Linux设备树详解(一) 基础知识

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Linux设备树详解(一) 基础知识

关于设备树，之前就经过详细的系统培训，但是本着会用就行的原则，对各个知识点都没有进行系统的总结。都是用到哪里学哪里，时间长了，基本也忘记了。所以对于后期知识各个知识点进行总结，本章主要讨论一下内容，能看懂和修改对应模块的dts文件。

dts的引入

dts的基本语法和基本格式介绍

dts的组成，各个模块使用方法

1. dts为何物

在传统Linux内核中，ARM架构的板极硬件细节过多地被硬编码在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx，比如板上的platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各种硬件的platform_data，这些板级细节代码对内核来讲只不过是垃圾代码。而采用Device Tree后，许多硬件的细节可以直接透过它传递给Linux，而不再需要在kernel中进行大量的冗余编码。导致ARM的merge工作量较大，其次ARM很多的代码都是垃圾，代码里面有若干愚蠢的table，而多个人在维护这个table，从而导致了冲突。最后linux发出

Gaah.Guys, this whole ARM thing is a f*cking pain in the ass.

之后经过一些讨论，对ARM平台的相关code做出如下相关规范调整，这个也正是引入DTS的原因。

1、ARM的核心代码仍然保存在arch/arm目录下 2、ARM SoC core architecture code保存在arch/arm目录下 3、ARM SOC的周边外设模块的驱动保存在drivers目录下 4、ARM SOC的特定代码在arch/arm/mach-xxx目录下 5、ARM SOC board specific的代码被移除，由DeviceTree机制来负责传递硬件拓扑和硬件资源信。

本质上，Device Tree改变了原来用code方式将HW配置信嵌入到内核代码的方法，改用bootloader传递一个DB的形式。对于嵌入式系统，在系统启动阶段，bootloader会加载内核并将控制权转交给内核，此外，还需要把上述的三个参数信传递给kernel，以便kernel可以有较大的灵活性。在linux kernel中，Device Tree的设计目标就是如此。 在devie tree中，可描述的信包括：

1、CPU的数量和类别 2、内存基地址和大小 3、总线和桥 4、外设连接 5、中断控制器和中断的使用情况 6、GPIO控制器和GPIO使用情况 7、clock控制器和clock使用情况

它基本就是一棵电路板上的CPU、总线、设备组成的树，Bootloader会将这棵树传递给内核，然后内核来识别这棵树，并根据它展开出Linux内核中的platform_device、i2c_client、spi_device等设备，而这些设备用到的内存、IRQ等资源，也被传递给内核，内核会将这些资源绑定给展开的相应设备

2. DTS基本知识 2.1 dts

硬件的相应信都会写在.dts为后缀的文件中，每一款硬件可以单独写一份xxxx.dts，一般在Linux源码中存在大量的dts文件，对于arm架构可以在arch/arm/boot/dts找到相应的dts，一个dts文件对应一个ARM的machie。

2.2 dtsi

值得一提的是，对于一些相同的dts配置可以抽象到dtsi文件中，然后类似于C语言的方式可以include到dts文件中，对于同一个节点的设置情况，dts中的配置会覆盖dtsi中的配置。

2.3 dtc

dtc是编译dts的工具，可以在Ubuntu系统上通过指令apt-get install device-tree-compiler安装dtc工具，不过在内核源码scripts/dtc路径下已经包含了dtc工具；

2.4 dtb

dtb(Device Tree Blob)，dts经过dtc编译之后会得到dtb文件，dtb通过Bootloader引导程序加载到内核。所以Bootloader需要支持设备树才行；Kernel也需要加入设备树的支持；

3. DTS结构 /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 = <1>; a-string-property = "Hello, world"; }; child-node2 { }; }; node2 { an-empty-property; a-cell-property = <1 2 3 4>; /* each number (cell) is a uint32 */ child-node1 { }; }; };

device tree的基本单元是node。这些node被组织成树状结构，除了root node，每个node都只有一个parent。一个device tree文件中只能有一个root node。每个node中包含了若干的property/value来描述该node的一些特性。每个node用节点名字（node name）标识，节点名字的格式是node-name@unit-address。如果该node没有reg属性（后面会描述这个property），那么该节点名字中必须不能包括@和unit-address。unit-address的具体格式是和设备挂在那个bus上相关。例如对于cpu，其unit-address就是从0开始编址，以此加一。而具体的设备，例如以太网控制器，其unit-address就是寄存器地址。root node的node name是确定的，必须是“/”。 也就是说设备树源文件的结构为

• 1个root节点”/”;
• root节点下面含一系列子节点，“node1” and “node2”
• 节点node1和下又含有一系列子节点，“child-node1” and “child-node2”
• 各个节点都有一系列属性
  • 这些属性可能为空，如an-empty-property
  • 可能为字符串，如a-string-property
  • 可能为字符串树组，如a-string-list-property
  • 可能为Cells（由u32整数组成），如second-child-property

