linux裝置樹dts移植詳解

阿新 • • 發佈：2019-01-15

摘要：裝置樹的引入減少了核心為支援新硬體而需要的改變，提高程式碼重用，加速了Linux
支援包的開發，使得單個核心映象能支援多個系統。作為U-Boot 和Linux 核心之間的動態
介面，本文闡述了裝置樹的資料儲存格式以及原始碼描述語法，進而分析了U-Boot 對扁平設
備樹的支援設定，Linux 核心對裝置樹的解析流程。
關鍵詞：扁平裝置樹; DTS; PowerPC; Linux
IBM、Sun 等廠家的伺服器最初都採用了Firmware（一種嵌入到硬體裝置中的程式，用
於提供軟體和硬體之間的介面），用於初始化系統配置，提供作業系統軟體和硬體之間的接
口，啟動和執行系統。後來為了標準化和相容性，IBM、Sun 等聯合推出了韌體介面IEEE 1275

標準，讓他們的伺服器如IBM PowerPC pSeries，Apple PowerPC，Sun SPARC 等均採用Open
Firmware，在執行時構建系統硬體的裝置樹資訊傳遞給核心，進行系統的啟動執行[1]。這樣
做的好處有，減少核心對系統硬體的嚴重依賴，利於加速支援包的開發，降低硬體帶來的變
化需求和成本，降低對核心設計和編譯的要求。
隨著 Linux/ppc64 核心的發展，核心程式碼從原來的arch/ppc32 和arch/ppc64 逐漸遷移到
統一的arch/powerpc 目錄，並在核心程式碼引入Open Firmware API 以使用標準韌體介面[2]。
Linux 核心在執行時，需要知道硬體的一些相關資訊。對於使用ARCH=powerpc 引數編譯的

核心映象，這個資訊需要基於Open Firmware 規範，以裝置樹的形式存在[3]。這樣核心在啟
動時讀取掃描Open Firmware 提供的裝置樹，從而獲得平臺的硬體裝置資訊，搜尋匹配的設
備驅動程式並將該驅動程式繫結到裝置。
在嵌入式 PowerPC 中，一般使用U-Boot 之類的系統引導程式碼，而不採用Open Firmware。
早期的U-Boot 使用include/asm-ppc/u-boot.h 中的靜態資料結構struct bd_t 將板子基本資訊傳
遞給核心，其餘的由核心處理。這樣的介面不夠靈活，硬體發生變化就需要重新定製編譯燒
寫引導程式碼和核心，而且也不再適應於現在的核心。為了適應核心的發展及嵌入式PowerPC

平臺的千變萬化，吸收標準Open Firmware 的優點，U-Boot 引入了扁平裝置樹FDT 這樣的
動態介面，使用一個單獨的FDT blob（二進位制大物件，是一個可以儲存二進位制檔案的容器）
儲存傳遞給核心的引數[3]。一些確定資訊，例如cache 大小、中斷路由等直接由裝置樹提供，
而其他的資訊，例如eTSEC 的MAC 地址、頻率、PCI 匯流排數目等由U-Boot 在執行時修改。
U-Boot 使用扁平裝置樹取代了bd_t，而且也不再保證對bd_t 的後向相容。
2 裝置樹概念
簡單的說，裝置樹是一種描述硬體配置的樹形資料結構，有且僅有一個根節點[4]。它包
含了有關CPU、實體記憶體、匯流排、串列埠、PHY 以及其他外圍裝置資訊等。該樹繼承了Open
Firmware IEEE 1275 裝置樹的定義。作業系統能夠在啟動時對此結構進行語法分析，以此配
置核心，載入相應的驅動。
3 裝置樹儲存格式
U-Boot 需要將裝置樹在記憶體中的儲存地址傳給核心。該樹主要由三大部分組成：頭
（Header）、結構塊（Structure block）、字串塊（Strings block）。裝置樹在記憶體中的存
儲佈局圖1 如下：
圖1 裝置樹儲存格式圖
Fig1 The layout of a DT block
3.1 頭（header）
頭主要描述裝置樹的基本資訊，如裝置樹魔數標誌、裝置樹塊大小、結構塊的偏移地址
等，其具體結構boot_param_header 如下。這個結構中的值都是以大端模式表示，並且偏移
地址是相對於裝置樹頭的起始地址計算的。
3.2 結構塊（structure block）
扁平裝置樹結構塊是線性化的樹形結構，和字串塊一起組成了裝置樹的主體，以節點
形式儲存目標板的裝置資訊。在結構塊中，節點起始標誌為常值巨集OF_DT_BEGIN_NODE，
節點結束標誌為巨集OF_DT_END_NODE；子節點定義在節點結束標誌前。一個節點可以概
括為以OF_DT_BEGIN_NODE 開始，包括節點路徑、屬性列表、子節點列表，最後以
