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不懂Linux Device Tree,被新人嘲笑之后,含泪写完

菜刀和小麦 小麦大叔 2022-08-22

1 前言

关于设备树,之前就已经接触过很久了,但是本着够用的原则,基本上都是看着文档CRUD,处于一种不求甚解的状态,没有进行全面性的总结,导致很多知识点都是比较碎片状,没有形成一个系统的知识网络,最近公司来了一个实习生,问了个关于设备树的问题,居然没答上来,此处省略一千字,

于是,为了尊严,工作多年的老咸鱼决定挪用一部分打篮球的时间,整理一下这方面的知识;


2 概念

2.1 什么是设备树 dts(device tree)?

设备树(Device Tree) 是描述计算机的特定硬件设备信息的数据结构,以便于操作系统的内核可以管理和使用这些硬件,包括CPU或CPU,内存,总线和其他一些外设。

设备树是通过Open Firmware项目从基于SPARC的工作站和服务器派生而来的。当前的Devicetree一般针对嵌入式系统,但仍然与某些服务器级系统一起使用(例如,Power Architecture Platform Reference所描述的系统)。

然而x86架构的个人计算机通常不使用设备树,而是依靠各种自动配置协议来识别硬件。使用设备树的系统通常将静态设备树(可能存储在ROM中)传递给操作系统,但也可以在引导的早期阶段生成设备树。

例如,U-Boot和kexec可以在启动新操作系统时传递设备树。一些系统使用的引导加载程序可能不支持设备树,但是可以与操作系统一起安装静态设备树,Linux内核支持这种方法。Device Tree规范目前由名为devicetree.org的社区管理,该社区与Linaro和Arm等相关联。

2.2 使用设备树的优势有哪些?

Linux内核从3.x版本之后开始支持使用设备树,这样做的意义重大,可以实现驱动代码与设备的硬件信息相互的隔离,减少了代码中的耦合性,在此之前,一些与硬件设备相关的具体信息都要写在驱动代码中,如果外设发生相应的变化,那么驱动代码就需要改动。
但是在引入了设备树之后,这种尴尬的情况找到了解决的办法,通过设备树对硬件信息的抽象,驱动代码只要负责处理逻辑,而关于设备的具体信息存放到设备树文件中,这样,如果只是硬件接口信息的变化而没有驱动逻辑的变化,开发者只需要修改设备树文件信息,不需要改写驱动代码。

3 简介

3.1 dts

硬件的相应信息都会写在.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,另外mips则在arch/mips/boot/dtspowerpcarch/powerpc/boot/dts

3.2 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includedts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。具体如下图所示;

3.3 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;

3.4 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;

4 基本框架

下图是一个设备树文件的基本架构;大概看了一下有点类似于XML文件,简单概括一下有这几个部分;

  • 根节点:\
  • 设备节点:nodex
    • 节点名称:图中node
    • 节点地址:node@0就是节点的地址;
    • 子节点:childnode
  • 属性:属性名称(Property name)和属性值(Property value)
  • 标签

具体如下图所示;

5 动手写

在简单了解概念之后,我们可以开始尝试写一个简单的设备树,从而加深对设备树整体架构以及部分语法的理解,因为整体知识面比价庞杂,无法面面俱到,本文旨在笔者学习之初对于设备树常用部分的总结与归纳。因为会涉及到很多硬件信息的绑定,详细的可以查阅Linux内核源码下的文档Documentation/devicetree/bindings。具体如下图所示;

设备树文档

硬件结构

1个双核ARM Cortex-A932位处理器;ARM本地总线上的内存映射区域分布有两个串口(分别位于0x101F10000x101F2000GPIO控制器(位于0x101F3000SPI控制器(位于0x10170000) 中断控制器(位于0x10140000) 外部总线桥上连接的设备如下:SMC SMC91111以太网(位于0x10100000I2C控制器(位于0x10160000) 64MB NOR Flash(位于0x30000000) 外部总线桥上连接的I2C控制器所对应的I2C总线上又连接了Maxim DS1338实时钟(I2C地址为0x58) 具体如下图所示;

设备树dts文件

那么,如何将上面的硬件结构,通过设备树语言描述成dts文件呢?具体我实现在下图,并且做出了详细的解释。其中需要注意的有以下几个属性:

  • compatitable:兼容性属性;
  • #address-cells,#size-cells:地址编码所采用的格式;
  • 节点名称@节点地址:例如gpio@101f3000,这里名称和地址要和实际的对应起来;
  • 标签:例如interrupt-parent = <&intc>;,这这里的intc就是一个标签(label),通过&可以获取它的值,这里可以简单的理解成一个变量,然后在下面需要对这个标签进行另外的解析,例如intc:interrupt-controller@10140000;所以,这两个地方的intc都是对应起来的。最后,具体的实现可以参考下图;

总结

由于Linux知识体系十分庞杂,作者能力有限,只介绍了其中一小部分,希望对您有所帮助,本文参考了《Linux设备驱动开发详解4.0内核》,petazzoni-device-tree-dummies,Kernel_Source_Documentation[1]

[1]

Kernel_Source_Documentation: https://elinux.org/Device_Tree_Reference#Kernel_Source_Documentation




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