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第三課:linux核心對裝置樹的處理

這一課是裝置樹中最重要的一課。
前面我們從核心文件瞭解到,對於裝置樹,它裡面描述的資訊可以分為這三部分:
Linux uses DT data for three major purposes:

  1. platform identification,
  2. runtime configuration, and
  3. device population.
    事實上,核心對裝置樹的處理,也會分為與其對應的三部分:
    對於platform identification,將在第02節_對裝置樹中平臺資訊的處理(選擇machine_desc)進行分析;
    對於runtime configuration,將在第03節_對裝置樹中執行時配置資訊的處理
    進行分析;
    對於device population,將在第04-06節進行分析;

第01節_從源頭分析_核心head.S對dtb的簡單處理

現在我們開始第一節,我們要從源頭分析,uboot將一些引數,裝置樹檔案傳給核心,那麼核心如何處理這些裝置樹檔案呢?
我們需要從核心的第一個執行檔案head.S開始分析。

r0,r1,r2三個暫存器的設定

bootloader啟動核心時,會設定r0,r1,r2三個暫存器,

r0一般設定為0;
r1一般設定為machine id (在使用裝置樹時該引數沒有被使用);
r2一般設定ATAGS或DTB的開始地址;

這裡的machine id,是讓核心知道是哪個CPU,從而呼叫對應的初始化函式。
以前沒有使用裝置樹時,需要bootloader傳一個machine id給核心,現在使用裝置樹的話,這個引數就不需要設定了。
r2要麼是以前的ATAGS開始地址,要麼是現在使用裝置樹後的DTB檔案開始地址。
對於ATAGS傳參方法, 可以參考我們的"畢業班視訊-自己寫bootloader"
從www.100ask.net下載頁面開啟百度網盤,
開啟如下目錄:
100ask分享的所有檔案
006_u-boot_核心_根檔案系統(新1期_2期間的銜接)
視訊
第002課_從0寫bootloader_更深刻理解bootloader

head.S的內容

核心head.S所做工作如下:
a. __lookup_processor_type : 使用匯編指令讀取CPU ID, 根據該ID找到對應的proc_info_list結構體(裡面含有這類CPU的初始化函式、資訊)
b. __vet_atags : 判斷是否存在可用的ATAGS或DTB
c. __create_page_tables : 建立頁表, 即建立虛擬地址和實體地址的對映關係
d. __enable_mmu : 使能MMU, 以後就要使用虛擬地址了
e. __mmap_switched : 上述函式裡將會呼叫__mmap_switched
f. 把bootloader傳入的r2引數, 儲存到變數__atags_pointer中
g. 呼叫C函式start_kernel

##最終效果
head.S和head-common.S最終效果:
把bootloader傳來的r1值, 賦給了C變數: __machine_arch_type
把bootloader傳來的r2值,

第02節_對裝置樹中平臺資訊的處理(選擇machine_desc)

這節講解核心對裝置樹中平臺裝置資訊是如何處理的。

核心是如何選擇對應的machine_desc?

前面講解到,一個編譯成uImage的核心映象檔案,可以支援多個單板,這裡假設支援smdk2410、smdk2440、jz2440(其中smdk2410、smdk2440是廠家的公板,國內的廠家參考公板設計出了自己的板子,比如jz2440)。

這些板子的配置稍有不同,需要做一些單獨的初始化,在核心裡面,對於這些單板,都構造了一個machine_desc結構體,裡面有.init和.nr
對於JZ2440,它源自smdk2440,核心沒有它的單獨檔案,它使用smdk2440的相關檔案,程式碼。
在上一節視訊裡面我們說過,以前uboot使用ATAGS給核心傳引數時,它會傳入一個機器ID,核心會使用這個機器ID找到最合適的machine_desc。即機器ID與machine_desc裡面的.nr比較,相等就表示找到了對應的machine_desc。
當我們的uboot不使用ATAGS傳引數,而使用DTB檔案時,那麼這時核心是如何選擇對應的machine_desc呢?
在裝置樹檔案的根節點裡,有如下兩行:

	model = "SMDK24440";
	compatible = "samsung,smdk2440""samsung,smdk24140""samsung,smdk24xx";

