Device Tree中的.dts和dtsi文件介紹

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1.?? ?ARM Device Tree起源

Linus Torvalds在2011年3月17日的ARM Linux郵件列表宣稱“this whole ARM thing is a f*cking pain in the ass”,引發ARM Linux社區的地震,隨后ARM社區進行了一系列的重大修正。在過去的ARM Linux中,arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx中充斥著大量的垃圾代碼,相當多數的代碼只是在描述板級細節,而這些板級細節對于內核來講,不過是垃圾,如板上的platform設備、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各種硬件的platform_data。讀者有興趣可以統計下常見的s3c2410、s3c6410等板級目錄,代碼量在數萬行。
社區必須改變這種局面,于是PowerPC等其他體系架構下已經使用的Flattened Device Tree(FDT)進入ARM社區的視野。Device Tree是一種描述硬件的數據結構,它起源于 OpenFirmware (OF)。在Linux 2.6中,ARM架構的板極硬件細節過多地被硬編碼在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx,采用Device Tree后,許多硬件的細節可以直接透過它傳遞給Linux,而不再需要在kernel中進行大量的冗余編碼。
Device Tree由一系列被命名的結點(node)和屬性(property)組成,而結點本身可包含子結點。所謂屬性,其實就是成對出現的name和value。在Device Tree中,可描述的信息包括(原先這些信息大多被hard code到kernel中):

  • CPU的數量和類別
  • 內存基地址和大小
  • 總線和橋
  • 外設連接
  • 中斷控制器和中斷使用情況
  • GPIO控制器和GPIO使用情況
  • Clock控制器和Clock使用情況

它基本上就是畫一棵電路板上CPU、總線、設備組成的樹,Bootloader會將這棵樹傳遞給內核,然后內核可以識別這棵樹,并根據它展開出Linux內核中的platform_device、i2c_client、spi_device等設備,而這些設備用到的內存、IRQ等資源,也被傳遞給了內核,內核會將這些資源綁定給展開的相應的設備。

2.?? ?Device Tree組成和結構

整個Device Tree牽涉面比較廣,即增加了新的用于描述設備硬件信息的文本格式,又增加了編譯這一文本的工具,同時Bootloader也需要支持將編譯后的Device Tree傳遞給Linux內核。

DTS (device tree source)

.dts文件是一種ASCII 文本格式的Device Tree描述,此文本格式非常人性化,適合人類的閱讀習慣。基本上,在ARM Linux在,一個.dts文件對應一個ARM的machine,一般放置在內核的arch/arm/boot/dts/目錄。由于一個SoC可能對應多個machine(一個SoC可以對應多個產品和電路板),勢必這些.dts文件需包含許多共同的部分,Linux內核為了簡化,把SoC公用的部分或者多個machine共同的部分一般提煉為.dtsi,類似于C語言的頭文件。其他的machine對應的.dts就include這個.dtsi。譬如,對于VEXPRESS而言,vexpress-v2m.dtsi就被vexpress-v2p-ca9.dts所引用, vexpress-v2p-ca9.dts有如下一行:
/include/ "vexpress-v2m.dtsi"
當然,和C語言的頭文件類似,.dtsi也可以include其他的.dtsi,譬如幾乎所有的ARM SoC的.dtsi都引用了skeleton.dtsi。
.dts(或者其include的.dtsi)基本元素即為前文所述的結點和屬性:

[plain]?view plain?copy

  1. /?{??
  2. ????node1?{??
  3. ????????a-string-property?=?"A?string";??
  4. ????????a-string-list-property?=?"first?string",?"second?string";??
  5. ????????a-byte-data-property?=?[0x01?0x23?0x34?0x56];??
  6. ????????child-node1?{??
  7. ????????????first-child-property;??
  8. ????????????second-child-property?=?<1>;??
  9. ????????????a-string-property?=?"Hello,?world";??
  10. ????????};??
  11. ????????child-node2?{??
  12. ????????};??
  13. ????};??
  14. ????node2?{??
  15. ????????an-empty-property;??
  16. ????????a-cell-property?=?<1?2?3?4>;?/*?each?number?(cell)?is?a?uint32?*/??
  17. ????????child-node1?{??
  18. ????????};??
  19. ????};??
  20. };??

