设备树详解

简介

在传统Linux内核中，ARM架构的板极硬件细节过多地被硬编码在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx，比如板上的platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各种硬件的platform_data，这些板级细节代码对内核来讲只不过是垃圾代码。而采用Device Tree后，许多硬件的细节可以直接透过它传递给Linux，而不再需要在kernel中进行大量的冗余编码。导致ARM的merge工作量较大。

之后经过一些讨论，对ARM平台的相关code做出如下相关规范调整，这个也正是引入DTS的原因。

1、ARM的核心代码仍然保存在arch/arm目录下

2、ARM SoC core architecture code保存在arch/arm目录下

3、ARM SOC的周边外设模块的驱动保存在drivers目录下

4、ARM SOC的特定代码在arch/arm/mach-xxx目录下

5、ARM SOC board specific的代码被移除，由DeviceTree机制来负责传递硬件拓扑和硬件资源信息。

本质上，Device Tree改变了原来用code方式将硬件配置信息嵌入到内核代码的方法，改用bootloader传递一个DB的形式。对于嵌入式系统，在系统启动阶段，bootloader会加载内核并将控制权转交给内核，此外，还需要把上述的三个参数信息传递给kernel，以便kernel可以有较大的灵活性。在linux kernel中，Device Tree的设计目标就是如此。

在devie tree中，可描述的信息包括：

1、CPU的数量和类别

2、内存基地址和大小

3、总线和桥

4、外设连接

5、中断控制器和中断的使用情况

6、GPIO控制器和GPIO使用情况

7、clock控制器和clock使用情况

它基本就是一棵电路板上的CPU、总线、设备组成的树，Bootloader会将这棵树传递给内核，然后内核来识别这棵树，并根据它展开出Linux内核中的platform_device、i2c_client、spi_device等设备，而这些设备用到的内存、IRQ等资源，也被传递给内核，内核会将这些资源绑定给展开的相应设备。

Linux内核从3.x开始引入设备树的概念，用于实现驱动代码与设备信息相分离。在设备树出现以前，所有关于设备的具体信息都要写在驱动里，一旦外围设备变化，驱动代码就要重写。引入了设备树之后，驱动代码只负责处理驱动的逻辑，而关于设备的具体信息存放到设备树文件中，这样，如果只是硬件接口信息的变化而没有驱动逻辑的变化，驱动开发者只需要修改设备树文件信息，不需要改写驱动代码。比如在ARM Linux内，一个.dts(device tree source)文件对应一个ARM的machine，一般放置在内核的"arch/arm/boot/dts/"目录内，比如stmp1a-dk1参考板的板级设备树文件就是"arch/arm/boot/dts/ stm32mp157a-dk1.dts"。这个文件可以通过make dtbs命令编译成二进制的.dtb文件供内核驱动使用。

基于同样的软件分层设计的思想，由于一个SoC可能对应多个machine，如果每个machine的设备树都写成一个完全独立的.dts文件，那么势必相当一些.dts文件有重复的部分，为了解决这个问题，Linux设备树目录把一个SoC公用的部分或者多个machine共同的部分提炼为相应的.dtsi文件。这样每个.dts就只有自己差异的部分，公有的部分只需要"include"相应的.dtsi文件, 这样就是整个设备树的管理更加有序。我这里用Linux4.19.94源码自带的goodix touchscreen触摸芯片为例来分析设备树的使用和移植。这个触摸芯片的设备树节点信息在" Documentation/devicetree/bindings/input/touchscreen/goodix.txt"有详细说明，其驱动源码是" drivers/input/touchscreen/goodix.c"。

基础知识介绍

• dts

硬件的相应信息都会写在.dts为后缀的文件中，每一款硬件可以单独写一份例如stm32mp157a-dk1.dts，一般在Linux源码中存在大量的dts文件，对于arm架构可以在arch/arm/boot/dts找到相应的dts，一个dts文件对应一个ARM的machie。

