ARM内核的组成和结构设备树的应用和使用情况

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1.为何要使用设备树（DeviceTree）?

在先前的内核源码中，存在大量对板级细节信息描述的代码，这种代码参杂在/arch/arm/plat-xxx和/arch/arm/mach-xxx目录，对内核而言这种platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各类硬件的platform_data绝大多数纯属垃圾冗余代码。为了解决这一问题，ARM内核版本3.x以后引入了原本在PowerPC等其他体系构架早已使用的FlattenedDeviceTree。DTS不是arm的专利

在使用了设备树后linux移植时需要编译设备树文件吗，对于同一SOC的不同显卡，只需更换设备树文件.dtb即可实现不同显卡的无差别支持，而无需更换内核文件。

2.设备树的的组成和结构

设备树可以描述的信息包括了

1.CPU的数目和类别、

2.显存基地址和大小、

3.总线和桥、

4.外设联接、

5.中断控制器和中断使用情况、

6.GPIO控制器和GPIO使用情况、

7.Clock控制器和Clock使用情况。

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须要注意的是，设备树对于可热拔插的热备不进行具体描述，它只描述用于控制该热拔插设备的控制器

2.1设备树的组成

设备树包含了DTC(devicetreecompiler),DTS(devicetreeresource)和DTB(devicetreeblob),简单来说，dts是源码，dtc是编译器，dtb是生成的可执行文件

2.1.1DTS和DTSI

.dts和.dtsi是一种ASCII文本的设备树描述,此文本格式非常适合人们阅读，基本上，一个.dts对应一种ARM设备，放在arch/arm/boot/dts目录，由于一个soc对应好多个不同的开发板，每个开发板有一个.dts，所以这些dts势必有共同部分，为了减少代码的屯余，设备树将这些共同部分提炼保存在dtsi中，供不同的dts使用，dtsi文件类似于c语言的头文件

2.1.2DTC

DTC为编译工具，它可以将.dts文件编译成.dtb文件。DTC的源码坐落内核的scripts/dtc目录，内核选中CONFIG_OF，编译内核的时侯linux命令chm，主机可执行程序DTC都会被编译下来

2.1.3DTB

DTB设备由DTC编译后的二补码格式的设备树描述，可以由linux内核解析，uboot这样的bootloader也可以辨识.dtb，有两种使用方法,一种是bootloader启动内核过程中会先读取dtb到文件中；第二种是把dtb和zImage打包在一起弄成一个印象文件，firefly-3399就是采用这些方法，打包生成了boot.img

2.1.4绑定(bingding)

对于DeviceTree中的结点和属性具体是怎样来描述设备的硬件细节的，通常须要文档来进行讲解，文档的后缀名通常为.txt。那些文档坐落内核的Documentation/devicetree/bindings目录，其下又分为好多子目录

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2.1.5Bootloader使用dtb

在Uboot中，可以从NAND、SD或则TFTP等任意介质将.dtb读入显存，假定.dtb装入的显存地址为0x71000000，然后可在Uboot运行命令fdtaddr命令设置.dtb的地址，如：

U-Boot>fdtaddr0x71000000

fdt的其他命令就变地可以使用，如fdtresize、fdtprint等

对于ARM来讲，可以透过bootzkernel_addrinitrd_addressdtb_address的命令来启动内核，即dtb_address作为bootz或则bootm的最后一次参数，第一个参数为内核映像的地址，第二个参数为initrd的地址，若不存在initrd，可以用-取代，第三个就是dtb地址

2.2设备树框架

设备树用树形结构描述设备信息，它有以下几种特点

1.每位设备树文件都有一个根节点，每位设备都是一个节点。

2.节点间可以嵌套，产生父女关系，这样就可以便捷的描述设备间的关系。

3.每位设备的属性都用一组key-value对(通配符对)来描述。

4.每位属性的描述用;结束

3.设备树句型

设备树是一颗树，书上的每位节点由节点和属性组成，属性是通配符对

下边这个是rk3399-fpga.dts

#include "rk3399.dtsi"  //包含了公共部分
/ {
        model = "Rockchip RK3399 FPGA Board";
        compatible = "rockchip,fpga", "rockchip,rk3399"; //根节点兼容性分析，下面具体分析
        chosen {
                bootargs = "init=/init console=uart,mmio32,0xff1a0000";
        };
        memory@00000000 { //子节点  memory@00000000节点名
                device_type = "memory";
                reg = <0x0 0x00000000 0x0 0x20000000>;
        };
};
&uart2 { //使用了引用
        status = "okay";
        clocks = , ;
};

3.1根节点兼容性

compatible = "rockchip,fpga", "rockchip,rk3399";

上面是根节点的兼容属性，定义了整个系统（设备级别）的名称，通过这个属性就可以判断出它启动的是什么设备。它的组织形式是<manufacture><model>，在实际中一般包括两个或两个以上的兼容字符串，上面第一个是"rockchip,fpga"，第二个是"rockchip,rk3399"，我们来看第二个，manufacture是板子级别的名字，“rockchip”代表的是瑞芯微公司，model是芯片级别的，“rk3399”是瑞芯微公司一个soc的名称