上述.dts文件并沒有什么真實的用途,但它基本表征了一個Device Tree源文件的結構:
1個root結點"/";
root結點下面含一系列子結點,本例中為"node1" 和 "node2";
結點"node1"下又含有一系列子結點,本例中為"child-node1" 和 "child-node2";
各結點都有一系列屬性。這些屬性可能為空,如" an-empty-property";可能為字符串,如"a-string-property";可能為字符串數組,如"a-string-list-property";可能為Cells(由u32整數組成),如"second-child-property",可能為二進制數,如"a-byte-data-property"。
下面以一個最簡單的machine為例來看如何寫一個.dts文件。假設此machine的配置如下:
1個雙核ARM Cortex-A9 32位處理器;
ARM的local bus上的內存映射區域分布了2個串口(分別位于0x101F1000 和 0x101F2000)、GPIO控制器(位于0x101F3000)、SPI控制器(位于0x10170000)、中斷控制器(位于0x10140000)和一個external bus橋;
External bus橋上又連接了SMC SMC91111 Ethernet(位于0x10100000)、I2C控制器(位于0x10160000)、64MB NOR Flash(位于0x30000000);
External bus橋上連接的I2C控制器所對應的I2C總線上又連接了Maxim DS1338實時鐘(I2C地址為0x58)。
其對應的.dts文件為:

[plain]?view plain?copy

  1. /?{??
  2. ????compatible?=?"acme,coyotes-revenge";??
  3. ????#address-cells?=?<1>;??
  4. ????#size-cells?=?<1>;??
  5. ????interrupt-parent?=?<&intc>;??
  6. ??
  7. ????cpus?{??
  8. ????????#address-cells?=?<1>;??
  9. ????????#size-cells?=?<0>;??
  10. [email protected]?{??
  11. ????????????compatible?=?"arm,cortex-a9";??
  12. ????????????reg?=?<0>;??
  13. ????????};??
  14. [email protected]?{??
  15. ????????????compatible?=?"arm,cortex-a9";??
  16. ????????????reg?=?<1>;??
  17. ????????};??
  18. ????};??
  19. ??
  20. [email protected]?{??
  21. ????????compatible?=?"arm,pl011";??
  22. ????????reg?=?<0x101f0000?0x1000?>;??
  23. ????????interrupts?=?<?1?0?>;??
  24. ????};??
  25. ??
  26. [email protected]?{??
  27. ????????compatible?=?"arm,pl011";??
  28. ????????reg?=?<0x101f2000?0x1000?>;??
  29. ????????interrupts?=?<?2?0?>;??
  30. ????};??
  31. ??
  32. [email protected]?{??
  33. ????????compatible?=?"arm,pl061";??
  34. ????????reg?=?<0x101f3000?0x1000??
  35. ???????????????0x101f4000?0x0010>;??
  36. ????????interrupts?=?<?3?0?>;??
  37. ????};??
  38. ??
  39. ????intc:[email protected]?{??
  40. ????????compatible?=?"arm,pl190";??
  41. ????????reg?=?<0x10140000?0x1000?>;??
  42. ????????interrupt-controller;??
  43. ????????#interrupt-cells?=?<2>;??
  44. ????};??
  45. ??
  46. [email protected]?{??
  47. ????????compatible?=?"arm,pl022";??
  48. ????????reg?=?<0x10115000?0x1000?>;??
  49. ????????interrupts?=?<?4?0?>;??
  50. ????};??
  51. ??
  52. ????external-bus?{??
  53. ????????#address-cells?=?<2>??
  54. ????????#size-cells?=?<1>;??
  55. ????????ranges?=?<0?0??0x10100000???0x10000?????//?Chipselect?1,?Ethernet??
  56. ??????????????????1?0??0x10160000???0x10000?????//?Chipselect?2,?i2c?controller??
  57. ??????????????????2?0??0x30000000???0x1000000>;?//?Chipselect?3,?NOR?Flash??
  58. ??
  59. [email protected],0?{??
  60. ????????????compatible?=?"smc,smc91c111";??
  61. ????????????reg?=?<0?0?0x1000>;??
  62. ????????????interrupts?=?<?5?2?>;??
  63. ????????};??
  64. ??
  65. [email protected],0?{??
  66. ????????????compatible?=?"acme,a1234-i2c-bus";??
  67. ????????????#address-cells?=?<1>;??
  68. ????????????#size-cells?=?<0>;??
  69. ????????????reg?=?<1?0?0x1000>;??
  70. ????????????interrupts?=?<?6?2?>;??
  71. [email protected]?{??
  72. ????????????????compatible?=?"maxim,ds1338";??
  73. ????????????????reg?=?<58>;??
  74. ????????????????interrupts?=?<?7?3?>;??
  75. ????????????};??
  76. ????????};??
  77. ??
  78. [email protected],0?{??
  79. ????????????compatible?=?"samsung,k8f1315ebm",?"cfi-flash";??
  80. ????????????reg?=?<2?0?0x4000000>;??
  81. ????????};??
  82. ????};??
  83. };??

