A Tutorial on the Device Tree (Zynq) -- Part I

此教程的目的

本教程是针对Xilinx' Zynq-7000 EPP设备(一个集成了FPGA的ARM Cotex-A9)写的,但其中的概念适用于所有使用了设备树的Linux内核。本文使用Xillinux发行版为例,该发行版运行于Zedboard硬件上。

设备树有什么好处

设想一下:bootloader刚刚将Linux内核复制到内存中,然后跳到内核的入口点,,[1],,。此时内核就像运行在处理器上的一个裸机程序。需要配置处理器,设置虚拟内存,向控制台打印一些信息。但是这些事情如何完成?所有的这些操作都要通过写寄存器来实现,但Linux内核如何知道这些寄存器的地址?如何知道当前有多少个CPU核可以使用?有多少内存可以访问?

最直接的办法就是在内核代码里为指定平台写好这些代码,由内核配置参数决定哪些平台代码将被启用。当一切都固定不变时这种方法还不错,比如在x86处理器上内部的寄存器,或是BIOS的访问。但对于变化量来说, 比如PCI/PCIe外设,就需要内核明确了解这些变化的细节。

ARM架构已经变成了Linux社区的一个在麻烦:即使处理器使用相同的编译器和函数,但具体到某一种芯片,它就有自己的寄存器地址和不同的配置方式。不仅如此,每种板子都有自己的外设。结果造成内核中有大量的头文件、补丁和特殊的配置参数,它们的一种组合就对应于一款芯片的一种特殊板型。总之,这造成了大量丑陋和不可维护的代码。

另外,每个编译出来的内核bin文件都是为某一款芯片的某一种板子,有点像为市场上某一款PC主板编译内核。所以很希望为所有ARM处理器编译内核时,让内核能以某种方式识别硬件,然后使用正确的驱动,就像一台PC一样。

怎么实现呢?在PC上,寄存器初始化是硬编码的,其他的信息由BIOS提供。所以当有另一块软件提供这些信息时,硬件自动检测也很容易。ARM处理器没有BIOS,Linux内核只能靠自己了。

解决方案是设备树device tree, 也称作Open Firmware(OF)或Flattened Device Tree(FDT)。本质上是一个字节码格式的数据结构,其中包含信息在内核启动时非常有用。bootloader在跳到内核入口点之前将这一块数据复制到RAM中的已知地址。

设备树的严格的规范,却没有规定哪些内容可以放置其中以及放置的位置。内核可以搜索设备树中的任意路径和参数。程序员来决定哪些配置作为参数放进设备树里,以及放置在什么地方。

采取标准的树结构,则可用一套方便的API来操作。例如,约定好如何定义总线上的外设,那么API可以获取到驱动所需的基本信息:地址、中断和自定义变量。后面会介绍更多。

对于我们大多数人来说,我们用设备树来向内核描述对硬件的添加或删除操作,作为响应,内核就可以加载或卸载相应的驱动。硬件的特殊信息也可以通过设备树来向内核传达。

编译设备树

设备树有三种形式:

* 文本文件 (.dts) - 源

* 二进制对象 (
.dtb) - 目标码

* Linux系统中/proc/device-tree目录 - 调试和逆向信息

启用/proc/device-tree目录需要打开配置CONFIG_PROC_DEVICETREE:

Device Drivers --->

Device Tree and Open Firmware support --->

[*] Support for device tree in /proc

对于设备树,我们一般的使用流程是:编辑DTS文件,然后用一个工具将其编译成DTB文件,这个工具就在Linux内核源码scripts/dtc/目录下。

设备树编译器也可以单独下载并编译:

$ git clone git://www.jdl.com/software/dtc.git dtc
$ cd dtc
$ make

但是下文的描述都使用内核原码中的dtc工具。

设备树的语法在这里描述。注意这种语言并不作任何执行操作,不像XML,这只是一种组织数据的语法。一些架构有自动产生设备树的工具,来自于XPS项目。但目前对于Zynq EPP平台还没有此工具。

DTS编译为DTB:

$ scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o /path/to/my-tree.dtb /path/to/my-tree.dts

这样就创建了my-tree.dtb二进制文件。dtc是主机上的一个程序。如果内核没有编译过,则先需要编译好DTS编译器:配置内核,也可以复制一份已有的配置文件到内核根目录下的.config。如下:

$ make ARCH=arm digilent_zed_defconfig

生成DTS编译器:

$ make ARCH=arm scripts

dtc也可以从一个DTB文件或/proc/device-tree文件系统反编译。例如从DTB反编译:

$ scripts/dtc/dtc -I dtb -O dts -o /path/to/fromdtb.dts /path/to/booted_with_this.dtb

生成的dts文件仍然可以被用来生成dtb。但最好还是使用最初的DTS文件,因为一些参考标签在反编译的DTS文件中显示为数字。

从运行中的内核生成DTS文件:

# scripts/dtc/dtc -I fs -O dts -o ~/effective.dts /proc/device-tree/

注释

[1] 切入点,entry point

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