【萬字長文】Linux設(shè)備樹詳解
Linux內(nèi)核是從V2.6開始引入設(shè)備樹的概念，其起源于OF:OpenFirmware， 用于描述一個硬件平臺的硬件資源信息，這些信息包括：CPU的數(shù)量和類別、內(nèi)存基地址和大小、總線和橋、外設(shè)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使用情況等等。
官方說明：
The "Open Firmware Device Tree", or simply Device Tree (DT), is a data structure and language for describing hardware.
設(shè)備樹是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一種用于描述硬件信息的語言。
設(shè)備樹的特點(diǎn)：
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實(shí)現(xiàn)驅(qū)動代碼與設(shè)備硬件信息相分離。
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通過被bootloader(uboot)和Linux傳遞到內(nèi)核， 內(nèi)核可以從設(shè)備樹中獲取對應(yīng)的硬件信息。
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對于同一SOC的不同主板，只需更換設(shè)備樹文件即可實(shí)現(xiàn)不同主板的無差異支持，而無需更換內(nèi)核文件，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核和不同板級硬件數(shù)據(jù)的拆分。
二設(shè)備樹的由來
明白了設(shè)備樹的概念，不妨思考一下：為什么要引入設(shè)備樹？
在Linux內(nèi)核v2.6版本以前，ARM架構(gòu)用于描述不同的硬件信息的文件都存放在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx文件夾下，如下：
在這些文件內(nèi)，都是通過手動定義不同的硬件設(shè)備，步驟非常繁瑣
這樣就導(dǎo)致了Linux內(nèi)核代碼中充斥著大量的垃圾代碼，因?yàn)椴煌陌寮壦麄兊挠布畔⒍疾幌嗤?，這些都是硬件特有的信息，對內(nèi)核而言沒有任何的意義，但是往往這部分代碼特別的多，造成內(nèi)核的冗余。
設(shè)備樹的引入就是為了解決這個問題，通過引入設(shè)備樹，我們可以直接通過它來傳遞給Linux，而不再需要內(nèi)核中大量的垃圾代碼。
三設(shè)備樹組成
整個設(shè)備樹牽涉面比較廣，即增加了新的用于描述設(shè)備硬件信息的文本格式，又增加了編譯這個文本的工具，同時還得支持Bootloader解析設(shè)備樹，并將信息傳遞給內(nèi)核。
整個設(shè)備樹包含DTC（device tree compiler），DTS（device tree source）和DTB（device tree blob）。
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DTS（device tree source）
DTS是一種ASCII文本格式的設(shè)備樹描述，在ARM Linux中，一個dts文件對應(yīng)一個ARM的設(shè)備，該文件一般放在arch/arm/boot/dts/目錄中。
當(dāng)然，我們還會看到一些dtsi文件，這些文件有什么用呢？
Dtsi：由于一個SoC可能對應(yīng)多個設(shè)備（一個SoC可以對應(yīng)多個產(chǎn)品和電路板），這些.dts文件勢必須包含許多共同的部分，Linux內(nèi)核為了簡化，把SoC公用的部分或者多個設(shè)備共同的部分一般提煉為.dtsi，類似于C語言的頭文件。其他的設(shè)備對應(yīng)的.dts就包括這個.dtsi 。
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DTC（device tree compiler）
DTC是將.dts編譯為.dtb的工具，相當(dāng)于gcc。
DTC的源代碼位于內(nèi)核的scripts/dtc目錄中， 在Linux內(nèi)核使能了設(shè)備樹的情況下， 編譯內(nèi)核的時候，工具DTC會被編譯出來， 對應(yīng)于scripts/dtc/Makefile中hostprogs-y:=dtc這一編譯目標(biāo)。
該工具一般在編譯內(nèi)核的時候，默認(rèn)會自動執(zhí)行編譯操作，如果我們想單獨(dú)編譯設(shè)備樹，該怎么辦呢？
兩條編譯命令：
將dts文件編譯為dtb：
dtc -I dts -O dtb xxx.dtb xxx.dts
將dtb文件反編譯為dts：
dtc -I dtb -O dts xxx.dts xxx.dtb
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DTB（device tree blob）
dtb文件是.dts 被 DTC 編譯后的二進(jìn)制格式的設(shè)備樹文件，它由Linux內(nèi)核解析，也可以被bootloader進(jìn)行解析。
通常在我們?yōu)殡娐钒逯谱鱊AND、SD啟動映像時，會為.dtb文件單獨(dú)留下一個很小的區(qū)域以存放之，之后bootloader在引導(dǎo)內(nèi)核的過程中，會先讀取該.dtb到內(nèi)存。
總之，三者關(guān)系如下：
四設(shè)備樹語法
dts文件是一種ASCII文本格式的設(shè)備樹描述，它有以下幾種特性：
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每個設(shè)備樹文件都有一個根節(jié)點(diǎn)，每個設(shè)備都是一個節(jié)點(diǎn)。
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節(jié)點(diǎn)間可以嵌套，形成父子關(guān)系，這樣就可以方便的描述設(shè)備間的關(guān)系。
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每個設(shè)備的屬性都用一組key-value對(鍵值對)來描述。