上述.dts文件中,root結點"/"的compatible 屬性compatible = "acme,coyotes-revenge";定義了系統的名稱,它的組織形式為:<manufacturer>,<model>。Linux內核透過root結點"/"的compatible 屬性即可判斷它啟動的是什么machine。
在.dts文件的每個設備,都有一個compatible 屬性,compatible屬性用戶驅動和設備的綁定。compatible 屬性是一個字符串的列表,列表中的第一個字符串表征了結點代表的確切設備,形式為"<manufacturer>,<model>",其后的字符串表征可兼容的其他設備。可以說前面的是特指,后面的則涵蓋更廣的范圍。如在arch/arm/boot/dts/vexpress-v2m.dtsi中的Flash結點:

[plain]?view plain?copy

  1. [email protected],00000000?{??
  2. ?????compatible?=?"arm,vexpress-flash",?"cfi-flash";??
  3. ?????reg?=?<0?0x00000000?0x04000000>,??
  4. ?????<1?0x00000000?0x04000000>;??
  5. ?????bank-width?=?<4>;??
  6. ?};??

compatible屬性的第2個字符串"cfi-flash"明顯比第1個字符串"arm,vexpress-flash"涵蓋的范圍更廣。
再比如,Freescale MPC8349 SoC含一個串口設備,它實現了國家半導體(National Semiconductor)的ns16550 寄存器接口。則MPC8349串口設備的compatible屬性為compatible = "fsl,mpc8349-uart", "ns16550"。其中,fsl,mpc8349-uart指代了確切的設備, ns16550代表該設備與National Semiconductor 的16550 UART保持了寄存器兼容。
接下來root結點"/"的cpus子結點下面又包含2個cpu子結點,描述了此machine上的2個CPU,并且二者的compatible 屬性為"arm,cortex-a9"。
注意cpus和cpus的2個cpu子結點的命名,它們遵循的組織形式為:<name>[@<unit-address>],<>中的內容是必選項,[]中的則為可選項。name是一個ASCII字符串,用于描述結點對應的設備類型,如3com Ethernet適配器對應的結點name宜為ethernet,而不是3com509。如果一個結點描述的設備有地址,則應該給出@unit-address。多個相同類型設備結點的name可以一樣,只要unit-address不同即可,如本例中含有[email protected][email protected]以及[email protected][email protected]這樣的同名結點。設備的unit-address地址也經常在其對應結點的reg屬性中給出。ePAPR標準給出了結點命名的規范。
可尋址的設備使用如下信息來在Device Tree中編碼地址信息:

  • ??? reg
  • ??? #address-cells
  • ??? #size-cells

其中reg的組織形式為reg = <address1 length1 [address2 length2] [address3 length3] ... >,其中的每一組address length表明了設備使用的一個地址范圍。address為1個或多個32位的整型(即cell),而length則為cell的列表或者為空(若#size-cells = 0)。address 和 length 字段是可變長的,父結點的#address-cells和#size-cells分別決定了子結點的reg屬性的address和length字段的長度。在本例中,root結點的#address-cells = <1>;和#size-cells = <1>;決定了serial、gpio、spi等結點的address和length字段的長度分別為1。cpus 結點的#address-cells = <1>;和#size-cells = <0>;決定了2個cpu子結點的address為1,而length為空,于是形成了2個cpu的reg = <0>;和reg = <1>;。external-bus結點的#address-cells = <2>和#size-cells = <1>;決定了其下的ethernet、i2c、flash的reg字段形如reg = <0 0 0x1000>;、reg = <1 0 0x1000>;和reg = <2 0 0x4000000>;。其中,address字段長度為0,開始的第一個cell(0、1、2)是對應的片選,第2個cell(0,0,0)是相對該片選的基地址,第3個cell(0x1000、0x1000、0x4000000)為length。特別要留意的是i2c結點中定義的 #address-cells = <1>;和#size-cells = <0>;又作用到了I2C總線上連接的RTC,它的address字段為0x58,是設備的I2C地址。
root結點的子結點描述的是CPU的視圖,因此root子結點的address區域就直接位于CPU的memory區域。但是,經過總線橋后的address往往需要經過轉換才能對應的CPU的memory映射。external-bus的ranges屬性定義了經過external-bus橋后的地址范圍如何映射到CPU的memory區域。

