一文搞定 Linux 设备树

设备树是一种描述硬件的数据结构,它起源于OpenFirmware(OF)。

在Linux 2.6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中,采用设备树后,许多硬件的细节可以直接通过它传递给Linux,而不再需要在内核中进行大量的冗余编码。

1. linux设备树中DTS、 DTC和DTB的关系

  • (1) DTS:.dts文件是设备树的源文件。由于一个SoC可能对应多个设备,这些.dst文件可能包含很多共同的部分,共同的部分一般被提炼为一个 .dtsi 文件,这个文件相当于C语言的头文件。
  • (2) DTC:DTC是将.dts编译为.dtb的工具,相当于gcc。
  • (3) DTB:.dtb文件是 .dts 被 DTC 编译后的二进制格式的设备树文件,它可以被linux内核解析。

2. DTS语法

2.1 .dtsi 头文件

和 C 语言一样,设备树也支持头文件,设备树的头文件扩展名为 .dtsi;同时也可以像C 语言一样包含 .h头文件;例如:(代码来源 linux-4.15/arch/arm/boot/dts/s3c2416.dtsi)

#include <dt-bindings/clock/s3c2443.h>
#include 's3c24xx.dtsi'

注:.dtsi 文件一般用于描述 SOC 的内部外设信息,比如 CPU 架构、主频、外设寄存器地址范围,比如 UART、 IIC 等等。

2.2 设备节点

在设备树中节点命名格式如下:

node-name@unit-address

node-name:是设备节点的名称,为ASCII字符串,节点名字应该能够清晰的描述出节点的功能,比如“uart1”就表示这个节点是UART1外设;unit-address:一般表示设备的地址或寄存器首地址,如果某个节点没有地址或者寄存器的话 “unit-address” 可以不要;注:根节点没有node-name 或者 unit-address,它被定义为 /。

设备节点的例子如下图:

在上图中:cpu 和 ethernet依靠不同的unit-address 分辨不同的CPU;可见,node-name相同的情况下,可以通过不同的unit-address定义不同的设备节点。

2.2.1 设备节点的标准属性

2.2.1.1 compatible 属性

compatible 属性也叫做 “兼容性” 属性,这是非常重要的一个属性!compatible 属性的值是一个字符串列表, compatible 属性用于将设备和驱动绑定起来。字符串列表用于选择设备所要使用的驱动程序。compatible 属性值的推荐格式:

'manufacturer,model'
  • ① manufacturer : 表示厂商;
  • ② model : 一般是模块对应的驱动名字。

例如:

compatible = 'fsl,mpc8641', 'ns16550';

上面的compatible有两个属性,分别是 'fsl,mpc8641' 和 'ns16550';其中 'fsl,mpc8641' 的厂商是 fsl;设备首先会使用第一个属性值在 Linux 内核里面查找,看看能不能找到与之匹配的驱动文件;

如果没找到,就使用第二个属性值查找,以此类推,直到查到到对应的驱动程序 或者 查找完整个 Linux 内核也没有对应的驱动程序为止。

注:一般驱动程序文件都会有一个 OF 匹配表,此 OF 匹配表保存着一些 compatible 值,如果设备节点的 compatible 属性值和 OF 匹配表中的任何一个值相等,那么就表示设备可以使用这个驱动。

2.2.1.2 model 属性

model 属性值也是一个字符串,一般 model 属性描述设备模块信息,比如名字什么的,例如:

model = 'Samsung S3C2416 SoC';

2.2.1.3 phandle 属性

phandle属性为devicetree中唯一的节点指定一个数字标识符,节点中的phandle属性,它的取值必须是唯一的(不要跟其他的phandle值一样),例如:

pic@10000000 {    phandle = <1>;    interrupt-controller;};another-device-node {    interrupt-parent = <1>;   // 使用phandle值为1来引用上述节点};

