Device Tree（二）：基本概念
一、前言
一些背景知識（例如：為何要引入Device Tree，這個機制是用來解決什么問題的）請參考引入Device Tree的原因，本文主要是介紹Device Tree的基礎概念。
簡單的說，如果要使用Device Tree，首先用戶要了解自己的硬件配置和系統運行參數，并把這些信息組織成Device Tree source file。通過DTC（Device Tree Compiler），可以將這些適合人類閱讀的Device Tree source file變成適合機器處理的Device Tree binary file（有一個更好聽的名字，DTB，device tree blob）。在系統啟動的時候，boot program（例如：firmware、bootloader）可以將保存在flash中的DTB copy到內存（當然也可以通過其他方式，例如可以通過bootloader的交互式命令加載DTB，或者firmware可以探測到device的信息，組織成DTB保存在內存中），并把DTB的起始地址傳遞給client program（例如OS kernel，bootloader或者其他特殊功能的程序）。對于計算機系統（computer system），一般是firmware->bootloader->OS，對于嵌入式系統，一般是bootloader->OS。
本文主要描述下面兩個主題：
1、Device Tree source file語法介紹
2、Device Tree binaryfile格式介紹
?
二、Device Tree的結構
在描述Device Tree的結構之前，我們先問一個基礎問題：是否Device Tree要描述系統中的所有硬件信息？答案是否定的。基本上，那些可以動態探測到的設備是不需要描述的，例如USB device。不過對于SOC上的usb host controller，它是無法動態識別的，需要在device tree中描述。同樣的道理，在computer system中，PCI device可以被動態探測到，不需要在device tree中描述，但是PCI bridge如果不能被探測，那么就需要描述之。
為了了解Device Tree的結構，我們首先給出一個Device Tree的示例：
/ o device-tree?
????? |- name = "device-tree"?
????? |- model = "MyBoardName"?
????? |- compatible = "MyBoardFamilyName"?
????? |- #address-cells = <2>?
????? |- #size-cells = <2>?
????? |- linux,phandle = <0>?
????? |?
????? o cpus?
????? | | - name = "cpus"?
????? | | - linux,phandle = <1>?
????? | | - #address-cells = <1>?
????? | | - #size-cells = <0>?
????? | |?
????? | o PowerPC,970@0?
????? |?? |- name = "PowerPC,970"?
????? |?? |- device_type = "cpu"?
????? |?? |- reg = <0>?
????? |?? |- clock-frequency = <0x5f5e1000>?
????? |?? |- 64-bit?
????? |?? |- linux,phandle = <2>?
????? |?
????? o memory@0?
????? | |- name = "memory"?
????? | |- device_type = "memory"?
????? | |- reg = <0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x20000000>
????? | |- linux,phandle = <3>?
????? |?
????? o chosen?
??????? |- name = "chosen"?
??????? |- bootargs = "root=/dev/sda2"?
??????? |- linux,phandle = <4>
從上圖中可以看出，device tree的基本單元是node。這些node被組織成樹狀結構，除了root node，每個node都只有一個parent。一個device tree文件中只能有一個root node。每個node中包含了若干的property/value來描述該node的一些特性。每個node用節點名字（node name）標識，節點名字的格式是node-name@unit-address。如果該node沒有reg屬性（后面會描述這個property），那么該節點名字中必須不能包括@和unit-address。unit-address的具體格式是和設備掛在那個bus上相關。例如對于cpu，其unit-address就是從0開始編址，以此加一。而具體的設備，例如以太網控制器，其unit-address就是寄存器地址。root node的node name是確定的，必須是“/”。
在一個樹狀結構的device tree中，如何引用一個node呢？要想唯一指定一個node必須使用full path，例如/node-name-1/node-name-2/node-name-N。在上面的例子中，cpu node我們可以通過/cpus/PowerPC,970@0訪問。
屬性（property）值標識了設備的特性，它的值（value）是多種多樣的：
1、可能是空，也就是沒有值的定義。例如上圖中的64-bit ，這個屬性沒有賦值。
2、可能是一個u32、u64的數值（值得一提的是cell這個術語，在Device Tree表示32bit的信息單位）。例如#address-cells = <1> 。當然，可能是一個數組。例如<0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x20000000>
4、可能是一個字符串。例如device_type = "memory" ，當然也可能是一個string list。例如"PowerPC,970"
?