[plain]?view plain?copy

  1. ranges?=?<0?0??0x10100000???0x10000?????//?Chipselect?1,?Ethernet??
  2. ??????????1?0??0x10160000???0x10000?????//?Chipselect?2,?i2c?controller??
  3. ??????????2?0??0x30000000???0x1000000>;?//?Chipselect?3,?NOR?Flash??

ranges是地址轉換表,其中的每個項目是一個子地址、父地址以及在子地址空間的大小的映射。映射表中的子地址、父地址分別采用子地址空間的#address-cells和父地址空間的#address-cells大小。對于本例而言,子地址空間的#address-cells為2,父地址空間的#address-cells值為1,因此0 0? 0x10100000?? 0x10000的前2個cell為external-bus后片選0上偏移0,第3個cell表示external-bus后片選0上偏移0的地址空間被映射到CPU的0x10100000位置,第4個cell表示映射的大小為0x10000。ranges的后面2個項目的含義可以類推。
Device Tree中還可以中斷連接信息,對于中斷控制器而言,它提供如下屬性:
interrupt-controller – 這個屬性為空,中斷控制器應該加上此屬性表明自己的身份;
#interrupt-cells – 與#address-cells 和 #size-cells相似,它表明連接此中斷控制器的設備的interrupts屬性的cell大小。
在整個Device Tree中,與中斷相關的屬性還包括:
interrupt-parent – 設備結點透過它來指定它所依附的中斷控制器的phandle,當結點沒有指定interrupt-parent 時,則從父級結點繼承。對于本例而言,root結點指定了interrupt-parent = <&intc>;其對應于intc: [email protected],而root結點的子結點并未指定interrupt-parent,因此它們都繼承了intc,即位于0x10140000的中斷控制器。
interrupts – 用到了中斷的設備結點透過它指定中斷號、觸發方法等,具體這個屬性含有多少個cell,由它依附的中斷控制器結點的#interrupt-cells屬性決定。而具體每個cell又是什么含義,一般由驅動的實現決定,而且也會在Device Tree的binding文檔中說明。譬如,對于ARM GIC中斷控制器而言,#interrupt-cells為3,它3個cell的具體含義Documentation/devicetree/bindings/arm/gic.txt就有如下文字說明:

[plain]?view plain?copy

  1. 01???The?1st?cell?is?the?interrupt?type;?0?for?SPI?interrupts,?1?for?PPI??
  2. 02???interrupts.??
  3. 03??
  4. 04???The?2nd?cell?contains?the?interrupt?number?for?the?interrupt?type.??
  5. 05???SPI?interrupts?are?in?the?range?[0-987].??PPI?interrupts?are?in?the??
  6. 06???range?[0-15].??
  7. 07??
  8. 08???The?3rd?cell?is?the?flags,?encoded?as?follows:??
  9. 09?????????bits[3:0]?trigger?type?and?level?flags.??
  10. 10?????????????????1?=?low-to-high?edge?triggered??
  11. 11?????????????????2?=?high-to-low?edge?triggered??
  12. 12?????????????????4?=?active?high?level-sensitive??
  13. 13?????????????????8?=?active?low?level-sensitive??
  14. 14?????????bits[15:8]?PPI?interrupt?cpu?mask.??Each?bit?corresponds?to?each?of??
  15. 15?????????the?8?possible?cpus?attached?to?the?GIC.??A?bit?set?to?'1'?indicated??
  16. 16?????????the?interrupt?is?wired?to?that?CPU.??Only?valid?for?PPI?interrupts.??

另外,值得注意的是,一個設備還可能用到多個中斷號。對于ARM GIC而言,若某設備使用了SPI的168、169號2個中斷,而言都是高電平觸發,則該設備結點的interrupts屬性可定義為:interrupts = <0 168 4>, <0 169 4>;
除了中斷以外,在ARM Linux中clock、GPIO、pinmux都可以透過.dts中的結點和屬性進行描述。

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