• dtsi

值得一提的是，对于一些相同的dts配置可以抽象到dtsi文件中，然后类似于C语言的方式可以include到dts文件中，对于同一个节点的设置情况，dts中的配置会覆盖dtsi中的配置。

• dtc

dtc是编译dts的工具，可以在Ubuntu系统上通过指令apt-get install device-tree-compiler安装dtc工具，不过在内核源码scripts/dtc路径下已经包含了dtc工具；

• dtb

dtb(Device Tree Blob)，dts经过dtc编译之后会得到dtb文件，dtb通过Bootloader引导程序加载到内核。所以Bootloader需要支持设备树才行；Kernel也需要加入设备树的支持；

DTS结构

/dts-v1/;
/ {
   node1 {
     a-string-property = "A string";
     a-string-list-property = "first string", "second string";
    // hex is implied in byte arrays. no '0x' prefix is required
     a-byte-data-property = [01 23 34 56];
     child-node1 {
       first-child-property;
       second-child-property = <1>;
       a-string-property = "Hello, world";
     };
     child-node2 {
     };
   };
  node2 {
    an-empty-property;
    a-cell-property = <1 2 3 4>; /* each number (cell) is a uint32 */
    child-node1 {
    };
  };
};

device tree的基本单元是node。这些node被组织成树状结构，除了root node，每个node都只有一个parent。一个device tree文件中只能有一个root node。每个node中包含了若干的property/value来描述该node的一些特性。每个node用节点名字（node name）标识，节点名字的格式是node-name@unit-address。如果该node没有reg属性（后面会描述这个property），那么该节点名字中必须不能包括@和unit-address。unit-address的具体格式是和设备挂在那个bus上相关。例如对于cpu，其unit-address就是从0开始编址，以此加一。而具体的设备，例如以太网控制器，其unit-address就是寄存器地址。root node的node name是确定的，必须是“/”。

也就是说设备树源文件的结构为:

• 1个root节点”/”;
• root节点下面含一系列子节点，“node1” and “node2”
• 节点node1和下又含有一系列子节点，“child-node1” and “child-node2”
• 各个节点都有一系列属性
  • 这些属性可能为空，如an-empty-property
  • 可能为字符串，如a-string-property
  • 可能为字符串树组，如a-string-list-property
  • 可能为Cells（由u32整数组成），如second-child-property

DTS语法介绍

了解了基本的device tree的结构后，我们总要把这些结构体现在device tree source code上来。在linux kernel中，扩展名是dts的文件就是描述硬件信息的device tree source file，在dts文件中，一个node被定义成如下格式：

[label:] node-name[@unit-address] {
  [properties definitions]
  [child nodes]
}

“[]”表示option，因此可以定义一个只有node name的空节点，label方便在dts文件中引用。

基本数据类型：

• text string（以null结束），以双引号括起来，如：string-property = “a string”；
• cells 是32位无符号整形数，以尖括号括起来，如：cell-property = <0xbeef 123 0xabcd1234>；
• binary data 以方括号括起来，如：binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67]；
• 不同类型数据可以在同一个属性中存在，以逗号分格，如：mixed-property = “a string”, [0x01 0x23 0x45 0x67]，<0x12345678>；
• 多个字符串组成的列表也使用逗号分格，如：string-list = “red fish”,”blue fish”;

dts的组成

compatible

每一个dts文件都是由一个root的根节点组成，内核通过根节点“/”的兼容性即可判断它启动的是什么设备，其代码结构如下

C++ Code

/ {
  model = "HQYJ FS-MP1A Discovery Board";
  compatible = "st,stm32mp157a-dk1", "st,stm32mp157", "hqyj,fsmp1a";
  aliases {
   ethernet0 = &ethernet0;
   serial0 = &uart4;
   serial5 = &usart3;
  };
  chosen {
     stdout-path = "serial0:115200n8";
  };
  ... ...
};

model属性值是，它指定制造商的设备型号。推荐的格式是：“manufacturer，model”，其中manufacturer是一个字符串描述制造商的名称，而型号指定型号。

