linux系统之驱动与FDT

【摘要】

【分析一】FDT与TAG
【分析二】boot中对FDT的支持
【分析三】Uboot下调试FDT
【分析四】kernel中对FDT的支持
【分析五】FDT兼容TAG
【总结】
【附录】

注意：请使用谷歌浏览器阅读（IE浏览器排版混乱）

【摘要】

为何要写此文？
随着linux 内核版本的逐渐提升，在3.10.* 版本之后，linux系统arm架构中对驱动实现方式做了较大调整，驱动中广泛采用FDT的实现方式。因此对于linux系统上驱的动开发来说，了解FDT尤为重要。

FDT对系统软件开发工作的实际影响？
1） FDT取代了tag.这一点涉及bootloader和kernel的变动。
例如：经常用到的uboot里面bootargs、环境变量等相关实现要有所改动。
2）驱动中板级信息的获取方式变动。这一点涉及到具体驱动实现，无论flash、usb还是音视频等驱动的实现都要涉及FDT，如果不了解，驱动就无法实现。
例如：我们要获取一个驱动的中断号或者控制器相关基地址等信息，都要通过FDT。

什么是FDT？
FDT：Flattened Device Tree即扁平设备树。linux系统最早引入是在linux2.6*版本的powerpc架构中。早前曾做过powerpc架构的开发，不过当时系统已经对FDT做了很好的支持，驱动开发只是简单的配置了dts文件。当时想写一篇介绍FDT的文章，但一直未能如愿。

直到arm架构也引入了FDT，写一篇这样的文档显得很有必要，一方面希望记录工作。另一方面也希望为涉及FDT开发的同仁提供一点参考。

linux为何要引入FDT？
引入FDT目的很明确--降低代码冗余。
过去的linux源码，arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx中充斥着大量的垃圾代码，相当多代码都是描述板级信息，对于内核来将，都是垃圾。随着arm的不断普及，垃圾代码越来越多，已经到了kernel无法容忍的地步，因此在3.10*之后，linux系统采用了FDT的实现方式，裁剪掉这部分代码冗余。

【分析一】FDT与TAG

本节将介绍两种FDT实现方案：FDT取代TAG 和FDT兼容TAG。不过在介绍之前，我们先明确下FDT到底是什么？我们需要做哪些工作？

1 首先要实现FDT功能，必须有一个*.dtb文件的输出。
dtb文件是通过dtc工具生成，dtc（device tree complier）是开源工具，可以理解为dts文件的编译器。一般uboot和kernel代码中都有集成，直接拿来用即可。为了生成dtb 需要修改makefile (一般可以修改uboot的顶级Makefile或者linux中arch/arm/boot/Makefile)如下：

$(DTB_OBJS):FORCE$(obj)/dts/dtc -I dts -O dtb -i $(obj)/dts -p 1024 -o $(DTB_OBJS) $(obj)/dts/example_plat_version.dts

观察上述命令：

1）首先输出 dtb文件，如DTB_OBJS=example_plat_version.dts.dtb

dtb文件如何使用？这个文件可以烧录到flash上的任何位置。
Ps：要想使用fdt兼容tag，则必须把dtb放到uImage后面，这是因为kernel在启动阶段有限制。如果用FDT替代tag则可放到任何位置。

2） dtc是开源工具，主要功能是解析dts文件，并把解析的结果保存到dtb文件中。

什么是dts文件？ dts文件是设备树的源码。

举例：example_plat_version.dts

/include/ "example-plat.dtsi"
/{mode = "example plat evm Board";compatible = "example,**";chosen{bootargs = "console=ttyS0,115200 mem=100M root=/dev/mtdblock0 init=/linuxrc"; };apb@80000000{i2c0:i2c@e80030000{status= "ok";ak4293: codec@12{compatible = "example,ak4293";reg = <0x12>;};it66121@4c{compatible = "example,it66121";reg = <0x44>;};};};};

如上是dts文件的片段，这个文件是需要我们正确配置的。

1）其中 chosen和apb@80000000可以被称为一个节点--node，而i2c0可以被称为一个子节点—subnode，”/”是唯一的根节点。
2）不难发现，chosen中保存的bootargs就是我们uboot下使用的bootargs，以前它被保存在tag中，如今放到了dts文件里。
3） apb@80030000中保存的是i2c驱动的信息。以前的系统中，这一部分是被定义在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx 代码中，如今放到dts文件中。