我们从源码中找出rk3399的两个dts，可以看出第一个兼容字符串的model不同，第二个完全相同

rk3399-firefly-linux.dts
compatible = "rockchip,rk3399-firefly-linux", "rockchip,rk3399";
rk3399-fpga.dts
compatible = "rockchip,fpga", "rockchip,rk3399";

3.2节点名

理论个节点名只要是宽度不超过31个字符的ASCII字符串即可，Linux内核还约定设备名应写成形如[@]的方式，其中name就是设备名，最长可以是31个字符宽度。unit_address通常是设备地址，拿来惟一标示一个节点

Linux中的设备树还包括几个特殊的节点，例如chosen，chosen节点不描述一个真实设备，而是用于firmware传递一些数据给OS，例如bootloader传递内核启动参数给内核

chosen{
    bootargs = "console=ttySAC2,115200";
    stdout-path=&serial_2;
};

3.3引用

当我们找一个节点的时侯，我们必须书写完整的节点路径，这样当一个节点嵌套比较深的时侯就不是很便捷，所以，设备树容许我们用下边的方式为节点标明引用(起别称)，亦即省去繁杂的路径。这样就可以实现类似函数调用的疗效

3.KEY

在设备树中，通配符对是描述属性的方法，例如linux 软件，Linux驱动中可以通过设备节点中的”compatible”这个属性查找设备节点

inux设备树句型中定义了一些具有规范意义的属性，包括：compatible,address,interrupt等，这种信息才能在内核初始化找到节点的时侯，手动解析生成相应的设备信息。据悉，还有一些Linux内核定义好的，一类设备通用的有默认意义的属性，这种属性通常不能被内核手动解析生成相应的设备信息，并且内核早已编撰的相应的解析提取函数，常见的有“mac_addr”，”gpio”linux移植时需要编译设备树文件吗，”clock”，”power”。”regulator”等等。

patible

设备节点中对应的节点信息早已被内核构造成structplatform_device。驱动可以通过相应的函数从中提取信息。主要有三种方式提取信息

    1、compatible属性是用来查找节点
    2、通过节点名查找指定节点
    3、节点路径查找指定节点

看一个使用compatible提取属性的事例

#dts
    gpio_demo: gpio_demo {
        status = "okay";
        compatible = "firefly,rk3399-gpio";                  
    };
#驱动代码
static struct of_device_id firefly_match_table[] = {
    { .compatible = "firefly,rk3399-gpio",}, //完全相同
    {}, //最后一个成员一定是空，因为相关的操作API会读取这个数组直到遇到一个空。
};

3.2address

        pinctrl: pinctrl {
                compatible = "rockchip,rk3399-pinctrl";
                #address-cells = ;
                #size-cells = ;
                gpio0: gpio0@ff720000 {
                        compatible = "rockchip,gpio-bank";
                        reg = <0x0 0xff720000 0x0 0x100>;
                        //前两个数字表示一个地址0x0 0xff720000
                        //后两个数字表示一个地址跨度 0x100
                };
            ...
    }

3.3interrupts

一个计算机系统中大量设备都是通过中断恳求CPU服务的，所以设备节点中就须要在指定中断

3.4gpio

firefly-gpio = <&gpio0 12 GPIO_ACTIVE_HIGH>;          /* GPIO0_B4 */
firefly-irq-gpio = <&gpio4 29 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;  /* GPIO4_D5 */

4.DTB的加载过程

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总的归纳为：

①kernel入口处获取到uboot传过来的.dtb镜像的基地址

②通过early_init_dt_scan()函数来获取kernel初始化时须要的bootargs和cmd_line等系统引导参数。

③调用unflatten_device_tree函数来解析dtb文件，建立一个由device_node结构联接而成的双向数组，并使用全局变量of_allnodes保存这个数组的头表针。

④内核调用OF的API插口，获取of_allnodes数组信息来初始化内核其他子系统、设备等。

5.API调用

#来查找在dtb中的根节点
unsigned long __init of_get_flat_dt_root(void)
# 根据deice_node结构的full_name参数，在全局链表of_allnodes中，查找合适的device_node
struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)
#若from=NULL，则在全局链表of_allnodes中根据name查找合适的device_node
struct device_node *of_find_node_by_name(struct device_node *from,const char *name)
#根据设备类型查找相应的device_node
struct device_node *of_find_node_by_type(struct device_node *from,const char *type)
# 根据compatible字符串查找device_node
struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from,const char *type, const char *compatible)
#根据节点属性的name查找device_node
struct device_node *of_find_node_with_property(struct device_node *from,const char *prop_name)
#根据compat参数与device node的compatible匹配，返回匹配度
int of_device_is_compatible(const struct device_node *device,const char *compat)
#获得父节点的device node
struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node)
#读取该设备的第index个irq号
unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index)
#读取该设备的第index个irq号，并填充一个irq资源结构体
int of_irq_to_resource(struct device_node *dev, int index, struct resource *r)
#获取该设备的irq个数
int of_irq_count(struct device_node *dev)

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