OF_DT_END_NODE 結束的序列，每一個子節點自身也是類似的結構。
3.3 字串塊（Strings block）
為了節省空間，將一些屬性名，尤其是那些重複冗餘出現的屬性名，提取出來單獨存放
到字串塊。這個塊中包含了很多有結束標誌的屬性名字串。在裝置樹的結構塊中儲存了
這些字串的偏移地址，這樣可以很容易地查詢到屬性名字串。字串塊的引入節省了嵌
入式系統較為緊張的儲存空間。
4 裝置樹原始碼DTS 表示
裝置樹原始碼檔案（.dts）以可讀可編輯的文字形式描述系統硬體配置裝置樹，支援C/C++
方式的註釋，該結構有一個唯一的根節點“/”，每個節點都有自己的名字並可以包含多個
子節點。裝置樹的資料格式遵循了Open Firmware IEEE standard 1275。本文只簡述裝置樹的
資料佈局及語法，Linux 板級支援包開發者應該詳細參考IEEE 1275 標準[5]及其他文獻[2] [4]。
為了說明，首先給出基於PowerPC MPC8349E 處理器的最小系統的裝置樹原始碼示例。
可以看到，這個裝置樹中有很多節點，每個節點都指定了節點單元名稱。每一個屬性後面都
給出相應的值。以雙引號引出的內容為ASCII 字串，以尖括號給出的是32 位的16 進位制
值。這個樹結構是啟動Linux 核心所需節點和屬性簡化後的集合，包括了根節點的基本模式
資訊、CPU 和實體記憶體佈局，它還包括通過/chosen 節點傳遞給核心的命令列引數資訊。
/ {
model = "MPC8349EMITX";
compatible = "MPC8349EMITX", "MPC834xMITX", "MPC83xxMITX";
#address-cells = <1>; /* 32bit address */
#size-cells = <1>; /* 4GB size */
cpus {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
PowerPC,[email protected] {
device_type = "cpu";
reg = <0>;
d-cache-line-size = <20>; /* 32 Bytes */
i-cache-line-size = <20>;
d-cache-size = <8000>; /* L1 dcache, 32K */
i-cache-size = <8000>;
timebase-frequency = <0>; /* from bootloader */
bus-frequency = <0>;
clock-frequency = <0>;
};
};
memory {
device_type = "memory";
reg = <00000000 10000000>; /* 256MB */
};
chosen {
name = "chosen";
bootargs = "root=/dev/ram rw console=ttyS0,115200";
linux,stdout-path = "/[email protected]/[email protected]";
};
};
4.1 根節點
裝置樹的起始點稱之為根節點"/"。屬性model 指明瞭目標板平臺或模組的名稱，屬性
compatible 值指明和目標板為同一系列的相容的開發板名稱。對於大多數32 位平臺，屬性
#address-cells 和#size-cells 的值一般為1。
4.2 CPU 節點
/cpus 節點是根節點的子節點，對於系統中的每一個CPU，都有相應的節點。/cpus 節點
沒有必須指明的屬性，但指明#address-cells = <1>和 #size-cells = <0>是個好習慣，這同時指
明瞭每個CPU 節點的reg 屬性格式，方便為物理CPU 編號。
此節點應包含板上每個CPU 的屬性。CPU 名稱一般寫作PowerPC,<name>，例如
Freescale 會使用PowerPC,8349 來描述本文的MPC8349E 處理器。CPU 節點的單元名應該是
[email protected] 的格式，此節點一般要指定device_type（固定為"cpu"），一級資料/指令快取的表項
大小，一級資料/指令快取的大小，核心、匯流排時鐘頻率等。在上面的示例中通過系統引導
程式碼動態填寫時鐘頻率相關項。
4.3 系統記憶體節點