至此kernel代码得到精简。
Ps：dtc是如何解析dts文件的不必详查，如感兴趣可以参考dtc源码。

【分析二】boot中对FDT的支持

如果要使用tag，需boot和kernel同时支持，那么用FDT取代TAG也同样如此.

uboot中对FDT的支持:

1） uboot代码中已经对fdt有支持，可以通过开启CONFIG_OF_LIBFDT配置，实现FDT支持，如此会省掉一部分工作。例如：fdt调试命令可以直接使用。
2）如前所述dtb文件被烧录到flash上。在Uboot引导内核启动之前会将dtb拷贝到内存上，并对dtb的内容进行修改，这一步是为了支持对环境变量的动态修改。

以下介绍u-boot中如何修改dts文件中定义的内容：重点观察example_plat_version.dts文件里chosen节点中bootargs参数的修改，关键函数fdt_chosen：

int fdt_chosen(void *fdt, int force)
{int nodeoffset;char *str;const char *path;nodeoffset= fdt_path_offset(fdt, "/chosen");if(nodeoffset<0){nodeoffset=fdt_add_subnode(fdt,0,"chosen");if(nodeoffset<0){return nodeoffset;}}str = getenv("bootargs");path = fdt_set_prop(fdt,nodeoffset,"bootargs",str,strlen(str)+1);return 0;
}

上述函数的fdt_path_offset(fdt,”chosen”)获取的是dts文件中的：

  chosen{bootargs = "console=ttyS0,115200 mem=100M root=/dev/mtdblock0 init=/linuxrc"; };

要想修改bootargs则调用fdt_setprop_string; Ps:其中fdt_setprop_string等接口是FDT提供的标准接口，boot和kernel源码中都可调用。

3）将dtb从flash拷贝到dram上。假设拷贝到dram=0x200100的地址，则uboot跳转到kernel时再通过cpu的通用寄存器r2告知系统这个地址，这一点与tag没有分别。至此完成boot下对fdt的支持。

【分析三】Uboot下调试FDT

Uboot支持标准的fdt命令修改dtb的内容。

1 举例：常用调试命令
1>fdt list ：列出系统中所有节点。即上面dts文件中的节点。

#fdt list
/{#address-cells = <0x1000000>;#size-cells = <0x1000000>;compatible = "example,**";model = "example plat evm Board";chosen{};aliases{};memory{};cpus{};apb@80000000{};
};

2>列出aliases节点：

#fdt list /aliases
aliases{serial0 = "/apb@80000000/uart@8005000";nand = "/apb@90000000/nand@9001000";i2c0 = "/ahb@70000000/i2c@7001000";
};

3>查看boot分区信息：

#fdt list nand
nand@9001000{compatible = "example,nand";#address-cells = <0x1000000>;#size-cells = <0x1000000>;partition@0{};partition@1{};
};
#fdt list nand/partition@0
partition@0{reg = <0x0 0x40000>;label = "uboot";
};

2 修改dtb举例：

#fdt list /memory
memory{device_type = "memory";reg = <0x2000,0xe007>;
};
#fdt set /memory reg <0x200000 0x6e00000>
#
#fdt list /memory
memory{device_type = "memory";reg = <0x2000,0xe006>;
};

1>修改前 reg= <0x2000 0xe007>(字节序反了):实际表示linux 系统内存从0x200000开始大小为0x7e00000

2>修改后 reg=<0x2000 0xe006>:实际表示linux 系统内存从0x200000开始大小为0x6e00000

3>以上介绍了boot下显示和修改dtb的命令，其他命令可实际摸索一下，不逐一举例。

【分析四】kernel中对FDT的支持

1 设备树初始化及解析
分析Linux内核的源码，可以看到其对扁平设备树的解析流程如下：
（1）首先在内核入口处将从u-boot传递过来的镜像基地址。这一步系统已经有实现好，不需要再开发。
（2）通过调用early_init_dt_scan()函数来获取内核前期初始化所需的bootargs，cmd_line等系统引导参数。这一步需要二次开发，可以在系统搭建的框架中，加入项目特有的初始参数。
（3）根据bootargs，cmd_line等系统引导参数进入start_kernel()函数，进行内核的第二阶段初始化。
（4）调用unflatten_device_tree()函数来解析dtb文件，构建一个由device_node结构连接而成的单项链表，并使用全局变量of_allnodes指针来保存这个链表的头指针。这一步不需要二次开发
（5）内核调用OF提供的API函数获取of_allnodes链表信息来初始化内核其他子系统、设备等。这一步可能会二次开发。