注:DTS中的大多数设备树将不包含显式的phandle属性,当DTS被编译成二进制DTB格式时,DTC工具会自动插入phandle属性。

2.2.1.4 status 属性

status 属性看名字就知道是和设备状态有关的, status 属性值也是字符串,字符串是设备的状态信息,可选的状态如下表所示:

status值 描述
“okay” 表明设备是可操作的。
“disabled” 表明设备当前是不可操作的,但是在未来可以变为可操作的,比如热插拔设备插入以后。至于 disabled 的具体含义还要看设备的绑定文档。
“fail” 表明设备不可操作,设备检测到了一系列的错误,而且设备也不大可能变得可操作。
“fail-sss” 含义和“fail”相同,后面的 sss 部分是检测到的错误内容

2.2.1.5 #address-cells 和 #size-cells

#address-cells 和 #size-cells的值都是无符号 32 位整型,可以用在任何拥有子节点的设备中,用于描述子节点的地址信息。#address-cells 属性值决定了子节点 reg 属性中地址信息所占用的字长(32 位), #size-cells 属性值决定了子节点 reg 属性中长度信息所占的字长(32 位)。#address-cells 和 #size-cells 表明了子节点应该如何编写 reg 属性值,一般 reg 属性都是和地址有关的内容,和地址相关的信息有两种:起始地址和地址长度,reg 属性的格式一为:

reg = <address1 length1 address2 length2 address3 length3……>

例如一个64位的处理器:

soc {    #address-cells = <2>;    #size-cells = <1>;    serial {        compatible = 'xxx';        reg = <0x4600 0x5000 0x100>;  /*地址信息是:0x00004600 00005000,长度信息是:0x100*/        };};

2.2.1.6 reg 属性

reg 属性的值一般是 (address, length) 对,reg 属性一般用于描述设备地址空间资源信息,一般都是某个外设的寄存器地址范围信息。

例如:一个设备有两个寄存器块,一个的地址是0x3000,占据32字节;另一个的地址是0xFE00,占据256字节,表示如下:

reg = <0x3000 0x20 0xFE00 0x100>;

注:上述对应#address-cells = <1>; #size-cells = <1>;。

2.2.1.7 ranges 属性

ranges属性值可以为空或者按照 (child-bus-address,parent-bus-address,length) 格式编写的数字矩阵, ranges 是一个地址映射/转换表, ranges 属性每个项目由子地址、父地址和地址空间长度这三部分组成:

  • child-bus-address:子总线地址空间的物理地址,由父节点的 #address-cells 确定此物理地址所占用的字长。
  • parent-bus-address:父总线地址空间的物理地址,同样由父节点的 #address-cells 确定此物理地址所占用的字长。
  • length:子地址空间的长度,由父节点的 #size-cells 确定此地址长度所占用的字长。
soc {    compatible = 'simple-bus';    #address-cells = <1>;    #size-cells = <1>;    ranges = <0x0 0xe0000000 0x00100000>;    serial {        device_type = 'serial';        compatible = 'ns16550';        reg = <0x4600 0x100>;        clock-frequency = <0>;        interrupts = <0xA 0x8>;        interrupt-parent = <&ipic>;        };};

节点 soc 定义的 ranges 属性,值为 <0x0 0xe0000000 0x00100000>,此属性值指定了一个 1024KB(0x00100000) 的地址范围,子地址空间的物理起始地址为 0x0,父地址空间的物理起始地址为 0xe0000000。

serial 是串口设备节点,

reg 属性定义了 serial 设备寄存器的起始地址为 0x4600,寄存器长度为 0x100。

经过地址转换, serial 设备可以从 0xe0004600 开始进行读写操作,0xe0004600=0x4600+0xe0000000。

2.2.1.8 name 属性

name 属性值为字符串, name 属性用于记录节点名字, name 属性已经被弃用,不推荐使用name 属性,一些老的设备树文件可能会使用此属性。

2.2.1.9 device_type 属性

device_type 属性值为字符串, IEEE 1275 会用到此属性,用于描述设备的 FCode,但是设备树没有 FCode,所以此属性也被抛弃了。此属性只能用于 cpu 节点或者 memory 节点。

memory@30000000 {
    device_type = 'memory';
    reg =  <0x30000000 0x4000000>;
};