三、Device Tree source file語法介紹
了解了基本的device tree的結構后，我們總要把這些結構體現在device tree source code上來。在linux kernel中，擴展名是dts的文件就是描述硬件信息的device tree source file，在dts文件中，一個node被定義成：
[label:] node-name[@unit-address] {?
?? [properties definitions]?
?? [child nodes]?
}
“[]”表示option，因此可以定義一個只有node name的空節點。label方便在dts文件中引用，具體后面會描述。child node的格式和node是完全一樣的，因此，一個dts文件中就是若干嵌套組成的node，property以及child note、child note property描述。
考慮到空泛的談比較枯燥，我們用實例來講解Device Tree Source file 的數據格式。假設蝸窩科技制作了一個S3C2416的開發板，我們把該development board命名為snail，那么需要撰寫一個s3c2416-snail.dts的文件。如果把所有的開發板的硬件信息（SOC以及外設）都描述在一個文件中是不合理的，因此有可能其他公司也使用S3C2416搭建自己的開發板并命令pig、cow什么的，如果大家都用自己的dts文件描述硬件，那么其中大部分是重復的，因此我們把和S3C2416相關的硬件描述保存成一個單獨的dts文件可以供使用S3C2416的target board來引用并將文件的擴展名變成dtsi（i表示include）。同理，三星公司的S3C24xx系列是一個SOC family，這些SOCs（2410、2416、2450等）也有相同的內容，因此同樣的道理，我們可以將公共部分抽取出來，變成s3c24xx.dtsi，方便大家include。同樣的道理，各家ARM vendor也會共用一些硬件定義信息，這個文件就是skeleton.dtsi。我們自下而上（類似C＋＋中的從基類到頂層的派生類）逐個進行分析。
1、skeleton.dtsi。位于linux-3.14\arch\arm\boot\dts目錄下，具體該文件的內容如下：
/ {?
??? #address-cells = <1>;?
??? #size-cells = <1>;?
??? chosen { };?
??? aliases { };?
??? memory { device_type = "memory"; reg = <0 0>; };?
};
device tree顧名思義是一個樹狀的結構，既然是樹，必然有根。“/”是根節點的node name。“{”和“}”之間的內容是該節點的具體的定義，其內容包括各種屬性的定義以及child node的定義。chosen、aliases和memory都是sub node，sub node的結構和root node是完全一樣的，因此，sub node也有自己的屬性和它自己的sub node，最終形成了一個樹狀的device tree。屬性的定義采用property ＝ value的形式。例如#address-cells和#size-cells就是property，而<1>就是value。value有三種情況：
1）屬性值是text string或者string list，用雙引號表示。例如device_type = "memory"
2）屬性值是32bit unsigned integers，用尖括號表示。例如#size-cells = <1>
3）屬性值是binary data，用方括號表示。例如binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67]
如果一個device node中包含了有尋址需求（要定義reg property）的sub node（后文也許會用child node，和sub node是一樣的意思），那么就必須要定義這兩個屬性。“#”是number的意思，#address-cells這個屬性是用來描述sub node中的reg屬性的地址域特性的，也就是說需要用多少個u32的cell來描述該地址域。同理可以推斷#size-cells的含義，下面對reg的描述中會給出更詳細的信息。
chosen node主要用來描述由系統firmware指定的runtime parameter。如果存在chosen這個node，其parent node必須是名字是“/”的根節點。原來通過tag list傳遞的一些linux kernel的運行時參數可以通過Device Tree傳遞。例如command line可以通過bootargs這個property這個屬性傳遞；initrd的開始地址也可以通過linux,initrd-start這個property這個屬性傳遞。在本例中，chosen節點是空的，在實際中，建議增加一個bootargs的屬性，例如：
"root=/dev/nfs nfsroot=1.1.1.1:/nfsboot ip=1.1.1.2:1.1.1.1:1.1.1.1:255.255.255.0::usbd0:off console=ttyS0,115200 mem=64M@0x30000000"