這裡的compatible屬性宣告想要什麼machine_desc,屬性值可以是一系列字串,依次與machine_desc匹配。
核心最好支援samsung,smdk2440,如果不支援,再嘗試是否支援samsung,smdk24140,再不支援,最後嘗試samsung,smdk24xx</code

  • 總結如下:
    a. 裝置樹根節點的compatible屬性列出了一系列的字串,
        表示它相容的單板名,從"最相容"到次之;

b. 核心中有多個machine_desc,
    其中有dt_compat成員, 它指向一個字串陣列, 裡面表示該machine_desc支援哪些單板;

c. 使用compatile屬性的值, 跟’’‘每一個machine_desc.dt_compat’’'比較,
    成績為"吻合的compatile屬性值的位置",
    成績越低越匹配, 對應的machine_desc即被選中

start_kernel的呼叫過程

上節視訊裡,head.S會把DTB的位置儲存在變數__atags_pointer裡,最後呼叫start_kernel
start_kernel的呼叫過程如下:

start_kernel // init/main.c
    setup_arch(&command_line);  // arch/arm/kernel/setup.c
        mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer);  // arch/arm/kernel/devtree.c
                    early_init_dt_verify(phys_to_virt(dt_phys)  // 判斷是否有效的dtb, drivers/of/ftd.c
                                    initial_boot_params = params;
                    mdesc = of_flat_dt_match_machine(mdesc_best, arch_get_next_mach);  // 找到最匹配的machine_desc, drivers/of/ftd.c
                                    while ((data = get_next_compat(&compat))) {
                                        score = of_flat_dt_match(dt_root, compat);
                                        if (score > 0 && score < best_score) {
                                            best_data = data;
                                            best_score = score;
                                        }
                                    }
                    
        machine_desc = mdesc;

第03節_對裝置樹中執行時配置資訊的處理

裝置樹只是起一個資訊傳遞的作用,對這些資訊配置的處理,也比較簡單,即從裝置樹的DTB檔案中,把這些裝置資訊提取出來賦給核心中的某個變數即可。

函式呼叫過程如下:

start_kernel // init/main.c
    setup_arch(&command_line);  // arch/arm/kernel/setup.c
        mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer);  // arch/arm/kernel/devtree.c
                    early_init_dt_scan_nodes();      // drivers/of/ftd.c
                        /* Retrieve various information from the /chosen node */
                        of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_chosen, boot_command_line);

                        /* Initialize {size,address}-cells info */
                        of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_root, NULL);

                        /* Setup memory, calling early_init_dt_add_memory_arch */
                        of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_memory, NULL);

裡面主要對三種類型的資訊進行處理,分別是:/chosen節點中 bootargs屬性,根節點的 #address-cells #size-cells屬性,/memory中的 reg屬性。

1./chosen節點中bootargs屬性就是核心啟動的命令列引數,它裡面可以指定根檔案系統在哪裡,第一個執行的應用程式是哪一個,指定核心的列印資訊從哪個裝置裡打印出來。

2./memory中的reg屬性指定了不同板子記憶體的大小和起始地址。

3.根節點的#address-cells和#size-cells屬性指定屬性引數的位數,比如指定前面memory中的reg屬性的地址是32位還是64位,大小是用一個32位表示,還是兩個32位表示。

  • 總結:
    a. /chosen節點中bootargs屬性的值, 存入全域性變數: boot_command_line
    b. 確定根節點的這2個屬性的值: #address-cells, #size-cells
         存入全域性變數: dt_root_addr_cells, dt_root_size_cells
    c. 解析/memory中的reg屬性, 提取出"base, size", 最終呼叫memblock_add(base, size);

第04節_dtb轉換為device_node(unflatten)