2.2.2 根节点

每个设备树文件只有一个根节点,其他所有的设备节点都是它的子节点,它的路径是 /。根节点有以下属性:

属性 属性值类型 描述
#address-cells < u32 > 在它的子节点的reg属性中, 使用多少个u32整数来描述地址(address)
model < string > 用于标识系统板卡(例如smdk2440开发板),推荐的格式是“manufacturer,model-number”
compatible < stringlist > 定义一系列的字符串, 用来指定内核中哪个machinedesc可以支持本设备

例如:compatible = 'samsung,smdk2440','samsung,s3c24xx' ,内核会优先寻找支持smdk2440的machinedesc结构体,如果找不到才会继续寻找支持s3c24xx的machine_desc结构体(优先选择第一项,然后才是第二项,第三项……)

2.2.3 特殊节点

2.2.3.1 /aliases 子节点

aliases 节点的主要功能就是定义别名,定义别名的目的就是为了方便访问节点。

例如:定义 flexcan1 和 flexcan2 的别名是 can0 和 can1。

aliases {    can0 = &flexcan1;    can1 = &flexcan2;};

2.2.3.2 /memory 子节点

所有设备树都需要一个memory设备节点,它描述了系统的物理内存布局。如果系统有多个内存块,可以创建多个memory节点,或者可以在单个memory节点的reg属性中指定这些地址范围和内存空间大小。

例如:一个64位的系统有两块内存空间:RAM1:起始地址是0x0,地址空间是 0x80000000;RAM2:起始地址是0x10000000,地址空间也是0x80000000;同时根节点下的 #address-cells = <2>和#size-cells = <2>,这个memory节点描述为:

memory@0 {
    device_type = 'memory';
    reg = <0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000
           0x00000000 0x10000000 0x00000000 0x80000000>;
};

或者:

memory@0 {    device_type = 'memory';    reg = <0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000>;};memory@10000000 {    device_type = 'memory';    reg = <0x00000000 0x10000000 0x00000000 0x80000000>;};

2.2.3.3 /chosen 子节点

chosen 并不是一个真实的设备, chosen 节点主要是为了 uboot 向 Linux 内核传递数据,重点是 bootargs 参数。例如:

chosen {
    bootargs = 'root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.1 console=ttyS0,115200';
};

2.2.3.4 /cpus 和 /cpus/cpu* 子节点

cpus节点下有1个或多个cpu子节点, cpu子节点中用reg属性用来标明自己是哪一个cpu,所以 /cpus 中有以下2个属性:

#address-cells   // 在它的子节点的reg属性中, 使用多少个u32整数来描述地址(address)

#size-cells      // 在它的子节点的reg属性中, 使用多少个u32整数来描述大小(size)                 // 必须设置为0

例如:

cpus {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    cpu@0 {
        device_type = 'cpu';
        reg = <0>;
        cache-unified;
        cache-size = <0x8000>; // L1, 32KB
        cache-block-size = <32>;
        timebase-frequency = <82500000>; // 82.5 MHz
        next-level-cache = <&L2_0>; // phandle to L2
        L2_0:l2-cache {
            compatible = 'cache';
            cache-unified;
            cache-size = <0x40000>; // 256 KB
            cache-sets = <1024>;
            cache-block-size = <32>;
            cache-level = <2>;
            next-level-cache = <&L3>; // phandle to L3
            L3:l3-cache {
                compatible = 'cache';
                cache-unified;
                cache-size = <0x40000>; // 256 KB
                cache-sets = <0x400>; // 1024
                cache-block-size = <32>;
                cache-level = <3>;
                };
            };
        };
    cpu@1 {
        device_type = 'cpu';
        reg = <1>;
        cache-unified;
        cache-block-size = <32>;
        cache-size = <0x8000>; // L1, 32KB
        timebase-frequency = <82500000>; // 82.5 MHzclock-frequency = <825000000>; // 825 MHz
        cache-level = <2>;
        next-level-cache = <&L2_1>; // phandle to L2
        L2_1:l2-cache {
            compatible = 'cache';
            cache-unified;
            cache-size = <0x40000>; // 256 KB
            cache-sets = <0x400>; // 1024
            cache-line-size = <32>; // 32 bytes
            next-level-cache = <&L3>; // phandle to L3
            };
        };
};

