Device Tree（二）：基本概念

一、前言

一些背景知识（例如：为何要引入Device Tree，这个机制是用来解决什么问题的）请参考引入Device Tree的原因，本文主要是介绍Device Tree的基础概念。

简单的说，如果要使用Device Tree，首先用户要了解自己的硬件配置和系统运行参数，并把这些信息组织成Device Tree source file。通过DTC（Device Tree Compiler），可以将这些适合人类阅读的Device Tree source file变成适合机器处理的Device Tree binary file（有一个更好听的名字，DTB，device tree blob）。在系统启动的时候，boot program（例如：firmware、bootloader）可以将保存在flash中的DTB copy到内存（当然也可以通过其他方式，例如可以通过bootloader的交互式命令加载DTB，或者firmware可以探测到device的信息，组织成DTB保存在内存中），并把DTB的起始地址传递给client program（例如OS kernel，bootloader或者其他特殊功能的程序）。对于计算机系统（computer system），一般是firmware->bootloader->OS，对于嵌入式系统，一般是bootloader->OS。

本文主要描述下面两个主题：

1、Device Tree source file语法介绍

2、Device Tree binaryfile格式介绍

二、Device Tree的结构

在描述Device Tree的结构之前，我们先问一个基础问题：是否Device Tree要描述系统中的所有硬件信息？答案是否定的。基本上，那些可以动态探测到的设备是不需要描述的，例如USB device。不过对于SOC上的usb host controller，它是无法动态识别的，需要在device tree中描述。同样的道理，在computer system中，PCI device可以被动态探测到，不需要在device tree中描述，但是PCI bridge如果不能被探测，那么就需要描述之。

为了了解Device Tree的结构，我们首先给出一个Device Tree的示例：

/ o device-tree 
      |- name = "device-tree" 
      |- model = "MyBoardName" 
      |- compatible = "MyBoardFamilyName" 
      |- #address-cells = <2> 
      |- #size-cells = <2> 
      |- linux,phandle = <0> 
      | 
      o cpus 
      | | - name = "cpus" 
      | | - linux,phandle = <1> 
      | | - #address-cells = <1> 
      | | - #size-cells = <0> 
      | | 
      | o PowerPC,970@0 
      |   |- name = "PowerPC,970" 
      |   |- device_type = "cpu" 
      |   |- reg = <0> 
      |   |- clock-frequency = <0x5f5e1000> 
      |   |- 64-bit 
      |   |- linux,phandle = <2> 
      | 
      o memory@0 
      | |- name = "memory" 
      | |- device_type = "memory" 
      | |- reg = <0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x20000000>
      | |- linux,phandle = <3> 
      | 
      o chosen 
        |- name = "chosen" 
        |- bootargs = "root=/dev/sda2" 
        |- linux,phandle = <4>

从上图中可以看出，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“/”。

在一个树状结构的device tree中，如何引用一个node呢？要想唯一指定一个node必须使用full path，例如/node-name-1/node-name-2/node-name-N。在上面的例子中，cpu node我们可以通过/cpus/PowerPC,970@0访问。

属性（property）值标识了设备的特性，它的值（value）是多种多样的：

1、可能是空，也就是没有值的定义。例如上图中的64-bit ，这个属性没有赋值。

2、可能是一个u32、u64的数值（值得一提的是cell这个术语，在Device Tree表示32bit的信息单位）。例如#address-cells = <1> 。当然，可能是一个数组。例如<0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x20000000>

4、可能是一个字符串。例如device_type = "memory" ，当然也可能是一个string list。例如"PowerPC,970"

三、Device Tree source file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：

[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，具体后面会描述。child node的格式和node是完全一样的，因此，一个dts文件中就是若干嵌套组成的node，property以及child note、child note property描述。

考虑到空泛的谈比较枯燥，我们用实例来讲解Device Tree Source file 的数据格式。假设蜗窝科技制作了一个S3C2416的开发板，我们把该development board命名为snail，那么需要撰写一个s3c2416-snail.dts的文件。如果把所有的开发板的硬件信息（SOC以及外设）都描述在一个文件中是不合理的，因此有可能其他公司也使用S3C2416搭建自己的开发板并命令pig、cow什么的，如果大家都用自己的dts文件描述硬件，那么其中大部分是重复的，因此我们把和S3C2416相关的硬件描述保存成一个单独的dts文件可以供使用S3C2416的target board来引用并将文件的扩展名变成dtsi（i表示include）。同理，三星公司的S3C24xx系列是一个SOC family，这些SOCs（2410、2416、2450等）也有相同的内容，因此同样的道理，我们可以将公共部分抽取出来，变成s3c24xx.dtsi，方便大家include。同样的道理，各家ARM vendor也会共用一些硬件定义信息，这个文件就是skeleton.dtsi。我们自下而上（类似C＋＋中的从基类到顶层的派生类）逐个进行分析。

1、skeleton.dtsi。位于linux-3.14archarmbootdts目录下，具体该文件的内容如下：

/ { 
    #address-cells = <1>; 
    #size-cells = <1>; 
    chosen { }; 
    aliases { }; 
    memory { device_type = "memory"; reg = <0 0>; }; 
};

device tree顾名思义是一个树状的结构，既然是树，必然有根。“/”是根节点的node name。“{”和“}”之间的内容是该节点的具体的定义，其内容包括各种属性的定义以及child node的定义。chosen、aliases和memory都是sub node，sub node的结构和root node是完全一样的，因此，sub node也有自己的属性和它自己的sub node，最终形成了一个树状的device tree。属性的定义采用property ＝ value的形式。例如#address-cells和#size-cells就是property，而<1>就是value。value有三种情况：