在講解之前,我們先想一個問題,我們的uboot把裝置樹DTB檔案隨便放到記憶體的某一個地方就可以使用,為什麼核心執行中,他不會去覆蓋DTB所佔用的那塊記憶體呢?
在前面我們講解裝置樹格式時,我們知道,在裝置樹檔案中,可以使用/memreserve/指定一塊記憶體,這塊記憶體就是保留的記憶體,核心不會佔用它。即使你沒有指定這塊記憶體,當我們核心啟動時,他也會把裝置樹所佔用的區域保留下來。
如下就是函式呼叫過程:

start_kernel // init/main.c
    setup_arch(&command_line);  // arch/arm/kernel/setup.c
        arm_memblock_init(mdesc);   // arch/arm/kernel/setup.c
            early_init_fdt_reserve_self();
                    /* Reserve the dtb region */
                    // 把DTB所佔區域保留下來, 即呼叫: memblock_reserve
                    early_init_dt_reserve_memory_arch(__pa(initial_boot_params),
                                      fdt_totalsize(initial_boot_params),
                                      0);           
            early_init_fdt_scan_reserved_mem();  // 根據dtb中的memreserve資訊, 呼叫memblock_reserve
            
        unflatten_device_tree();    // arch/arm/kernel/setup.c
            __unflatten_device_tree(initial_boot_params, NULL, &of_root,
                        early_init_dt_alloc_memory_arch, false);            // drivers/of/fdt.c
                
                /* First pass, scan for size */
                size = unflatten_dt_nodes(blob, NULL, dad, NULL);
                
                /* Allocate memory for the expanded device tree */
                mem = dt_alloc(size + 4, __alignof__(struct device_node));
                
                /* Second pass, do actual unflattening */
                unflatten_dt_nodes(blob, mem, dad, mynodes);
                    populate_node
                        np = unflatten_dt_alloc(mem, sizeof(struct device_node) + allocl,
                                    __alignof__(struct device_node));
                        
                        np->full_name = fn = ((char *)np) + sizeof(*np);
                        
                        populate_properties
                                pp = unflatten_dt_alloc(mem, sizeof(struct property),
                                            __alignof__(struct property));
                            
                                pp->name   = (char *)pname;
                                pp->length = sz;
                                pp->value  = (__be32 *)val;

可以看到,先把dtb中的memreserve資訊告訴核心,把這塊記憶體區域保留下來,不佔用它。

然後將扁平結構的裝置樹提取出來,構造成一個樹,這裡涉及兩個結構體:device_node結構體和property結構體。弄清楚這兩個結構體就大概明白這節視訊的主要內容了。

在dts檔案裡,每個大括號{ }代表一個節點,比如根節點裡有個大括號,對應一個device_node結構體;memory也有一個大括號,也對應一個device_node結構體。
節點裡面有各種屬性,也可能裡面還有子節點,所以它們還有一些父子關係。
根節點下的memory、chosen、led等節點是並列關係,兄弟關係。
對於父子關係、兄弟關係,在device_node結構體裡面肯定有成員來描述這些關係。

開啟include/linux/Of.h可以看到device_node結構體的定義如下:

struct device_node {
const char *name; // 來自節點中的name屬性, 如果沒有該屬性, 則設為"NULL"
const char *type; // 來自節點中的device_type屬性, 如果沒有該屬性, 則設為"NULL"
phandle phandle;
const char *full_name; // 節點的名字, node-name[@unit-address]
struct fwnode_handle fwnode;

        struct  property *properties;  // 節點的屬性
        struct  property *deadprops;    /* removed properties */
        struct  device_node *parent;   // 節點的父親
        struct  device_node *child;    // 節點的孩子(子節點)
        struct  device_node *sibling;  // 節點的兄弟(同級節點)
    #if defined(CONFIG_OF_KOBJ)
        struct  kobject kobj;
    #endif
        unsigned long _flags;
        void    *data;
    #if defined(CONFIG_SPARC)
        const char *path_component_name;
        unsigned int unique_id;
        struct of_irq_controller *irq_trans;
    #endif
    };
device_node結構體表示一個節點,property結構體表示節點的具體屬性。