compatible属性值是,指定了系统的名称，是一个字符串列表，它包含了一个“<制造商>,<型号>”形式的字符串。重要的是要指定一个确切的设备，并且包括制造商的名字，以避免命名空间冲突。

chosen 节点不代表一个真正的设备，但功能与在固件和操作系统间传递数据的地点一样，如根参数，取代以前bootloader的启动参数，控制台的输入输出参数等。

#address-cells和#size-cells

port {
   #address-cells = <1>;
   #size-cells = <0>;
   ltdc_ep0_out: endpoint@0 {
       reg = <0>;
       remote-endpoint = <&sii9022_in>;
   };
};

#address-cells = <1>: 基地址、片选号等绝对起始地址所占字长，单位uint32。
#size-cells = <1>: 长度所占字长，单位uint32。

CPU addressing

在讨论寻址时，CPU节点代表了最简单的情况。 每个CPU都分配有一个唯一的ID，并且没有与CPU ID相关联的大小。

cpus {
   #address-cells = <1>;
   #size-cells = <0>;
   cpu0: cpu@0 {
       compatible = "arm,cortex-a7";
       device_type = "cpu";
       reg = <0>;
       clocks = <&rcc CK_MPU>;
       clock-names = "cpu";
       operating-points-v2 = <&cpu0_opp_table>;
       nvmem-cells = <&part_number_otp>;
       nvmem-cell-names = "part_number";
   };
   cpu1: cpu@1 {
       compatible = "arm,cortex-a7";
       device_type = "cpu";
       reg = <1>;
       clocks = <&rcc CK_MPU>;
       clock-names = "cpu";
       operating-points-v2 = <&cpu0_opp_table>;
   };
};

在cpus节点，#address-cells被设置成了1，#size-cells被设置成了0。这是说子reg值是单独的uint32，它用无大小字段表示地址。在此情况下，这两个cpu分配到的地址为0和1。cpu节点的#size-cells是0因为每个cpu只分配到了一个单独的地址。

你仍然需要注意reg值班需要与节点名的值相匹配。按照惯例，如果一个节点有一个reg属性，那么这个节点名称必须包括unit-address,这是reg属性的第一个address值。

Memory Mapped Devices

与在cpu节点中单独的address值不同，内存映射设备被分配了一系列将要响应的地址，因此不仅需要包含内存的基地址而且还需要映射地址的长度，因此需要使用#size-cells用来表示在每个子reg元组中长度字段的大小。在以下示例中，每个address值为1 cell(32 bits),每个长度值也是1 cell,这在32 bit系统是比较典型的。64 bit设备也许会为#address-cells和#size-cells使用数值2，在device tree中获取64 bit addressing。

/dts-v1/;
/ {
   #address-cells = <1>;
   #size-cells = <1>;
   ...
   timers2: timer@40000000 {
       compatible = "st,stm32-timers";
       reg = <0x40000000 0x400>;
   };
   timers3: timer@40001000 {
       compatible = "st,stm32-timers";
       reg = <0x40001000 0x400>;
   };
   spi2: spi@4000b000 {
       compatible = "st,stm32h7-spi";
       reg = <0x4000b000 0x400>;
   };
   uart7: serial@40018000 {
       compatible = "st,stm32h7-uart";
       reg = <0x40018000 0x400>;
   };
   sai1: sai@4400a000 {
       compatible = "st,stm32h7-sai";
       reg = <0x4400a000 0x4>;
   };
   ...
};

Non Memory Mapped Devices

处理器总线的其它设备为非内存映射设备。他们有地址范围，但不能被CPU直接寻址。母设备的驱动程序将代替CPU进行间接访问。以i2c设备为例，每个设备都分配了一个地址，但没有长度或范围与之相匹配。这与CPU地址分配很相似。