此節點用於描述目標板上實體記憶體範圍，一般稱作/memory 節點，可以有一個或多個。
當有多個節點時，需要後跟單元地址予以區分；只有一個單元地址時，可以不寫單元地址，
預設為0。
此節點包含板上實體記憶體的屬性，一般要指定device_type（固定為"memory"）和reg
屬性。其中reg 的屬性值以<起始地址空間大小>的形式給出，如上示例中目標板記憶體起始
地址為0，大小為256M 位元組。
4.4 /chosen 節點
這個節點有一點特殊。通常，這裡由Open Firmware 存放可變的環境資訊，例如引數，
預設輸入輸出裝置。
這個節點中一般指定bootargs 及linux,stdout-path 屬性值。bootargs 屬性設定為傳遞給內
核命令列的引數字串。linux,stdout-path 常常為標準終端裝置的節點路徑名，核心會以此作
為預設終端。
U-Boot 在1.3.0 版本後添加了對扁平裝置樹FDT 的支援，U-Boot 載入Linux 核心、
Ramdisk 檔案系統（如果使用的話）和裝置樹二進位制映象到實體記憶體之後，在啟動執行Linux
核心之前，它會修改裝置樹二進位制檔案。它會填充必要的資訊到裝置樹中，例如MAC 地址、
PCI 匯流排數目等。U-Boot 也會填寫裝置樹檔案中的“/chosen”節點，包含了諸如串列埠、根
裝置（Ramdisk、硬碟或NFS 啟動）等相關資訊。
4.5 片上系統SOC 節點
此節點用來描述片上系統SOC，如果處理器是SOC，則此節點必須存在。頂級SOC 節
點包含的資訊對此SOC 上的所有裝置可見。節點名應該包含此SOC 的單元地址，即此SOC
記憶體對映暫存器的基址。SOC 節點名以/soc<SOCname>的形式命名，例如MPC8349 的SOC
節點是"soc8349"。
在屬性中應該指定device_type（固定為"soc"）、ranges、bus-frequency 等屬性。ranges
屬性值以<bus_addr parent_bus_addr size>的形式指定。SOC 節點還包含目標板使用的每個
SOC 裝置子節點，應該在裝置樹中儘可能詳細地描述此SOC 上的外圍裝置。如下給出帶有
看門狗裝置的SOC 節點DTS 示例。
[email protected] {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
device_type = "soc";
compatible = "simple-bus";
ranges = <0 e0000000 100000>; /* size 1MB */
reg = <e0000000 00000200>;
bus-frequency = <0>; /* from bootloader */
{
device_type = "watchdog";
compatible = "mpc83xx_wdt";
reg = <200 100>; /* offset: 0x200 */
};
};
4.6 其他裝置節點
分級節點用來描述系統上的匯流排和裝置，類似物理匯流排拓撲，能很方便的描述裝置間的
關係。對於系統上的每個匯流排和裝置，在裝置樹中都有其節點。對於這些裝置屬性的描述和
定義請詳細參考IEEE 1275 標準及本文參考文獻[2]。
裝置樹的中斷系統稍顯複雜，裝置節點利用interrupt-parent 和interrupts 屬性描述到中
斷控制器的中斷連線。其中interrupt-parent 屬性值為中斷控制器節點的指標，#interrupts 屬
性值描述可觸發的中斷訊號，其值格式與中斷控制器的interrupt-cells 屬性值有關。一般
#interrupt-cells 屬性值為2，interrupts 屬性就對應為一對描述硬體中斷號和中斷觸發方式的
十六進位制值。
5 扁平裝置樹編譯
根據嵌入式板的裝置資訊寫裝置樹原始碼檔案（.dts）通常比較簡單，但是手寫二進位制的
扁平裝置樹（.dtb）就顯得比較複雜了。裝置樹編譯器dtc 就是用來根據裝置樹原始碼的文字
檔案生成裝置樹二進位制映象的。dtc 編譯器會對輸入檔案進行語法和語義檢查，並根據Linux
核心的要求檢查各節點及屬性，將裝置樹原始碼檔案（.dts）編譯二進位制檔案（.dtb），以保證
核心能正常啟動。dtc 編譯器的使用方法如下所示[6]：
dtc [ -I dts ] [ -O dtb ] [ -o opt_file ] [ -V opt_version ] ipt_file