通過該command line可以控制內核從usbnet啟動，當然，具體項目要相應修改command line以便適應不同的需求。我們知道，device tree用于HW platform識別，runtime parameter傳遞以及硬件設備描述。chosen節點并沒有描述任何硬件設備節點的信息，它只是傳遞了runtime parameter。
aliases 節點定義了一些別名。為何要定義這個node呢？因為Device tree是樹狀結構，當要引用一個node的時候要指明相對于root node的full path，例如/node-name-1/node-name-2/node-name-N。如果多次引用，每次都要寫這么復雜的字符串多少是有些麻煩，因此可以在aliases 節點定義一些設備節點full path的縮寫。skeleton.dtsi中沒有定義aliases，下面的section中會進一步用具體的例子描述之。
memory device node是所有設備樹文件的必備節點，它定義了系統物理內存的layout。device_type屬性定義了該node的設備類型，例如cpu、serial等。對于memory node，其device_type必須等于memory。reg屬性定義了訪問該device node的地址信息，該屬性的值被解析成任意長度的（address，size）數組，具體用多長的數據來表示address和size是在其parent node中定義（#address-cells和#size-cells）。對于device node，reg描述了memory-mapped IO register的offset和length。對于memory node，定義了該memory的起始地址和長度。
本例中的物理內存的布局并沒有通過memory node傳遞，其實我們可以使用command line傳遞，我們command line中的參數“mem=64M@0x30000000”已經給出了具體的信息。我們用另外一個例子來加深對本節描述的各個屬性以及memory node的理解。假設我們的系統是64bit的，physical memory分成兩段，定義如下：
RAM: starting address 0x0, length 0x80000000 (2GB)?
RAM: starting address 0x100000000, length 0x100000000 (4GB)
對于這樣的系統，我們可以將root node中的#address-cells和#size-cells這兩個屬性值設定為2，可以用下面兩種方法來描述物理內存：
方法1：
memory@0 {?
??? device_type = "memory";?
??? reg = <0x000000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000?
????????????? 0x000000001 0x00000000 0x00000001 0x00000000>;?
};
方法2：
memory@0 {?
??? device_type = "memory";?
??? reg = <0x000000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000>;?
};
memory@100000000 {?
??? device_type = "memory";?
??? reg = <0x000000001 0x00000000 0x00000001 0x00000000>;?
};
2、s3c24xx.dtsi。位于linux-3.14\arch\arm\boot\dts目錄下，具體該文件的內容如下（有些內容省略了，領會精神即可，不需要描述每一個硬件定義的細節）：
#include "skeleton.dtsi"
/ {?
??? compatible = "samsung,s3c24xx"; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－（A）?
??? interrupt-parent = <&intc>; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（B）
??? aliases {?
??????? pinctrl0 = &pinctrl_0; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（C）?
??? };
??? intc:interrupt-controller@4a000000 { －－－－－－－－－－－－－－－－－－（D）?
??????? compatible = "samsung,s3c2410-irq";?
??????? reg = <0x4a000000 0x100>;?
??????? interrupt-controller;?
??????? #interrupt-cells = <4>;?
??? };
????serial@50000000?{ －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（E）??
??????? compatible = "samsung,s3c2410-uart";?
??????? reg = <0x50000000 0x4000>;?
??????? interrupts = <1 0 4 28>, <1 1 4 28>;?