properties結構體的定義如下:
```c
        struct property {
            char    *name;    // 屬性名字, 指向dtb檔案中的字串
            int length;       // 屬性值的長度
            void    *value;   // 屬性值, 指向dtb檔案中value所在位置, 資料仍以big endian儲存
            struct property *next;
        #if defined(CONFIG_OF_DYNAMIC) || defined(CONFIG_SPARC)
            unsigned long _flags;
        #endif
        #if defined(CONFIG_OF_PROMTREE)
            unsigned int unique_id;
        #endif
        #if defined(CONFIG_OF_KOBJ)
            struct bin_attribute attr;
        #endif
        };

兩個結構體與dts內容的對於關係如下:

具體的程式碼分析,參考視訊內容。

第05節_device_node轉換為platform_device

核心如何把device_node轉換成platfrom_device

兩個問題

a.那些device_node可以轉換為platform_device

/ {
	model = "SMDK24440";
	compatible = "samsung,smdk2440";

	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <1>;
	//記憶體裝置不會	
	[email protected]30000000 {
		device_type = "memory";
		reg =  <0x30000000 0x4000000>;
	};
/*
	cpus {
		cpu {
			compatible = "arm,arm926ej-s";
		};
	};
*/	//只是設定一些啟動資訊
	chosen {
		bootargs = "noinitrd root=/dev/mtdblock4 rw init=/linuxrc console=ttySAC0,115200";
	};

/*只有這個led裝置才對轉換成platfrom_device */	
	led {
		compatible = "jz2440_led";
		reg = <S3C2410_GPF(5) 1>;
	};
/************************************/
};
  • a. 核心函式of_platform_default_populate_init, 遍歷device_node樹, 生成platform_device
  • b. 並非所有的device_node都會轉換為platform_device只有以下的device_node會轉換:
    • b.1 該節點必須含有compatible屬性
    • b.2 根節點的子節點(節點必須含有compatible屬性)
    • b.3 含有特殊compatible屬性的節點的子節點(子節點必須含有compatible屬性):
      這些特殊的compatilbe屬性為: “simple-bus”,“simple-mfd”,“isa”,"arm,amba-bus "

根節點是例外的,生成platfrom_device時,即使有compatible屬性也不會處理

舉例
cpu可以訪問很多外設,spi控制器 I2c控制器,led

如何在裝置樹中描述這些硬體?
b.4 示例: 比如以下的節點,
/mytest會被轉換為platform_device,
因為它相容"simple-bus", 它的子節點/mytest/[email protected] 也會被轉換為platform_device

/i2c節點一般表示i2c控制器, 它會被轉換為platform_device, 在核心中有對應的platform_driver;

/i2c/at24c02節點不會被轉換為platform_device, 它被如何處理完全由父節點的platform_driver決定, 一般是被建立為一個i2c_client。

類似的也有/spi節點, 它一般也是用來表示SPI控制器, 它會被轉換為platform_device, 在核心中有對應的platform_driver;

/spi/[email protected]節點不會被轉換為platform_device, 它被如何處理完全由父節點的platform_driver決定, 一般是被建立為一個spi_device。

   / {
         mytest {
             compatile = "mytest", "simple-bus";
             [email protected]0 {
                   compatile = "mytest_0";
             };
         };
         
         i2c {
             compatile = "samsung,i2c";
             at24c02 {
                   compatile = "at24c02";                      
             };
         };

         spi {
             compatile = "samsung,spi";              
             [email protected]0 {
                   compatible = "winbond,w25q32dw";
                   spi-max-frequency = <25000000>;
                   reg = <0>;
                 };
         };
     };

b.怎麼轉換
函式呼叫過程:
a. 入口函式 of_platform_default_populate_init (drivers/of/platform.c) 被呼叫到過程:

裡面有段屬性,編譯核心段屬性的變數會被集中放在一起
vim arch/arm/kernel/vmlinux.lds

start_kernel     // init/main.c
    rest_init();
        pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
                    kernel_init
                        kernel_init_freeable();
                            do_basic_setup();
                                do_initcalls();
                                    for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++)
                                        do_initcall_level(level);  // 比如 do_initcall_level(3)