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每個屬性的描述用;結(jié)束
記住上面的幾個核心特性，往下看！
4.1數(shù)據(jù)格式/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 =; a-string-property = "Hello, world"; }; child-node2 { }; }; node2 { an-empty-property; a-cell-property =; /* each number (cell) is a uint32 */ child-node1 { }; }; };
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/：表示根節(jié)點(diǎn)
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node1、node2：表示根節(jié)點(diǎn)下的兩個子節(jié)點(diǎn)
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child-node1、child-node2：表示子節(jié)點(diǎn)node1下的兩個子節(jié)點(diǎn)
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a-string-property = "A string";：字符串屬性，用雙引號表示
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cell-property =;：32bit的無符號整數(shù)，用尖括號表示
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binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67];：二進(jìn)制數(shù)據(jù)用方括號表示
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a-string-list-property = "first string", "second string";：用逗號表示字符串列表
4.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
DeviceTree的結(jié)構(gòu)非常簡單，由兩種元素組成：Node(節(jié)點(diǎn))和Property(屬性)。
[label:] node-name[@unit-address] { [properties definitions] [child nodes] }
想象一下，一棵大樹，每一個樹干都認(rèn)為是一個節(jié)點(diǎn)，每一片樹葉，想作一個屬性！
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label：節(jié)點(diǎn)的一個標(biāo)簽，可以作為別名
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node-name：節(jié)點(diǎn)的名稱
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unit-address：單元地址，也就是控制器的地址
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properties：屬性名稱
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definitions：屬性的值
4.3屬性介紹4.3.1基本屬性/dts-v1/; / { compatible = "acme,coyotes-revenge"; #address-cells =; #size-cells =; cpus { cpu@0 { compatible = "arm,cortex-a9"; reg =; }; cpu@1 { compatible = "arm,cortex-a9"; reg =; }; }; serial@101f0000 { #address-cells =; #size-cells =; compatible = "arm,pl011"; reg =; }; };
下面幾個屬性是基本屬性
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/dts-v1/;：表示一個dts設(shè)備樹文件
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/：表示根節(jié)點(diǎn)
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compatible = "acme,coyotes-revenge";
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compatible：“兼容性” 屬性，這是非常重要的一個屬性兼容屬性，由該屬性值來匹配對應(yīng)的驅(qū)動代碼。
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"acme,coyotes-revenge"：該值遵循"manufacturer,model"格式manufacturer表示芯片廠商，model表示驅(qū)動名稱
compatible是一個字符串列表。列表中的第一個字符串指定節(jié)點(diǎn)在表單中表示的確切設(shè)備","。
例如，飛思卡爾 MPC8349 片上系統(tǒng) (SoC) 有一個串行設(shè)備，可實(shí)現(xiàn) National Semiconductor ns16550 寄存器接口。因此，MPC8349 串行設(shè)備的 compatible 屬性應(yīng)為：compatible = "fsl,mpc8349-uart", "ns16550". 在這種情況下，fsl,mpc8349-uart指定確切的設(shè)備，并ns16550聲明它與 National Semiconductor 16550 UART 的寄存器級兼容。