1）属性值是text string或者string list，用双引号表示。例如device_type = "memory"

2）属性值是32bit unsigned integers，用尖括号表示。例如#size-cells = <1>

3）属性值是binary data，用方括号表示。例如binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67]

如果一个device node中包含了有寻址需求（要定义reg property）的sub node（后文也许会用child node，和sub node是一样的意思），那么就必须要定义这两个属性。“#”是number的意思，#address-cells这个属性是用来描述sub node中的reg属性的地址域特性的，也就是说需要用多少个u32的cell来描述该地址域。同理可以推断#size-cells的含义，下面对reg的描述中会给出更详细的信息。

chosen node主要用来描述由系统firmware指定的runtime parameter。如果存在chosen这个node，其parent node必须是名字是“/”的根节点。原来通过tag list传递的一些linux kernel的运行时参数可以通过Device Tree传递。例如command line可以通过bootargs这个property这个属性传递；initrd的开始地址也可以通过linux,initrd-start这个property这个属性传递。在本例中，chosen节点是空的，在实际中，建议增加一个bootargs的属性，例如：

"root=/dev/nfs nfsroot=1.1.1.1:/nfsboot ip=1.1.1.2:1.1.1.1:1.1.1.1:255.255.255.0::usbd0:off console=ttyS0,115200 mem=64M@0x30000000"

通过该command line可以控制内核从usbnet启动，当然，具体项目要相应修改command line以便适应不同的需求。我们知道，device tree用于HW platform识别，runtime parameter传递以及硬件设备描述。chosen节点并没有描述任何硬件设备节点的信息，它只是传递了runtime parameter。

aliases 节点定义了一些别名。为何要定义这个node呢？因为Device tree是树状结构，当要引用一个node的时候要指明相对于root node的full path，例如/node-name-1/node-name-2/node-name-N。如果多次引用，每次都要写这么复杂的字符串多少是有些麻烦，因此可以在aliases 节点定义一些设备节点full path的缩写。skeleton.dtsi中没有定义aliases，下面的section中会进一步用具体的例子描述之。

memory device node是所有设备树文件的必备节点，它定义了系统物理内存的layout。device_type属性定义了该node的设备类型，例如cpu、serial等。对于memory node，其device_type必须等于memory。reg属性定义了访问该device node的地址信息，该属性的值被解析成任意长度的（address，size）数组，具体用多长的数据来表示address和size是在其parent node中定义（#address-cells和#size-cells）。对于device node，reg描述了memory-mapped IO register的offset和length。对于memory node，定义了该memory的起始地址和长度。

本例中的物理内存的布局并没有通过memory node传递，其实我们可以使用command line传递，我们command line中的参数“mem=64M@0x30000000”已经给出了具体的信息。我们用另外一个例子来加深对本节描述的各个属性以及memory node的理解。假设我们的系统是64bit的，physical memory分成两段，定义如下：

RAM: starting address 0x0, length 0x80000000 (2GB) 
RAM: starting address 0x100000000, length 0x100000000 (4GB)

对于这样的系统，我们可以将root node中的#address-cells和#size-cells这两个属性值设定为2，可以用下面两种方法来描述物理内存：

方法1：

memory@0 { 
    device_type = "memory"; 
    reg = <0x000000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000 
              0x000000001 0x00000000 0x00000001 0x00000000>; 
};

方法2：

memory@0 { 
    device_type = "memory"; 
    reg = <0x000000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000>; 
};

memory@100000000 { 
    device_type = "memory"; 
    reg = <0x000000001 0x00000000 0x00000001 0x00000000>; 
};

2、s3c24xx.dtsi。位于linux-3.14archarmbootdts目录下，具体该文件的内容如下（有些内容省略了，领会精神即可，不需要描述每一个硬件定义的细节）：

#include "skeleton.dtsi"

/ { 
    compatible = "samsung,s3c24xx"; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－（A） 
    interrupt-parent = <&intc>; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（B）

    aliases { 
        pinctrl0 = &pinctrl_0; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（C） 
    };

    intc:interrupt-controller@4a000000 { －－－－－－－－－－－－－－－－－－（D） 
        compatible = "samsung,s3c2410-irq"; 
        reg = <0x4a000000 0x100>; 
        interrupt-controller; 
        #interrupt-cells = <4>; 
    };

    serial@50000000 { －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（E）  
        compatible = "samsung,s3c2410-uart"; 
        reg = <0x50000000 0x4000>; 
        interrupts = <1 0 4 28>, <1 1 4 28>; 
        status = "disabled"; 
    };

    pinctrl_0: pinctrl@56000000 {－－－－－－－－－－－－－－－－－－（F） 
        reg = <0x56000000 0x1000>;

        wakeup-interrupt-controller { 
            compatible = "samsung,s3c2410-wakeup-eint"; 
            interrupts = <0 0 0 3>,
                     <0 0 1 3>,
                     <0 0 2 3>,
                     <0 0 3 3>,
                     <0 0 4 4>,
                     <0 0 5 4>;
        }; 
    };