                                                                               for (fn = initcall_levels[3]; fn < initcall_levels[3+1]; fn++)
                                                                                    do_one_initcall(initcall_from_entry(fn));  // 就是呼叫"arch_initcall_sync(fn)"中定義的fn函式

b. of_platform_default_populate_init (drivers/of/platform.c) 生成platform_device的過程:
遍歷device樹
圖3

of_platform_default_populate_init
    of_platform_default_populate(NULL, NULL, NULL);
        of_platform_populate(NULL, of_default_bus_match_table, NULL, NULL)
            for_each_child_of_node(root, child) {
                rc = of_platform_bus_create(child, matches, lookup, parent, true);  // 呼叫過程看下面
                            dev = of_device_alloc(np, bus_id, parent);   // 根據device_node節點的屬性設定platform_device的resource
                if (rc) {
                    of_node_put(child);
                    break;
                }
            }
 

c. of_platform_bus_create(bus, matches, …)的呼叫過程(處理bus節點生成platform_devie, 並決定是否處理它的子節點):

        dev = of_platform_device_create_pdata(bus, bus_id, platform_data, parent);  // 生成bus節點的platform_device結構體
        if (!dev || !of_match_node(matches, bus))  // 如果bus節點的compatile屬性不吻合matches成表, 就不處理它的子節點
            return 0;

        for_each_child_of_node(bus, child) {    // 取出每一個子節點
            pr_debug("   create child: %pOF\n", child);
            rc = of_platform_bus_create(child, matches, lookup, &dev->dev, strict);   // 處理它的子節點, of_platform_bus_create是一個遞迴呼叫
            if (rc) {
                of_node_put(child);
                break;
            }
        }

d. I2C匯流排節點的處理過程:

/i2c節點一般表示i2c控制器, 它會被轉換為platform_device, 在核心中有對應的platform_driver;
platform_driver的probe函式中會呼叫i2c_add_numbered_adapter:

  i2c_add_numbered_adapter   // drivers/i2c/i2c-core-base.c
       __i2c_add_numbered_adapter
           i2c_register_adapter
               of_i2c_register_devices(adap);   // drivers/i2c/i2c-core-of.c
                   for_each_available_child_of_node(bus, node) {
                       client = of_i2c_register_device(adap, node);
                                       client = i2c_new_device(adap, &info);   // 裝置樹中的i2c子節點被轉換為i2c_clien

第06節_platform_device跟platform_driver的匹配

drivers/base/platform.c
a. 註冊 platform_driver 的過程:

platform_driver_register
    __platform_driver_register
        drv->driver.probe = platform_drv_probe;
        driver_register
            bus_add_driver
                klist_add_tail(&priv->knode_bus, &bus->p->klist_drivers);    // 把 platform_driver 放入 platform_bus_type 的driver連結串列中
                driver_attach
                    bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);  // 對於plarform_bus_type下的每一個裝置, 呼叫__driver_attach
                        __driver_attach
                            ret = driver_match_device(drv, dev);  // 判斷dev和drv是否匹配成功
                                        return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1;  // 呼叫 platform_bus_type.match
                            driver_probe_device(drv, dev);
                                        really_probe
                                            drv->probe  // platform_drv_probe
                                                platform_drv_probe
                                                    struct platform_driver *drv = to_platform_driver(_dev->driver);
                                                    drv->probe

b. 註冊 platform_device 的過程:

platform_device_register