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cpus：表示一個子節(jié)點(diǎn)，該子節(jié)點(diǎn)下又有兩個子節(jié)點(diǎn)，分別為cpu0和cpu1。
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cpu@0：遵循[@]格式
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：ascii字符串，表示節(jié)點(diǎn)名稱
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：單元地址，設(shè)備的私有地址，在節(jié)點(diǎn)reg屬性中描述。
下面幾個屬性與尋址相關(guān)的
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#address-cells ：表示reg屬性中表示地址字段的單元個數(shù)，每個單元32bit，即用多少個32bit單元表示地址信息。
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#size-cells：表示reg屬性中表示長度字段的單元個數(shù)，每個單元32bit，即用多少個32bit單元表示長度信息。
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reg：該屬性一般用于描述設(shè)備地址空間資源信息，一般都是某個外設(shè)的寄存器地址范圍信息。其式為reg =
。每個地址值都是一個或多個 32 位整數(shù)的列表，稱為單元格。同樣，長度值可以是單元格列表，也可以是空的。
以cpu節(jié)點(diǎn)為例：
cpu@0 { compatible = "arm,cortex-a9"; reg =; };
其#address-cells=1表示reg屬性中描述地址字段，所需32bit的單元個數(shù)為1，#size-cells=0表示reg屬性中沒有表示長度的單元，即reg=
再以serial節(jié)點(diǎn)為例：
serial@101f0000 { #address-cells =; #size-cells =; compatible = "arm,pl011"; reg =; };
該設(shè)備都被分配一個基址，以及被分配區(qū)域的大小
其#address-cells=1表示reg屬性中描述地址字段需要1個32bit單元，#size-cells=1表示reg屬性中描述長度字段需要2個單元，即reg=
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0x101f0000：表示serial的控制器起始地址
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0x1000：表示serial控制器所占用的大小
地址映射部分還要了解一個屬性，為什么要引入這個屬性呢？
根節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)的直接子節(jié)點(diǎn)，都使用了CPU的地址分配空間，但是根節(jié)點(diǎn)的非直接子節(jié)點(diǎn)，并不會自動實(shí)用CPU的地址空間，因此需要手動用屬性分配。
如上述的serial節(jié)點(diǎn)，屬于根節(jié)點(diǎn)下的直接子節(jié)點(diǎn)，無需手動再次分配地址空間，而下面所述的external-bus節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)部的子節(jié)點(diǎn)就需要再次分配！
/dts-v1/; / { compatible = "acme,coyotes-revenge"; #address-cells =; #size-cells =; ... external-bus { #address-cells =; #size-cells =; ranges = <0 0 0x10100000 0x10000 // Chipselect 1, Ethernet 1 0 0x10160000 0x10000 // Chipselect 2, i2c controller 2 0 0x30000000 0x1000000>; // Chipselect 3, NOR Flash ethernet@0,0 { compatible = "smc,smc91c111"; reg =; }; i2c@1,0 { compatible = "acme,a1234-i2c-bus"; #address-cells =; #size-cells =; reg =; rtc@58 { compatible = "maxim,ds1338"; reg =; }; }; flash@2,0 { compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash"; reg =; }; }; };
該總線使用了不同的尋址方式，分析一下external-bus節(jié)點(diǎn)：
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#address-cells =：用兩個單元表示地址
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#size-cells =：用一個單元表示長度
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reg =：第一個0表示片選號，第二個0表示基于片選的偏移，第三個表示偏移的大小
這種抽象的表示，如何映射到CPU地址區(qū)域呢？屬性來幫助！
ranges = <0 0 0x10100000 0x10000 // Chipselect 1, Ethernet 1 0 0x10160000 0x10000 // Chipselect 2, i2c controller 2 0 0x30000000 0x1000000>; // Chipselect 3, NOR Flash
range：表示了不同設(shè)備的地址空間范圍，表中的每一項(xiàng)都是一個元組，包含子地址、父地址以及子地址空間中區(qū)域的大小，這三個字段。
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子地址字段：由子節(jié)點(diǎn)的#address-cells決定，如前面的0 0、0 1