如上：步骤1-4主要通过如下函数实现：

void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{   /*实现步骤1-3*/mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer);/* 实现步骤4 */unflatten_device_tree();
}

如上：步骤5主要通过如下函数实现：

int of_platform_populate(struct device_node *root,const struct of_device_id *matches,const struct of_dev_auxdata *lookup,struct device *parent)
{root = root ? of_node_get(root) : of_find_node_by_path("/");
/*
为每个node创建dev.  实现步骤5
struct platform_device也是在此时创建的
*/for_each_child_of_node(root, child) {rc = of_platform_bus_create(child, matches, lookup, parent, true);if (rc)break;}
}

在此不对代码进行逐行分析，只对重点函数的功能予以说明，并且对可能需要二次开发的地方重点举例说明。实际工作中，主要集中在第（2）、（5）步。

2 重点函数分析.
1）setup_machine_fdt()
该函数主要解析设备树中和系统初始启动有关的参数，比如bootargs、Linux使用的物理内存等。实际项目中新添加的uboot参数，也可以在此解析。如下：

举例：如何通过FDT将uboot参数example_para传入kernel：
第一步：将example_para作为一个子节点，加入dts的根节点中。

如下example_plat_version.dts文件：

/include/ "example-plat.dtsi"
/{mode = "example plat evm Board";compatible = "example,**";chosen{bootargs = "console=ttyS0,115200 mem=100M root=/dev/mtdblock0 init=/linuxrc"; };apb@80000000{};/* 新添加的节点*/example_para{test = <1>;ethaddr = "0x00";};};

第二步kernel中解析example_para。如下early_init_dt_scan_example_para需要我们自己来实现。

struct machine_desc *__init setup_machine_fdt(unsigned int dt_phys)
{of_scan_fdt_dt(early_init_dt_scan_chosen,boot_command_line);of_scan_fdt_dt(early_init_dt_scan_memory,NULL);of_scan_fdt_dt(early_init_dt_scan_example_para,NULL);
}

第三步解析dtb文件查找到example_para

int __init early_init_dt_scan_example_para(unsigned node,char *uname,int depth,void *data)
{char *pchar;unsigned int leng;unsigned int *pvar;if(strcmp(uname,"example_para")==0){pvar=of_get_flat_dt_prop(node,"ethaddr",&leng);pchar=of_get_flat_dt_prop(node,"ethaddr",&leng);}
}

至此，完成example_para节点添加，大部分初始参数都可以如此实现.以下简单分析一下上述实现过程.

2) of_scan_flat_dt()实现功能:
dtc工具在解析dts时，会生成一个描述dts的结构，并放在dtb的头部。
dtc工具在解析dts时，example_para被保存到dtb的结构块中，因此从结构块的起始偏移地址开始遍历，能够在dtb中找到name为example_para的节点。

Ps：注意此时dtb被拷贝到了DRAM.

DTB的头结构如下：struct boot_param_header {__be32 magic;                //设备树魔数，固定为0xd00dfeed__be32 totalsize;            //整个设备树的大小__be32 off_dt_struct;        //保存结构块在整个设备树中的偏移__be32 off_dt_strings;        //保存的字符串块在设备树中的偏移__be32 off_mem_rsvmap;        //保留内存区，该区保留了不能被内核动态分配的内存空间__be32 version;            //设备树版本__be32 last_comp_version;    //向下兼容版本号__be32 boot_cpuid_phys;    //为在多核处理器中用于启动的主cpu的物理id__be32 dt_strings_size;    //字符串块大小__be32 dt_struct_size;     //结构块大小
};

3) early_init_dt_scan_example_para()->of_get_flat_dt_prop()实现功能。
找到example_para节点后，继续查找property，例如test对应一个属性名为test的属性结构体即struct property。

struct property {char *name;        //属性名int length;        //属性值长度void *value;        //属性值struct property *next; //指向下一个属性unsigned long _flags; //标志unsigned int unique_id;
};

到此，linux系统可以解析出example_para的值。
如下函数中实现example_para解析：
Ps: 注意查找方式遵循dtb的生成方式，即dtc对dts的解析规则。

4）unflatten_device_tree()实现功能。
实际上如前所述，系统启动初期已经解析了dtb，不过只是查找少部分启动所需的初始化参数，如chosen（example_para）。系统真正完成对整个dtb文件解析是在该函数中实现。只要合理配置dts文件，该函数就能自动解析出对应node，不需要我么再次开发。unflatten_device_tree()函数解析dtb文件，构建一个由device_node结构连接而成的单项链表，并使用全局变量of_allnodes指针来保存这个链表的头指针。内核调用OF提供的API函数获取of_allnodes链表信息来初始化内核其他子系统、设备。