??????? status = "disabled";?
??? };
??? pinctrl_0: pinctrl@56000000 {－－－－－－－－－－－－－－－－－－（F）?
??????? reg = <0x56000000 0x1000>;
??????? wakeup-interrupt-controller {?
??????????? compatible = "samsung,s3c2410-wakeup-eint";?
??????????? interrupts = <0 0 0 3>,
?? ??? ??? ??? ????? <0 0 1 3>,
?? ??? ??? ??? ????? <0 0 2 3>,
?? ??? ??? ??? ????? <0 0 3 3>,
?? ??? ??? ??? ????? <0 0 4 4>,
?? ??? ??? ??? ????? <0 0 5 4>;
??????? };?
??? };
……?
};
這個文件描述了三星公司的S3C24xx系列SOC family共同的硬件block信息。首先提出的問題就是：為何定義了兩個根節點？按理說Device Tree只能有一個根節點，所有其他的節點都是派生于根節點的。我的猜測是這樣的：Device Tree Compiler會對DTS的node進行合并，最終生成的DTB只有一個root node。OK，我們下面開始逐一分析：
（A）在描述compatible屬性之前要先描述model屬性。model屬性指明了該設備屬于哪個設備生產商的哪一個model。一般而言，我們會給model賦值“manufacturer,model”。例如model = "samsung,s3c24xx"。samsung是生產商，s3c24xx是model類型，指明了具體的是哪一個系列的SOC。OK，現在我們回到compatible屬性，該屬性的值是string list，定義了一系列的modle（每個string是一個model）。這些字符串列表被操作系統用來選擇用哪一個driver來驅動該設備。假設定義該屬性：compatible = “aaaaaa”, “bbbbb"。那么操作操作系統可能首先使用aaaaaa來匹配適合的driver，如果沒有匹配到，那么使用字符串bbbbb來繼續尋找適合的driver，對于本例，compatible = "samsung,s3c24xx"，這里只定義了一個modle而不是一個list。對于root node，compatible屬性是用來匹配machine type的（在device tree代碼分析文章中會給出更細致的描述）。對于普通的HW block的節點，例如interrupt-controller，compatible屬性是用來匹配適合的driver的。
（B）具體各個HW block的interrupt source是如何物理的連接到interruptcontroller的呢？在dts文件中是用interrupt-parent這個屬性來標識的。且慢，這里定義interrupt-parent屬性的是root node，難道root node會產生中斷到interrupt controller嗎？當然不會，只不過如果一個能夠產生中斷的device node沒有定義interrupt-parent的話，其interrupt-parent屬性就是跟隨parent node。因此，與其在所有的下游設備中定義interrupt-parent，不如統一在root node中定義了。
intc是一個lable，標識了一個device node（在本例中是標識了interrupt-controller@4a000000 這個device node）。實際上，interrupt-parent屬性值應該是是一個u32的整數值（這個整數值在Device Tree的范圍內唯一識別了一個device node，也就是phandle），不過，在dts文件中中，可以使用類似c語言的Labels and References機制。定義一個lable，唯一標識一個node或者property，后續可以使用&來引用這個lable。DTC會將lable轉換成u32的整數值放入到DTB中，用戶層面就不再關心具體轉換的整數值了。
關于interrupt，我們值得進一步描述。在Device Tree中，有一個概念叫做interrupt tree，也就是說interrupt也是一個樹狀結構。我們以下圖為例（該圖來自Power_ePAPR_APPROVED_v1.1）：
系統中有一個interrrupt tree的根節點，device1、device2以及PCI host bridge的interrupt line都是連接到root interrupt controller的。PCI host bridge設備中有一些下游的設備，也會產生中斷，但是他們的中斷都是連接到PCI host bridge上的interrupt controller（術語叫做interrupt nexus），然后報告到root interrupt controller的。每個能產生中斷的設備都可以產生一個或者多個interrupt，每個interrupt source（另外一個術語叫做interrupt specifier，描述了interrupt source的信息）都是限定在其所屬的interrupt domain中。