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父地址字段：由父節(jié)點(diǎn)的#address-cells決定，如0x10100000、0x10160000
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子地址空間字段：描述子節(jié)點(diǎn)的空間大小，由父節(jié)點(diǎn)的#size-cells決定，如0x10000、0x10000
經(jīng)過映射后，總線的地址映射如下：
4.3.3中斷屬性
Offset 0 from chip select 0 is mapped to address range 0x10100000..0x1010ffff
Offset 0 from chip select 1 is mapped to address range 0x10160000..0x1016ffff
Offset 0 from chip select 2 is mapped to address range 0x30000000..0x30ffffff
/dts-v1/; / { compatible = "acme,coyotes-revenge"; #address-cells =; #size-cells =; interrupt-parent = <&intc>; cpus { #address-cells =; #size-cells =; cpu@0 { compatible = "arm,cortex-a9"; reg =; }; cpu@1 { compatible = "arm,cortex-a9"; reg =; }; }; serial@101f0000 { compatible = "arm,pl011"; reg =; interrupts = < 1 0 >; }; intc: interrupt-controller@10140000 { compatible = "arm,pl190"; reg =; interrupt-controller; #interrupt-cells =; }; };
如上
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interrupt-controller：聲明一個節(jié)點(diǎn)是接收中斷信號的設(shè)備，也就是中斷控制器
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#interrupt-cells：interrupt-controller節(jié)點(diǎn)下的一個屬性，表明中斷標(biāo)識符用多少個單元表示
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interrupt-parent：設(shè)備節(jié)點(diǎn)中的一個屬性，選擇哪個中斷控制器
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interrupts：設(shè)備節(jié)點(diǎn)的一個屬性，中斷標(biāo)識符列表，其單元個數(shù)取決于#interrupt-cells
根據(jù)設(shè)備樹，我們了解到：
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該機(jī)器有一個中斷控制器interrupt-controller@10140000
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intc標(biāo)簽，為中斷控制器的別名，方便引用
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#interrupt-cells =;：中斷標(biāo)識符用兩個單元格表示
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interrupt-parent = <&intc>;：選擇中斷控制器
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interrupts = < 1 0 >;：表示一個中斷，第一個值用于表明中斷線編號，第二個值表明中斷類型，如高電平，低電平，跳變沿等
aliases { ethernet0 = e0; serial0 = &serial0; };
aliases：正如其名，別名屬性，使用方式：property = &label;
chosen { bootargs = "root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.1 console=ttyS0,115200"; };
chosen：該屬性并不表示一個真實(shí)的設(shè)備，但是提供一個空間，用于傳輸固件和Linux之間的數(shù)據(jù)，像啟動參數(shù)，
五設(shè)備樹的加載流程
我們知道，dts文件經(jīng)過dtc工具編譯為dtb，內(nèi)核加載并解析dtb文件，最終獲得設(shè)備樹的信息。
那么Linux如何加載``dtb文件，并生成對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的呢？
5.1設(shè)備樹地址設(shè)置我們一般通過Bootloader引導(dǎo)啟動Kernel，在啟動Kernel之前，Bootloader必須將dtb文件的首地址傳輸給Kernel，以供使用。
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Bootloader將dtb二進(jìn)制文件的起始地址寫入r2寄存器中
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Kernel在第一個啟動文件head.S/head-common.S中，讀取r2寄存器中的值，獲取dtb文件起始地址
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跳轉(zhuǎn)入口函數(shù)start_kernel執(zhí)行C語言代碼