C++ Code

etf: etf@50092000 {
   compatible = "arm,coresight-tmc", "arm,primecell";
   reg = <0x50092000 0x1000>;
   clocks = <&rcc CK_TRACE>;
   clock-names = "apb_pclk";
   ports {
       #address-cells = <1>;
       #size-cells = <0>;
       port@0 {
           reg = <0>;
           etf_in_port: endpoint {
               slave-mode;
               remote-endpoint = <&funnel_out_port0>;
           };
       };
       port@1 {
           reg = <0>;
           etf_out_port: endpoint {
               remote-endpoint = <&tpiu_in_port>;
           };
       };
   };
};

Ranges (Address Translation)

前面已经讨论过如何向设备分配地址，但此时这些地址只是本地设备节点，还没有说明如何从那些地址里映射到cpu可以使用的地址。根节点经常描述地址空间的CPU视图。根节点的子节点已经使用了CPU的address domain，所以不需要任何明确的映射。例如，serial@101f0000设备被直接分配了地址0x101f0000。

根节点的非直接子节点是无法使用CPU的address domain的。为了在deivce tree获取内存映射地址必须指定如何从一个域名将地址转换到另一个。Ranges属性就用于此目的。以下是添加了ranges属性的device tree示例。

m4_rproc: m4@0 {
   compatible = "st,stm32mp1-rproc";
   #address-cells = <1>;
   #size-cells = <1>;
   ranges = <0x00000000 0x38000000 0x10000>,
        <0x30000000 0x30000000 0x60000>,
        <0x10000000 0x10000000 0x60000>;
   resets = <&rcc MCU_R>;
   reset-names = "mcu_rst";
   st,syscfg-pdds = <&pwr 0x014 0x1>;
   st,syscfg-holdboot = <&rcc 0x10C 0x1>;
   st,syscfg-tz = <&rcc 0x000 0x1>;
   st,syscfg-rsc-tbl = <&tamp 0x144 0xFFFFFFFF>;
   status = "disabled";
   m4_system_resources {
       compatible = "rproc-srm-core";
       status = "disabled";
   };
};

ranges是一个地址转换列表。每个输入ranges表格的是包含子地址的元组，母地址和子地址空间的范围大小。每个字段的大小都由获取的子地址的#address-cells值，母地址的#address-cell值和子地址的#size-cells值而定。以外部总线为例，子地址是2 cells，母地址是1 cell,大小也为1 cell。

status

device tree中的status标识了设备的状态，使用status可以去禁止设备或者启用设备，看下设备树规范中的status可选值。

值	描述
“okay”	表示设备正在运行
“disabled”	表示该设备目前尚未运行，但将来可能会运行
“fail”	表示设备无法运行。在设备中检测到严重错误，确实如此没有修理就不可能投入运营
“fail-sss”	表示设备无法运行。在设备中检测到严重错误，它是没有修理就不可能投入运营。值的sss部分特定于设备并指示检测到的错误情况。

中断映射

与遵循树的自然结构而进行的地址转换不同，机器上的任何设备都可以发起和终止中断信号。另外地址的编址也不同于中断信号，前者是设备树的自然表示，而后者者表现为独立于设备树结构的节点之间的链接。