    platform_device_add
        device_add
            bus_add_device
                klist_add_tail(&dev->p->knode_bus, &bus->p->klist_devices); // 把 platform_device 放入 platform_bus_type的device連結串列中
            bus_probe_device(dev);
                device_initial_probe
                    __device_attach
                        ret = bus_for_each_drv(dev->bus, NULL, &data, __device_attach_driver); // // 對於plarform_bus_type下的每一個driver, 呼叫 __device_attach_driver
                                    __device_attach_driver
                                        ret = driver_match_device(drv, dev);
                                                    return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1;  // 呼叫platform_bus_type.match
                                        driver_probe_device

匹配函式是platform_bus_type.match, 即platform_match,
匹配過程按優先順序羅列如下:

  • 比較 platform_dev.driver_override 和 platform_driver.drv->name
  • 比較 platform_dev.dev.of_node的compatible屬性 和 platform_driver.drv->of_match_table
  • 比較 platform_dev.name 和 platform_driver.id_table
  • 比較 platform_dev.name 和 platform_driver.drv->name
    有一個成功, 即匹配成功

第07節_核心中裝置樹的操作函式

include/linux/目錄下有很多of開頭的標頭檔案:
dtb -> device_node -> platform_device
a. 處理DTB
of_fdt.h // dtb檔案的相關操作函式, 我們一般用不到, 因為dtb檔案在核心中已經被轉換為device_node樹(它更易於使用)
b. 處理device_node

 of.h               // 提供裝置樹的一般處理函式, 比如 of_property_read_u32(讀取某個屬性的u32值), *of_get_child_count(獲取某個device_node的子節點數)
 of_address.h       // 地址相關的函式, 比如 of_get_address(獲得reg屬性中的addr, size值)
 of_match_device(從matches陣列中取出與當前裝置最匹配的一項)
 of_dma.h           // 裝置樹中DMA相關屬性的函式
 of_gpio.h          // GPIO相關的函式
 of_graph.h         // GPU相關驅動中用到的函式, 從裝置樹中獲得GPU資訊
 of_iommu.h         // 很少用到
 of_irq.h           // 中斷相關的函式
 of_mdio.h          // MDIO (Ethernet PHY) API
 of_net.h           // OF helpers for network devices. 
 of_pci.h           // PCI相關函式
 of_pdt.h           // 很少用到
 of_reserved_mem.h  // reserved_mem的相關函式

以中斷相關的作為例子
一個裝置可以發出中斷,必須包含中斷號和中斷觸發方式

官方裝置樹規格書裡面的裝置示例

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

裡面的屬性裡面有中斷值

通過

int of_irq_parse_one(struct device_node *device, int index,
			  struct of_phandle_args *out_irq);

解析某一對值,或者我們可以解析原始資料

int of_irq_parse_raw(const __be32 *addr, struct of_phandle_args *out_irq);

addr就指向了某一對值,把裡面的中斷號中斷觸發方式解析出來,儲存在of_phandle_args結構體中

c. 處理 platform_device
of_platform.h // 把device_node轉換為platform_device時用到的函式,

/* Platform drivers register/unregister */
extern struct platform_device *of_device_alloc(struct device_node *np,
					 const char *bus_id,
					 struct device *parent);

檔案涉及的函式在 device_node -> platform_device 中大量使用

 // 比如of_device_alloc(根據device_node分配設定platform_device), 
 //     of_find_device_by_node (根據device_node查詢到platform_device),
 //     of_platform_bus_probe (處理device_node及它的子節點)
 of_device.h        // 裝置相關的函式, 比如 of_match_device
可以通過of_match_device找出哪一項最匹配,

of檔案分為三類

  • 處理DTB
  • 處理device_node
  • 處理 platform_device 裝置相關資訊

第08節_在根檔案系統中檢視裝置樹(有助於除錯)

a. /sys/firmware/fdt // 檢視原始dtb檔案
hexdump -C /sys/firmware/fdt
b. /sys/firmware/devicetree // 以目錄結構程現的dtb檔案, 根節點對應base目錄, 每一個節點對應一個目錄, 每一個屬性對應一個檔案
比如檢視 #address-cells 的16進位制
hexdump -C “#address-cells”
檢視compatible

cat compatible

如果你在裝置樹裝置節點中設定一個錯誤的中斷屬性,那麼就導致led對應的平臺裝置節點沒辦法建立
c. /sys/devices/platform // 系統中所有的platform_device, 有來自裝置樹的, 也有來有.c檔案中註冊的

對於來自裝置樹的platform_device, 可以進入 /sys/devices/platform/<裝置名>/of_node 檢視它的裝置樹屬性

d. /proc/device-tree 是連結檔案, 指向 /sys/firmware/devicetree/base