06獲取設(shè)備樹中的平臺信息——machine_desc在dts文件中，在根節(jié)點(diǎn)中有一個compatible屬性，該屬性的值是一系列的字符串，比如compatible = “samsung，smdk2440”“samsung,smdk2410,samsung，smdk24xx”;，該屬性就是告訴內(nèi)核要選擇什么樣的machine_desc，因?yàn)閙achine_desc結(jié)構(gòu)體中有一個dt_compat成員，該成員表示machine_desc支持哪些單板，所以內(nèi)核會把compatible中的字符串與dt_compat進(jìn)行依次比較。
start_kernel // init/main.c setup_arch(&command_line); // arch/arm/kernel/setup.c mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer); // arch/arm/kernel/devtree.c early_init_dt_verify(phys_to_virt(dt_phys) // 判斷是否有效的dtb, drivers/of/ftd.c initial_boot_params = params; mdesc = of_flat_dt_match_machine(mdesc_best, arch_get_next_mach); // 找到最匹配的machine_desc, drivers/of/ftd.c while ((data = get_next_compat(&compat))) { score = of_flat_dt_match(dt_root, compat); if (score > 0 && score < best_score) { best_data = data; best_score = score; } } machine_desc = mdesc;
5.3獲取設(shè)備樹的配置信息在前面，我們也知道設(shè)備樹中的chosen屬性，用于傳輸固件和Linux之間的數(shù)據(jù)，包含一些啟動參數(shù)，那么我們該如何解析出來呢？
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/chosen節(jié)點(diǎn)中bootargs屬性的值, 存入全局變量：boot_command_line
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確定根節(jié)點(diǎn)的這2個屬性的值:#address-cells,#size-cells
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存入全局變量:dt_root_addr_cells,dt_root_size_cells
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解析/memory中的reg屬性, 提取出"base, size", 最終調(diào)用memblock_add(base, size);
5.4設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)解析dtb文件會在內(nèi)存中一直存在著，不會被內(nèi)核或者應(yīng)用程序占用，我們需要使用的時候可以直接使用dtb文件。dtb文件的內(nèi)容會被解析生成多個device_node，然后這些device_node構(gòu)成一棵樹, 根節(jié)點(diǎn)為: of_root
每一個節(jié)點(diǎn)都以TAG(FDT_BEGIN_NODE, 0x00000001)開始, 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部可以嵌套其他節(jié)點(diǎn), 每一個屬性都以TAG(FDT_PROP, 0x00000003)開始
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設(shè)備樹中的每一個節(jié)點(diǎn)，都會被轉(zhuǎn)換為device_node結(jié)構(gòu)體
struct device_node { const char *name; // 來自節(jié)點(diǎn)中的name屬性, 如果沒有該屬性, 則設(shè)為"NULL" const char *type; // 來自節(jié)點(diǎn)中的device_type屬性, 如果沒有該屬性, 則設(shè)為"NULL" phandle phandle; const char *full_name; // 節(jié)點(diǎn)的名字, node-name[@unit-address] struct fwnode_handle fwnode; struct property *properties; // 節(jié)點(diǎn)的屬性 struct property *deadprops; /* removed properties */ struct device_node *parent; // 節(jié)點(diǎn)的父親 struct device_node *child; // 節(jié)點(diǎn)的孩子(子節(jié)點(diǎn)) struct device_node *sibling; // 節(jié)點(diǎn)的兄弟(同級節(jié)點(diǎn)) #if defined(CONFIG_OF_KOBJ) struct kobject kobj; #endif unsigned long _flags; void *data; #if defined(CONFIG_SPARC) const char *path_component_name; unsigned int unique_id; struct of_irq_controller *irq_trans; #endif };
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將device_node轉(zhuǎn)換為platform_device
那么多的device_node，哪些會被轉(zhuǎn)化為platform_device呢？
根節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)，且該子節(jié)點(diǎn)必須包含compatible屬性；
