatible = "simple-bus";
  •           ranges = <0 e0000000 100000>;        /* 1MB size */
  •           reg = <e0000000 00000200>;
  •           bus-frequency = <0>;              /* From bootloader */
  •            wdt@200 {
  •               device_type = "watchdog";
  •               compatible = "mpc83xx_wdt";
  •               reg = <200 100>;                    /* Offset: 0x200 */
  •          };
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
  • $git clone http://www.gdl.com/projects/dtc.git
  • dtc编译器的使用方法如下所示[6]:
  • dtc [-I <input_fomat> [-O <ouput_fomat> [-o output_filename [-V output_version input_filename
  • input_format可以使用以下三个参数:
  • dtb: 表示输入文件为dtb文件;
  • dts: 表示输入文件为dts文件;
  • fs: 表示输入文件为与/proc/device-tree文件的格式相同。
  • output_format可以使用以下三个参数:
  • dtb: 表示输出文件为dtb文件;
  • dts: 表示输出文件为dts文件;
  • 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:
  • $ 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。
  • $ dtc -f -I dts -O dtb -R 8 -S 0x3000 test.dts  > mpc836x_mds.dtb
  • $ 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:
  • /* 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。
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。
  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:
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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

发表于 2016-12-25 14:16:55 | 显示全部楼层
中国制造就是好
发表于 2016-12-25 14:23:27 | 显示全部楼层
You’re very professional
您需要登录后才可以回帖 登录 | 入住IC小镇

本版积分规则

关闭

站长推荐上一条 /1 下一条

星光电子深圳专业单片机IC解密

QQ|Archiver|手机版|小黑屋|IC设计小镇 ( 苏ICP备10008526号  

GMT+8, 2017-12-13 01:59 , Processed in 0.261786 second(s), 26 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表