2.2.3.5 引用其他节点

2.2.3.5.1 phandle

节点中的phandle属性, 它的取值必须是唯一的(不要跟其他的phandle值一样)

pic@10000000 {    phandle = <1>;    interrupt-controller;};

another-device-node {    interrupt-parent = <1>;   // 使用phandle值为1来引用上述节点};

2.2.3.5.2 label

PIC: pic@10000000 {
    interrupt-controller;
};

another-device-node {
    interrupt-parent = <&PIC>;   // 使用label来引用上述节点, 
                                 // 使用lable时实际上也是使用phandle来引用, 
                                 // 在编译dts文件为dtb文件时, 编译器dtc会在dtb中插入phandle属性
};

2.2.4 DTB格式

.dtb文件是 .dts 被 DTC 编译后的二进制格式的设备树文件,它的文件布局如下:

从上图可以看出,DTB文件主要包含四部分内容:struct ftdheader、memory reservation block、structure block、strings block;

  • ① struct ftdheader:用来表明各个分部的偏移地址,整个文件的大小,版本号等;
  • ② memory reservation block:在设备树中使用/memreserve/ 定义的保留内存信息;
  • ③ structure block:保存节点的信息,节点的结构;
  • ④ strings block:保存属性的名字,单独作为字符串保存;

struct ftd_header结构体的定义如下:

struct fdt_header {    uint32_t magic; /*它的值为0xd00dfeed,以大端模式保存*/    uint32_t totalsize; /*整个DTB文件的大小*/    uint32_t off_dt_struct; /*structure block的偏移地址*/    uint32_t off_dt_strings; /*strings block的偏移地址*/    uint32_t off_mem_rsvmap; /*memory reservation block的偏移地址*/    uint32_t version; /*设备树版本信息*/    uint32_t last_comp_version; /*向后兼容的最低设备树版本信息*/    uint32_t boot_cpuid_phys; /*CPU ID*/    uint32_t size_dt_strings; /*strings block的大小*/    uint32_t size_dt_struct; /*structure block的大小*/};

fdtreserveentry结构体如下:

struct fdt_reserve_entry {
    uint64_t address;  /*64bit 的地址*/
    uint64_t size;    /*保留的内存空间的大小*/
};

该结构体用于表示memreserve的起始地址和内存空间的大小,它紧跟在struct ftdheader结构体后面。

例如:/memreserve/ 0x33000000 0x10000,fdtreserve_entry 结构体的成员 address = 0x33000000,size = 0x10000。

structure block是用于描述设备树节点的结构,保存着节点的信息、节点的结构,它有5种标记类型:

  • ① FDTBEGINNODE (0x00000001):表示节点的开始,它的后面紧跟的是节点的名字;
  • ② FDTENDNODE (0x00000002):表示节点的结束;
  • ③ FDTPROP (0x00000003) :表示开始描述节点里面的一个属性,在FDTPROP后面紧跟一个结构体如下所示:
struct {    uint32_t len;       /*表示属性值的长度*/    uint32_t nameoff;   /*属性的名字在string block的偏移*/} 

注:上面的这个结构体后紧跟着是属性值,属性的名字保存在字符串块(Strings block)中。

  • ④ FDT_END (0x00000009):表示structure block的结束。

单个节点在structure block的存储格式如下图如所示:(注:子节点的存储格式也是一样)