2.6.25 版本之後的核心原始碼已經包含了dtc 編譯器。在配置編譯核心時選中
CONFIG_DTC，會自動生成裝置樹編譯器dtc。將編寫的目標板裝置樹檔案mpc8349emitx.dts
放到核心原始碼的arch/powerpc/boot/dts/目錄下，利用核心Makefile 生成blob 的簡單規則，使
用以下命令亦可完成裝置樹的dtc 編譯：
$ make mpc8349emitx.dtb
6 U-Boot 相關設定說明
為使 U-Boot 支援裝置樹，需要在板子配置標頭檔案中設定一系列巨集變數。如本文在
MPC8349E 處理器目標板中移植的U-Boot 配置如下：
/* pass open firmware flat tree */
#define CONFIG_OF_LIBFDT 1
#undef CONFIG_OF_FLAT_TREE
#define CONFIG_OF_BOARD_SETUP 1
#define CONFIG_OF_HAS_BD_T 1
#define CONFIG_OF_HAS_UBOOT_ENV 1
啟動引導程式碼U-Boot 在完成自己的工作之後，會載入Linux 核心，並將扁平裝置樹的
地址傳遞給核心，其程式碼形式如下：
#if defined(CONFIG_OF_FLAT_TREE) || defined(CONFIG_OF_LIBFDT)
if (of_flat_tree) { /* device tree; boot new style */
/*
* Linux Kernel Parameters (passing device tree):
* r3: pointer to the fdt, followed by the board info data
* r4: physical pointer to the kernel itself
* r5: NULL
* r6: NULL
* r7: NULL
*/
(*kernel) ((bd_t *)of_flat_tree, (ulong)kernel, 0, 0, 0);
/* does not return */
}
#endif
arch/powerpc 核心的入口有且只有一個，入口點為核心映象的起始。此入口支援兩種調
用方式，一種是支援Open Firmware 啟動，另一種對於沒有OF 的引導程式碼，需要使用扁平
裝置樹塊，如上示例程式碼。暫存器r3 儲存指向裝置樹的實體地址指標，暫存器r4 儲存為內
核在實體記憶體中的地址，r5 為NULL。其中的隱含意思為：假設開啟了mmu，那麼這個mmu
的對映關係是1:1 的對映，即虛擬地址和實體地址是相同的。
7 Linux 核心對裝置樹的解析
扁平裝置樹描述了目標板平臺中的裝置樹資訊。每個裝置都有一個節點來描述其資訊，
每個節點又可以有子節點及其相應的屬性。核心原始碼中include/linux/of.h 及drivers/of/base.c
等檔案中提供了一些Open Firmware API，通過這些API，核心及裝置驅動可以查詢到相應
的裝置節點，讀取其屬性值，利用這些資訊正確地初始化和驅動硬體。
圖2 核心及驅動對扁平裝置樹的解析
Fig2 Interaction from kernel and drivers with the FDT blob
8 結論
本文介紹了裝置樹的起源及其優點，進而闡述了裝置樹的資料儲存格式以及原始碼描述語
法，給出了裝置樹的編譯方法，最後引出了移植過程中的U-Boot 相關設定說明及核心的解
析過程分析。裝置樹為嵌入式系統向Linux 核心傳遞引數的動態介面，本文以MPC8349E
處理器目標板上的DTS 移植經歷作總結，希望對嵌入式PowerPC Linux 開發者具有一定的
參考價值，可以加快嵌入式PowerPC Linux 開發中的裝置樹DTS 移植過程。
[3] DENX. Flattened Device Tree Blob [EB/OL]. http://www.denx.de/wiki/view/DULG/LinuxFDTBlob, 2009
[5] SN. The Openmware Home Page [EB/OL]. http://playground.sun.com/1275/home.html

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