4 DTS语法介绍

了解了基本的device tree的结构后，我们总要把这些结构体现在device tree source code上来。在linux kernel中，扩展名是dts的文件就是描述硬件信的device tree source file，在dts文件中，一个node被定义成：

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

“[]”表示option，因此可以定义一个只有node name的空节点，label方便在dts文件中引用 基本数据类型：

• text string（以null结束），以双引号括起来，如：
  • string-property = “a string”
• cells 是32位无符号整形数，以尖括号括起来，如
  • cell-property = <0xbeef 123 0xabcd1234>
• binary data 以方括号括起来，如：
  • binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67];
• 不同类型数据可以在同一个属性中存在，以逗号分格，如：
  • mixed-property = “a string”, [0x01 0x23 0x45 0x67], <0x12345678>;
• 多个字符串组成的列表也使用逗号分格，如：
  • string-list = “red fish”,“blue fish”;

5 dts的组成 5.1 标准属性 5.1.1 compatible

每一个dts文件都是由一个root的根节点组成，内核通过根节点“/”的兼容性即可判断它启动的是什么设备，其代码结构如下

/ { model = "Spreadtrum SC9830A-5 V1.0.0 Smartphone Board"; compatible = "sprd,sp9830a-5h10-ga1", "sprd,sc9830"; chosen { bootargs = "earlycon=sprd_serial,0x70100000,115200n8 loglevel=8 console=ttyS1,115200n8 init=/init root=/dev/ram0 rw androidboot.hardware=sc9830"; linux,initrd-start = <0x85500000>; linux,initrd-end = <0x855a3212>; }; };

model属性值是，它指定制造商的设备型号。推荐的格式是：“manufacturer，model”，其中manufacturer是一个字符串描述 制造商的名称，而型号指定型号。

compatible属性值是,指定了系统的名称，是一个字符串列表，它包含了一个“<制造商>,<型号>”形式的字符串。重要的是要指定一个确切的设备，并且包括制造商的名字，以避免命名空间冲突。

chosen 节点不代表一个真正的设备，但功能与在固件和操作系统间传递数据的地点一样，如根参数，取代以前bootloader的启动参数，控制台的输入输出参数等

5.1.2 #address-cells和#size-cells

• #address-cells = <1>: 基地址、片选号等绝对起始地址所占字长，单位uint32
• #size-cells = <1>: 长度所占字长，单位uint32

soc { #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; serial { compatible = "ns16550"; reg = <0x4600 0x100>; clock-frequency = <0>; interrupts = <0xA 0x8>; interrupt-parent = <&ipic>; }; }; 5.1.3 CPU addressing

在讨论寻址时，CPU节点代表了最简单的情况。 每个CPU都分配有一个唯一的ID，并且没有与CPU ID相关联的大小。

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

在cpus节点，#address-cells被设置成了1，#size-cells被设置成了0。这是说子reg值是单独的uint32，它用无大小字段表示地址。在此情况下，这两个cpu分配到的地址为0和1。Cpu节点的#size-cells是0因为每个cpu只分配到了一个单独的地址。 你仍然需要注意reg值班需要与节点名的值相匹配。按照惯例，如果一个节点有一个reg属性，那么这个节点名称必须包括unit-address,这是reg属性的第一个address值。

5.1.4 Memory Mapped Devices

与在cpu节点中单独的address值不同，内存映射设备被分配了一系列将要响应的地址，因此不仅需要包含内存的基地址而且还需要映射地址的长度，因此需要使用#size-cells用来表示在每个子reg元组中长度字段的大小。在以下示例中，每个address值为1 cell(32 bits),每个长度值也是1 cell,这在32 bit系统是比较典型的。64 bit设备也许会为#address-cells和#size-cells使用数值2，在device tree中获取64 bit addressing。

/dts-v1/; / { #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; ... serial@101f0000 { compatible = "arm,pl011"; reg = <0x101f0000 0x1000 >; }; serial@101f2000 { compatible = "arm,pl011"; reg = <0x101f2000 0x1000 >; }; gpio@101f3000 { compatible = "arm,pl061"; reg = <0x101f3000 0x1000 0x101f4000 0x0010>; }; interrupt-controller@10140000 { compatible = "arm,pl190"; reg = <0x10140000 0x1000 >; }; spi@10115000 { compatible = "arm,pl022"; reg = <0x10115000 0x1000 >; }; ... }; 5.1.5 Non Memory Mapped Devices

处理器总线的其它设备为非内存映射设备。他们有地址范围，但不能被CPU直接寻址。母设备的驱动程序将代替CPU进行间接访问。以i2c设备为例，每个设备都分配了一个地址，但没有长度或范围与之相匹配。这与CPU地址分配很相似。

i2c@1,0 { compatible = "acme,a1234-i2c-bus"; #address-cells = <1>; #size-cells = <0>; reg = <1 0 0x1000>; rtc@58 { compatible = "maxim,ds1338"; reg = <58>; }; }; 5.1.6 Ranges (Address Translation)