总结:

  • (1) DTB文件可以分为四个部分:struct ftdheader、memory reservation block、structure block、strings block;
  • (2) 最开始的为struct ftdheader,包含其它三个部分的偏移地址;
  • (3) memory reservation block记录保留内存信息;
  • (4) structure block保存节点的信息,节点的结构;
  • (5) strings block保存属性的名字,将属性名字单独作为字符串保存;

2.2.5 DTB文件分析

编译生成dtb文件的源设备树jz2440.dts文件如下:

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * SAMSUNG SMDK2440 board device tree source
 *
 * Copyright (c) 2018 weidongshan@qq.com
 * dtc -I dtb -O dts -o jz2440.dts jz2440.dtb
 */

#define S3C2410_GPA(_nr)    ((0<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPB(_nr)    ((1<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPC(_nr)    ((2<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPD(_nr)    ((3<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPE(_nr)    ((4<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPF(_nr)    ((5<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPG(_nr)    ((6<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPH(_nr)    ((7<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPJ(_nr)    ((8<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPK(_nr)    ((9<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPL(_nr)    ((10<<16) + (_nr))
#define S3C2410_GPM(_nr)    ((11<<16) + (_nr))

/dts-v1/;

/ {
    model = 'SMDK2440';
    compatible = 'samsung,smdk2440';
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;

memory@30000000 {
        device_type = 'memory';
        reg =  <0x30000000 0x4000000>;
    };

chosen {
        bootargs = 'console=ttySAC0,115200 rw root=/dev/mtdblock4 rootfstype=yaffs2';
    };

led {
        compatible = 'jz2440_led';
        reg = <S3C2410_GPF(5) 1>;
    };
};

jz2440.dtb 文件的内容如下:

接下来我们对应上图的编号逐一分析,其中编号①~⑩表示的是fdtheader 结构体的成员信息:

  • ① 对应 magic,表示设备树魔数,固定为0xd00dfeed;
  • ② 对应 totalsize,表示整个设备设dtb文件的大小,从上图可知0x000001B9正好是dtb文件的大小441B;
  • ③ 对应 offdtstruct,表示structure block的偏移地址,为 0x00000038;
  • ④ 对应offdtstrings,表示 strings block的偏移地址,为 0x00000174;
  • ⑤ 对应 offmemrsvmap;,表示memory reservation block的偏移地址,为 0x00000028;
  • ⑥ 对应 version ,设备树版本的版本号为0x11;
  • ⑦ 对应 lastcompversion,向下兼容版本号0x10;
  • ⑧ 对应 bootcpuidphys,在多核处理器中用于启动的主cpu的物理id,为0x0;
  • ⑨ 对应 sizedtstrings,strings block的大小为 0x45;
  • ⑩ 对应 sizedtstruct,structure block的大小为 0x0000013C;
  • ⑪~⑫ 对应结构体 fdtreserve_entry ,它所在的地址为0x28,jz2440.dts 设备树文件没有设置 /memreserve/,所以address = 0x0,size = 0x0;
  • ⑬ 所处的地址是0x38,它处在structure block中,0x00000001表示的是设备节点的开始;
  • ⑭ 接着紧跟的是设备节点的名字,这里是根节点,所以为0x00000000;
  • ⑮ 0x00000003 表示的是开始描述设备节点的一个属性;
  • ⑯ 表示这个属性值的长度为0x09;
  • ⑰ 表示这个属性的名字在strings block的偏移量是0,找到strings block的地址0x0174的地方,可知这个属性的名字是model;
  • ⑱ 这个model属性的值是'SMDK2440',加上字符串的结束符NULL,刚好9个字节;

2.2.6 DTB文件结构图

(1) dtb 文件的结构图如下:

Linux设备树语法规范 (2) 设备节点的结构图如下:

作者:疯狂写Bug 侵权删

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