设备节点结构体:

struct device_node {const char *name;    //设备nameconst char *type; //设备类型phandle phandle;const char *full_name; //设备全称，包括父设备名struct property *properties; //设备属性链表struct property *deadprops; //removed propertiesstruct device_node *parent; //指向父节点struct device_node *child; //指向子节点struct device_node *sibling; //指向兄弟节点struct device_node *next; //相同设备类型的下一个节点struct device_node *allnext; //next in list of all nodesstruct proc_dir_entry *pde; //该节点对应的procstruct kref kref;unsigned long _flags;void *data;
};

其中，dts文件中每个{ }内的内容对应一个device_node，即上述结构体。

5）of_platform_populate()
该函数能完成驱动设备初始化，其实在此并未实现真正意义上的硬件初始化，只是把驱动所需资源关联到了platform设备。
实现过程如下：
(1) 找到根节点。从of_allnodes开始遍历，找到 name为 “/” 的节点。
(2) 为根节点的每个子节点创建 struct platform_device *dev;并把子节点对应的device_node结构关联到platform_dev，如下实现：
of_device_alloc()中 dev->dev.of_node = of_node_get(np);
(3) 注册驱动 driver_register()时，通过platform_device找到device_node,从而找到dts中配置的驱动资源。

【分析五】FDT兼容TAG

Linux系统在实现 FDT时，除了考虑直接用FDT替代tag外，还考虑的兼容tag的做法。

考虑FDT兼容tag的情况，不需要对uboot进行修改。即前面所述的分析二和分析三都可以不用实现，不过内核中要做好兼容措施。下面介绍一下实现步骤：

第一步：打开内核对FDT兼容TAG的配置，make menuconfig如下：

第二步分析内核启动第一阶段，将tag转换成FDT。
分析下面的小段代码arch/arm/boot/compressed/head.s：
1) 至此 r6中保存的是dtb在dram上的起始地址，r8中保存atag在dram上地址。把dtb 头部的magic信息保存到r1，并校验是否为0xd00dfeed,这一步实际是检查是否有dtb文件。
2) 只考虑存在dtb的情况，此时会跳转到atag_to_fdt()中去把tag信息转换为fdt信息。

  ldr lr, [r6, #0]
#ifndef __ARMEB__ldr r1, =0xedfe0dd0  @ sig is 0xd00dfeed big endian
#elseldr r1, =0xd00dfeed
#endifcmp lr, r1bne dtb_check_done  @ not found
#ifdef CONFIG_ARM_ATAG_DTB_COMPAT/** OK... Let's do some funky business here.* If we do have a DTB appended to zImage, and we do have* an ATAG list around, we want the later to be translated* and folded into the former here.  To be on the safe side,* let's temporarily move  the stack away into the malloc* area.  No GOT fixup has occurred yet, but none of the* code we're about to call uses any global variable.*/add sp, sp, #0x10000stmfd sp!, {r0-r3, ip, lr}mov r0, r8mov r1, r6sub r2, sp, r6bl atags_to_fdt/** If returned value is 1, there is no ATAG at the location* pointed by r8.  Try the typical 0x100 offset from start* of RAM and hope for the best.*/cmp r0, #1sub r0, r4, #TEXT_OFFSETbic r0, r0, #1add r0, r0, #0x100mov r1, r6sub r2, sp, r6bleq atags_to_fdtldmfd sp!, {r0-r3, ip, lr}sub sp, sp, #0x10000
#endifmov r8, r6   @ use the appended device tree

第三步观察atags_to_fdt()内核接口，该函数已经实现了将ATAG_CMDLINE转换为FDT的过程，若要实现其他转换，可参照实现：

/** Convert and fold provided ATAGs into the provided FDT.** REturn values:*    = 0 -> pretend success*    = 1 -> bad ATAG (may retry with another possible ATAG pointer)*    < 0 -> error from libfdt*/
int atags_to_fdt(void *atag_list, void *fdt, int total_space)
{for_each_tag(atag, atag_list) {if (atag->hdr.tag == ATAG_CMDLINE) {if (do_extend_cmdline)merge_fdt_bootargs(fdt,atag->u.cmdline.cmdline);elsesetprop_string(fdt, "/chosen", "bootargs",atag->u.cmdline.cmdline);} }
}