下面显示了ADC控制器中断设备片段

adc: adc@48003000 {
   compatible = "st,stm32mp1-adc-core";
   reg = <0x48003000 0x400>;
   interrupts = <GIC_SPI 18 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
            <GIC_SPI 90 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
   clocks = <&rcc ADC12>, <&rcc ADC12_K>;
   clock-names = "bus", "adc";
   interrupt-controller;
   st,syscfg-vbooster = <&syscfg 0x4 0x100>;
   st,syscfg-vbooster-clr = <&syscfg 0x44 0x100>;
   st,syscfg-anaswvdd = <&syscfg 0x4 0x200>;
   st,syscfg-anaswvdd-clr = <&syscfg 0x44 0x200>;
   #interrupt-cells = <1>;
   #address-cells = <1>;
   #size-cells = <0>;
   status = "disabled";
   adc1: adc@0 {
       compatible = "st,stm32mp1-adc";
       #io-channel-cells = <1>;
       reg = <0x0>;
       interrupt-parent = <&adc>;
       interrupts = <0>;
       dmas = <&dmamux1 9 0x400 0x05>;
       dma-names = "rx";
       status = "disabled";
   };
   adc2: adc@100 {
       compatible = "st,stm32mp1-adc";
       #io-channel-cells = <1>;
       reg = <0x100>;
       interrupt-parent = <&adc>;
       interrupts = <1>;
       dmas = <&dmamux1 10 0x400 0x05>;
       dma-names = "rx";
       /* temperature sensor */
       st,adc-channels = <12>;
       st,min-sample-time-nsecs = <10000>;
       status = "disabled";
   };
   jadc1: jadc@0 {
       compatible = "st,stm32mp1-adc";
       st,injected;
       #io-channel-cells = <1>;
       reg = <0x0>;
       interrupt-parent = <&adc>;
       interrupts = <3>;
       status = "disabled";
   };
   jadc2: jadc@100 {
       compatible = "st,stm32mp1-adc";
       st,injected;
       #io-channel-cells = <1>;
       reg = <0x100>;
       interrupt-parent = <&adc>;
       interrupts = <4>;
       /* temperature sensor */
       st,adc-channels = <12>;
       st,min-sample-time-nsecs = <10000>;
       status = "disabled";
   };
   adc_temp: temp {
       compatible = "st,stm32mp1-adc-temp";
       io-channels = <&adc2 12>;
       nvmem-cells = <&ts_cal1>, <&ts_cal2>;
       nvmem-cell-names = "ts_cal1", "ts_cal2";
       #io-channel-cells = <0>;
       #thermal-sensor-cells = <0>;
       status = "disabled";
   };
};

下面显示了ethernet控制器中断设备片段

ethernet0: ethernet@5800a000 {
   compatible = "st,stm32mp1-dwmac", "snps,dwmac-4.20a";
   reg = <0x5800a000 0x2000>;
   reg-names = "stmmaceth";
   interrupts-extended = <&intc GIC_SPI 61 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <&intc GIC_SPI 62 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <&exti 70 1>;
   interrupt-names = "macirq",
             "eth_wake_irq",
             "stm32_pwr_wakeup";
   clock-names = "stmmaceth",
             "mac-clk-tx",
             "mac-clk-rx",
             "ethstp";
   clocks = <&rcc ETHMAC>,
        <&rcc ETHTX>,
        <&rcc ETHRX>,
        <&rcc ETHSTP>;
   st,syscon = <&syscfg 0x4>;
   snps,mixed-burst;
   snps,pbl = <2>;
   snps,en-tx-lpi-clockgating;
   snps,axi-config = <&stmmac_axi_config_0>;
   snps,tso;
   power-domains = <&pd_core>;
   status = "disabled";
};

属性	属性值	描述
interrupts	prop-encoded-array	一个设备节点属性，该属性主要描述了中断的HW interrupt ID以及类型
interrupt-parent	phandle	该属性主要描述了该设备的interrupt request line连接到哪一个interrupt controller，那些没有 interrupt-parent 的节点则从它们的父节点中继承该属性
interrupts-extended	phandle prop-encoded-array	列出了设备生成的中断,当设备连接到多个中断控制器
interrupt-cells	u32	这是中断控制器节点的属性，用来标识这个控制器需要几个单位做中断描述符（类似于 #address-cells 和 #size-cells）,则子节点的interrupts一个cell三个32bits整型值： <中断域 中断 触发方式>
interrupt-controller	empty	一个空属性用来声明这个node接收中断信号

特殊节点

aliases节点为了解决节点路径名过长的问题，引入了节点别名的概念，可以引用到一个全路径的节点。如/external-bus/ethernet@0,0,但当用户想知道具体内容的时候显得太累赘。

aliases {
   ethernet0 = &ethernet0;
   serial0 = &uart4;
   serial5 = &usart3;
};

当为设备分配一个标识符的时候，操作系统更倾向于使用aliases。