在了解了上述的概念后，我們可以回頭再看看interrupt-parent這個屬性。其實這個屬性是建立interrupt tree的關鍵屬性。它指明了設備樹中的各個device node如何路由interrupt event。另外，需要提醒的是interrupt controller也是可以級聯的，上圖中沒有表示出來。那么在這種情況下如何定義interrupt tree的root呢？那個沒有定義interrupt-parent的interrupt controller就是root。
（C）pinctrl0是一個縮寫，他是/pinctrl@56000000的別名。這里同樣也是使用了Labels and References機制。
（D）intc（node name是interrupt-controller@4a000000 ，我這里直接使用lable）是描述interrupt controller的device node。根據S3C24xx的datasheet，我們知道interrupt controller的寄存器地址從0x4a000000開始，長度為0x100（實際2451的interrupt的寄存器地址空間沒有那么長，0x4a000074是最后一個寄存器），也就是reg屬性定義的內容。interrupt-controller屬性為空，只是用來標識該node是一個interrupt controller而不是interrupt nexus（interrupt nexus需要在不同的interrupt domains之間進行翻譯，需要定義interrupt-map的屬性，本文不涉及這部分的內容）。#interrupt-cells 和#address-cells概念是類似的，也就是說，用多少個u32來標識一個interrupt source。我們可以看到，在具體HW block的interrupt定義中都是用了4個u32來表示，例如串口的中斷是這樣定義的：
interrupts = <1 0 4 28>, <1 1 4 28>;?（E） 從reg屬性可以serial controller寄存器地址從0x50000000 開始，長度為0x4000。對于一個能產生中斷的設備，必須定義interrupts這個屬性。也可以定義interrupt-parent這個屬性，如果不定義，則繼承其parent node的interrupt-parent屬性。 對于interrupt屬性值，各個interrupt controller定義是不一樣的，有的用3個u32表示，有的用4個。具體上面的各個數字的解釋權歸相關的interrupt controller所有。對于中斷屬性的具體值的描述我們會在device tree的第三份文檔－代碼分析中描述。
（F）這個node是描述GPIO控制的。這個節點定義了一個wakeup-interrupt-controller 的子節點，用來描述有喚醒功能的中斷源。
3、s3c2416.dtsi。位于linux-3.14\arch\arm\boot\dts目錄下，具體該文件的內容如下（有些內容省略了，領會精神即可，不需要描述每一個硬件定義的細節）：
#include "s3c24xx.dtsi"?
#include "s3c2416-pinctrl.dtsi"
/ {?
??? model = "Samsung S3C2416 SoC";??
??? compatible = "samsung,s3c2416"; －－－－－－－－－－－－－－－A
??? cpus { －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－B?
??????? #address-cells = <1>;?
??????? #size-cells = <0>;
??????? cpu {?
??????????? compatible = "arm,arm926ejs";?
??????? };?
??? };
??? interrupt-controller@4a000000 { －－－－－－－－－－－－－－－－－C?
??????? compatible = "samsung,s3c2416-irq";?
??? };
……
};
（A）在s3c24xx.dtsi文件中已經定義了compatible這個屬性，在s3c2416.dtsi中重復定義了這個屬性，一個node不可能有相同名字的屬性，具體如何處理就交給DTC了。經過反編譯，可以看出，DTC是丟棄掉了前一個定義。因此，到目前為止，compatible ＝ samsung,s3c2416。在s3c24xx.dtsi文件中定義了compatible的屬性值被覆蓋了。
（B）對于根節點，必須有一個cpus的child node來描述系統中的CPU信息。對于CPU的編址我們用一個u32整數就可以描述了，因此，對于cpus node，#address-cells 是1，而#size-cells是0。其實CPU的node可以定義很多屬性，例如TLB，cache、頻率信息什么的，不過對于ARM，這里只是定義了compatible屬性就OK了，arm926ejs包括了所有的processor相關的信息。
（C）s3c24xx.dtsi文件和s3c2416.dtsi中都有interrupt-controller@4a000000這個node，DTC會對這兩個node進行合并，最終編譯的結果如下：
interrupt-controller@4a000000 {?