【总结】

系统切换到linux3.10之后，驱动中获取资源的方式、启动中获取初始信息的方式都有所改变，在系统移植或者驱动编写过程要尤为注意。
也许你会发现，没有配置dts文件，驱动也能正常运行，那很可能是dts中的默认配置已经满足了驱动的要求，而不是不需要配置dts。

【附录】

网上找到一些OF提供的常用API函数，驱动开发中可能会用到，一并奉上：

//OF提供的函数主要集中在drivers/of/目录下，有address.c,base.c,device.c,fdt.c,irq.c,platform.c等等
1. 用来查找在dtb中的根节点
unsigned long __init of_get_flat_dt_root(void)

2. 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)
例如：
struct device_node *cpus;
cpus=of_find_node_by_path("/cpus");

3. 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)
例如：
struct device_node *np;
np = of_find_node_by_name(NULL,"firewire");

4. 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)
例如：
struct device_node *tsi_pci;
tsi_pci= of_find_node_by_type(NULL,"pci");

5. 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)

6. 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)

7. 根据phandle查找device_node
struct device_node *of_find_node_by_phandle(phandle handle)

8. 根据alias的name获得设备id号
int of_alias_get_id(struct device_node *np, const char *stem)

9. device node计数增加/减少
struct device_node *of_node_get(struct device_node *node)
void of_node_put(struct device_node *node)

10. 根据property结构的name参数，在指定的device node中查找合适的property
struct property *of_find_property(const struct device_node *np,const char *name,int *lenp)

11. 根据property结构的name参数，返回该属性的属性值
const void *of_get_property(const struct device_node *np, const char *name,int *lenp)

12. 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)

13. 获得父节点的device node
struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node)

14. 将matches数组中of_device_id结构的name和type与device node的compatible和type匹配，返回匹配度最高的of_device_id结构
const struct of_device_id *of_match_node(const struct of_device_id *matches,const struct device_node *node)

15. 根据属性名propname，读出属性值中的第index个u32数值给out_value
int of_property_read_u32_index(const struct device_node *np,const char *propname,u32 index, u32 *out_value)

16. 根据属性名propname，读出该属性的数组中sz个属性值给out_values
int of_property_read_u8_array(const struct device_node *np,const char *propname, u8 *out_values, size_t sz)
int of_property_read_u16_array(const struct device_node *np,const char *propname, u16 *out_values, size_t sz)
int of_property_read_u32_array(const struct device_node *np,const char *propname, u32 *out_values,size_t sz)

17. 根据属性名propname，读出该属性的u64属性值
int of_property_read_u64(const struct device_node *np, const char *propname,u64 *out_value)

18. 根据属性名propname，读出该属性的字符串属性值
int of_property_read_string(struct device_node *np, const char *propname,const char **out_string)

19. 根据属性名propname，读出该字符串属性值数组中的第index个字符串
int of_property_read_string_index(struct device_node *np, const char *propname,int index, const char **output)

20. 读取属性名propname中，字符串属性值的个数
int of_property_count_strings(struct device_node *np, const char *propname)

21. 读取该设备的第index个irq号
unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index)

22. 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)

23. 获取该设备的irq个数
int of_irq_count(struct device_node *dev)

24. 获取设备寄存器地址，并填充寄存器资源结构体
int of_address_to_resource(struct device_node *dev, int index,struct resource *r)
const __be32 *of_get_address(struct device_node *dev, int index, u64 *size,unsigned int *flags)

25. 获取经过映射的寄存器虚拟地址
void __iomem *of_iomap(struct device_node *np, int index)

24. 根据device_node查找返回该设备对应的platform_device结构
struct platform_device *of_find_device_by_node(struct device_node *np)

25. 根据device node，bus id以及父节点创建该设备的platform_device结构
struct platform_device *of_device_alloc(struct device_node *np,const char *bus_id,struct device *parent)
static struct platform_device *of_platform_device_create_pdata(struct device_node *np,const char *bus_id,
void *platform_data,struct device *parent)

26. 遍历of_allnodes中的节点挂接到of_platform_bus_type总线上,由于此时of_platform_bus_type总线上还没有驱动,所以此时不进行匹配
int of_platform_bus_probe(struct device_node *root,const struct of_device_id *matches,struct device *parent)

27. 遍历of_allnodes中的所有节点，生成并初始化platform_device结构
int of_platform_populate(struct device_node *root,const struct of_device_id *matches,
const struct of_dev_auxdata *lookup,struct device *parent)

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