我们已经讨论过如何向设备分配地址，但此时这些地址只是本地设备节点，还没有说明如何从那些地址里映射到cpu可以使用的地址。根节点经常描述地址空间的CPU视图。根节点的子节点已经使用了CPU的address domain，所以不需要任何明确的映射。例如，serial@101f0000设备被直接分配了地址0x101f0000。 根节点的非直接子节点是无法使用CPU的address domain的。为了在deivce tree获取内存映射地址必须指定如何从一个域名将地址转换到另一个。Ranges属性就用于此目的。以下是添加了ranges属性的device tree示例。

/dts-v1/; / { compatible = "acme,coyotes-revenge"; #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; ... external-bus { #address-cells = <2> #size-cells = <1>; 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 = <0 0 0x1000>; }; i2c@1,0 { compatible = "acme,a1234-i2c-bus"; #address-cells = <1>; #size-cells = <0>; reg = <1 0 0x1000>; rtc@58 { compatible = "maxim,ds1338"; reg = <58>; }; }; flash@2,0 { compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash"; reg = <2 0 0x4000000>; }; }; };

Ranges是一个地址转换列表。每个输入ranges表格的是包含子地址的元组，母地址和子地址空间的范围大小。每个字段的大小都由获取的子地址的#address-cells值，母地址的#address-cell值和子地址的#size-cells值而定。以外部总线为例，子地址是2 cells，母地址是1 cell,大小也为1 cell。转换三个ranges：

• 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

例如上面的总线是有片选的，就需要描述片选及片选的偏移量，在说明地址时，还需要说明地址映射范围

5.1.7 status

device tree中的status标识了设备的状态，使用status可以去禁止设备或者启用设备，看下设备树规范中的status可选值

valueDescription

“okay”	表示设备正在运行
“disabled”	表示该设备目前尚未运行，但将来可能会运行
“fail”	表示设备无法运行。 在设备中检测到严重错误，确实如此没有修理就不可能投入运营
“fail-sss”	表示设备无法运行。 在设备中检测到严重错误，它是没有修理就不可能投入运营。 值的sss部分特定于设备并指示检测到的错误情况

5.2 中断映射

与遵循树的自然结构而进行的地址转换不同，机器上的任何设备都可以发起和终止中断信号。另外地址的编址也不同于中断信号，前者是设备树的自然表示，而后者者表现为独立于设备树结构的节点之间的链接。 下图显示了设备的自然结构以及每个节点在逻辑中断树中的位置。 上图包括以下部分：

• open-pic中断控制器是中断树的根
• 中断树根有三个子设备，它们将中断直接路由到open-pic
  • device1
  • PCI host controller
  • GPIO Controller
• 存在三个中断域; 一个以开放式pic节点为根，一个在PCI主桥节点，一个在GPIO Controller节点上
• 有两个nexus节点; 一个位于PCI主桥，一个位于GPIO控制器。

属性属性值描述

#interrupts	prop-encoded-array	一个设备节点属性，该属性主要描述了中断的HW interrupt ID以及类型
#interrupt-parent	phandle	该属性主要描述了该设备的interrupt request line连接到哪一个interrupt controller，那些没有 interrupt-parent 的节点则从它们的父节点中继承该属性
#interrupts-extended	phandle prop-encoded-array	列出了设备生成的中断,当设备连接到多个中断控制器
#interrupt-cells	u32	这是中断控制器节点的属性，用来标识这个控制器需要几个单位做中断描述符（类似于 #address-cells 和 #size-cells）,则子节点的interrupts一个cell三个32bits整型值： <中断域 中断 触发方式>
#interrupt-controller	empty	一个空属性用来声明这个node接收中断信号

下面显示了具有PCI总线控制器和采样中断的设备片段

soc { compatible = "simple-bus"; #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; open-pic { clock-frequency = <0>; interrupt-controller; #address-cells = <0>; #interrupt-cells = <2>; }; pci { #interrupt-cells = <1>; #size-cells = <2>; #address-cells = <3>; interrupt-map-mask = <0xf800 0 0 7>; interrupt-map = < / * IDSEL 0x11 - PCI slot 1* / 0x8800 0 0 1 &open-pic 2 1 / * INTA* / 0x8800 0 0 2 &open-pic 3 1 / * INTB* / 0x8800 0 0 3 &open-pic 4 1 / * INTC* / 0x8800 0 0 4 &open-pic 1 1 / * INTD* / / * IDSEL 0x12 - PCI slot 2* / 0x9000 0 0 1 &open-pic 3 1 / * INTA* / 0x9000 0 0 2 &open-pic 4 1 / * INTB* / 0x9000 0 0 3 &open-pic 1 1 / * INTC* / 0x9000 0 0 4 &open-pic 2 1 / * INTD* / >; }; }; 5.3 特殊节点

aliases节点为了解决节点路径名过长的问题，引入了节点别名的概念，可以引用到一个全路径的节点。如/external-bus/ethernet@0,0，但当用户想知道具体内容的时候显得太累赘，“哪个设备是eth0？”

aliases { ethernet0 = &eth0; serial0 = &serial0; };

当为设备分配一个标识符的时候，操作系统更倾向于使用aliases

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