??????? compatible = "samsung,s3c2416-irq";?
??????? reg = <0x4a000000 0x100>;?
??????? interrupt-controller;?
??????? #interrupt-cells = <0x4>;?
??????? linux,phandle = <0x1>;?
??????? phandle = <0x1>;?
??? };
4、s3c2416-pinctrl.dtsi
? 這個文件定義了pinctrl@56000000 這個節點的若干child node，主要用來描述GPIO的bank信息。
5、s3c2416-snail.dts
? 這個文件應該定義一些SOC之外的peripherals的定義。
四、Device Tree binary格式
1、DTB整體結構
經過Device Tree Compiler編譯，Device Tree source file變成了Device Tree Blob（又稱作flattened device tree）的格式。Device Tree Blob的數據組織如下圖所示：
2、DTB header。
對于DTB header，其各個成員解釋如下：
| header field name | description |
| magic | 用來識別DTB的。通過這個magic，kernel可以確定bootloader傳遞的參數block是一個DTB還是tag list。 |
| totalsize | DTB的total size |
| off_dt_struct | device tree structure block的offset |
| off_dt_strings | device tree strings block的offset |
| off_mem_rsvmap | offset to memory reserve map。有些系統，我們也許會保留一些memory有特殊用途（例如DTB或者initrd image），或者在有些DSP+ARM的SOC platform上，有寫memory被保留用于ARM和DSP進行信息交互。這些保留內存不會進入內存管理系統。 |
| version | 該DTB的版本。 |
| last_comp_version | 兼容版本信息 |
| boot_cpuid_phys | 我們在哪一個CPU（用ID標識）上booting |
| dt_strings_size | device tree strings block的size。和off_dt_strings一起確定了strings block在內存中的位置 |
| dt_struct_size | device tree structure block的size。和和off_dt_struct一起確定了device tree structure block在內存中的位置 |
3、 memory reserve map的格式描述
這個區域包括了若干的reserve memory描述符。每個reserve memory描述符是由address和size組成。其中address和size都是用U64來描述。
4、device tree structure block的格式描述
device tree structure block區域是由若干的分片組成，每個分片開始位置都是保存了token，以此來描述該分片的屬性和內容。共計有5種token：
（1）FDT_BEGIN_NODE (0x00000001)。該token描述了一個node的開始位置，緊挨著該token的就是node name（包括unit address）
（2）FDT_END_NODE (0x00000002)。該token描述了一個node的結束位置。
（3）FDT_PROP (0x00000003)。該token描述了一個property的開始位置，該token之后是兩個u32的數據，分別是length和name offset。length表示該property value data的size。name offset表示該屬性字符串在device tree strings block的偏移值。length和name offset之后就是長度為length具體的屬性值數據。
（4）FDT_NOP (0x00000004)。
（5）FDT_END (0x00000009)。該token標識了一個DTB的結束位置。
一個可能的DTB的結構如下：
（1）若干個FDT_NOP（可選）
（2）FDT_BEGIN_NODE
????????????? node name
????????????? paddings
（3）若干屬性定義。
（4）若干子節點定義。
（5）若干個FDT_NOP（可選）
（6）FDT_END
5、device tree strings bloc的格式描述
device tree strings bloc定義了各個node中使用的屬性的字符串表。由于很多屬性會出現在多個node中，因此，所有的屬性字符串組成了一個string block。這樣可以壓縮DTB的size。
原創文章，轉發請注明出處。蝸窩科技，www.wowotech.net。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Device Tree（二）：基本概念的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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