如果一個節(jié)點(diǎn)的compatile屬性含有這些特殊的值(“simple-bus”,“simple-mfd”,“isa”,“arm,amba-bus”)之一，那么它的子結(jié)點(diǎn)(需含compatile屬性)也可以轉(zhuǎn)換為platform_device。
struct platform_device { const char *name; int id; bool id_auto; struct device dev; u32 num_resources; struct resource *resource; const struct platform_device_id *id_entry; char *driver_override; /* Driver name to force a match */ /* MFD cell pointer */ struct mfd_cell *mfd_cell; /* arch specific additions */ struct pdev_archdata archdata; };
轉(zhuǎn)換完成之后，
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設(shè)備樹中的reg/irq等屬性，都存放在了platform_device->resource結(jié)構(gòu)體中
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設(shè)備樹中的其他屬性，都存在在了platform_device.dev->of_node結(jié)構(gòu)體中
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C代碼獲取設(shè)備樹屬性
轉(zhuǎn)換完成之后，內(nèi)核提供了一些API來直接獲取設(shè)備樹中對應(yīng)的屬性。如：
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of_property_read_u32_index：獲取設(shè)備樹中某個屬性的值
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of_property_read_string：獲取設(shè)備樹中某個屬性的字符串的值
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of_get_address：獲取設(shè)備樹中的某個節(jié)點(diǎn)的地址信息
整體總結(jié)下來，有幾個類別：
a. 處理DTB of_fdt.h // dtb文件的相關(guān)操作函數(shù), 我們一般用不到, 因?yàn)閐tb文件在內(nèi)核中已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為device_node樹(它更易于使用) b. 處理device_node of.h // 提供設(shè)備樹的一般處理函數(shù), 比如 of_property_read_u32(讀取某個屬性的u32值), of_get_child_count(獲取某個device_node的子節(jié)點(diǎn)數(shù)) of_address.h // 地址相關(guān)的函數(shù), 比如 of_get_address(獲得reg屬性中的addr, size值) of_match_device(從matches數(shù)組中取出與當(dāng)前設(shè)備最匹配的一項(xiàng)) of_dma.h // 設(shè)備樹中DMA相關(guān)屬性的函數(shù) of_gpio.h // GPIO相關(guān)的函數(shù) of_graph.h // GPU相關(guān)驅(qū)動中用到的函數(shù), 從設(shè)備樹中獲得GPU信息 of_iommu.h // 很少用到 of_irq.h // 中斷相關(guān)的函數(shù) of_mdio.h // MDIO (Ethernet PHY) API of_net.h // OF helpers for network devices. of_pci.h // PCI相關(guān)函數(shù) of_pdt.h // 很少用到 of_reserved_mem.h // reserved_mem的相關(guān)函數(shù) c. 處理 platform_device of_platform.h // 把device_node轉(zhuǎn)換為platform_device時用到的函數(shù), // 比如of_device_alloc(根據(jù)device_node分配設(shè)置platform_device), // of_find_device_by_node (根據(jù)device_node查找到platform_device), // of_platform_bus_probe (處理device_node及它的子節(jié)點(diǎn)) of_device.h // 設(shè)備相關(guān)的函數(shù), 比如 of_match_device
上述總結(jié)下來，流程為dts->dtb->device_node->platform_device
六設(shè)備樹調(diào)試
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查看原始的dtb文件
ls /sys/firmware/fdt hexdump -C /sys/firmware/fdt
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查看設(shè)備樹信息
ls /sys/firmware/devicetree ls /proc/device-tree
以目錄結(jié)構(gòu)程現(xiàn)的dtb文件, 根節(jié)點(diǎn)對應(yīng)base目錄, 每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個目錄, 每一個屬性對應(yīng)一個文件
/proc/device-tree 是鏈接文件, 指向/sys/firmware/devicetree/base
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查看所有硬件信息
ls /sys/devices/platform
系統(tǒng)中所有的platform_device, 有來自設(shè)備樹的, 也有來有.c文件中注冊的。
下載文檔
