第三課:linux核心對裝置樹的處理
這一課是裝置樹中最重要的一課。
前面我們從核心文件瞭解到,對於裝置樹,它裡面描述的資訊可以分為這三部分:
Linux uses DT data for three major purposes:
- platform identification,
- runtime configuration, and
- device population.
事實上,核心對裝置樹的處理,也會分為與其對應的三部分:
對於platform identification
,將在第02節_對裝置樹中平臺資訊的處理(選擇machine_desc)
進行分析;
對於runtime configuration
,將在第03節_對裝置樹中執行時配置資訊的處理
對於device population
,將在第04-06節
進行分析;
第01節_從源頭分析_核心head.S對dtb的簡單處理
現在我們開始第一節,我們要從源頭分析,uboot將一些引數,裝置樹檔案傳給核心,那麼核心如何處理這些裝置樹檔案呢?
我們需要從核心的第一個執行檔案head.S
開始分析。
r0,r1,r2三個暫存器的設定
bootloader啟動核心時,會設定r0,r1,r2三個暫存器,
r0一般設定為0;
r1一般設定為machine id (在使用裝置樹時該引數沒有被使用);
r2一般設定ATAGS或DTB的開始地址;
這裡的machine id,是讓核心知道是哪個CPU,從而呼叫對應的初始化函式。
以前沒有使用裝置樹時,需要bootloader傳一個machine id給核心,現在使用裝置樹的話,這個引數就不需要設定了。
r2要麼是以前的ATAGS開始地址,要麼是現在使用裝置樹後的DTB檔案開始地址。
對於ATAGS傳參方法, 可以參考我們的"畢業班視訊-自己寫bootloader"
從www.100ask.net下載頁面開啟百度網盤,
開啟如下目錄:
100ask分享的所有檔案
006_u-boot_核心_根檔案系統(新1期_2期間的銜接)
視訊
第002課_從0寫bootloader_更深刻理解bootloader
head.S的內容
核心head.S
所做工作如下:
a. __lookup_processor_type : 使用匯編指令讀取CPU ID, 根據該ID找到對應的proc_info_list結構體(裡面含有這類CPU的初始化函式、資訊)
b. __vet_atags : 判斷是否存在可用的ATAGS或DTB
c. __create_page_tables : 建立頁表, 即建立虛擬地址和實體地址的對映關係
d. __enable_mmu : 使能MMU, 以後就要使用虛擬地址了
e. __mmap_switched : 上述函式裡將會呼叫__mmap_switched
f. 把bootloader傳入的r2引數, 儲存到變數__atags_pointer中
g. 呼叫C函式start_kernel
##最終效果
head.S和head-common.S最終效果:
把bootloader傳來的r1值, 賦給了C變數: __machine_arch_type
把bootloader傳來的r2值,
第02節_對裝置樹中平臺資訊的處理(選擇machine_desc)
這節講解核心對裝置樹中平臺裝置資訊是如何處理的。
核心是如何選擇對應的machine_desc?
前面講解到,一個編譯成uImage的核心映象檔案,可以支援多個單板,這裡假設支援smdk2410、smdk2440、jz2440(其中smdk2410、smdk2440是廠家的公板,國內的廠家參考公板設計出了自己的板子,比如jz2440)。
這些板子的配置稍有不同,需要做一些單獨的初始化,在核心裡面,對於這些單板,都構造了一個machine_desc結構體,裡面有.init和.nr。
對於JZ2440,它源自smdk2440,核心沒有它的單獨檔案,它使用smdk2440的相關檔案,程式碼。
在上一節視訊裡面我們說過,以前uboot使用ATAGS給核心傳引數時,它會傳入一個機器ID,核心會使用這個機器ID找到最合適的machine_desc。即機器ID與machine_desc裡面的.nr比較,相等就表示找到了對應的machine_desc。
當我們的uboot不使用ATAGS傳引數,而使用DTB檔案時,那麼這時核心是如何選擇對應的machine_desc呢?
在裝置樹檔案的根節點裡,有如下兩行:
model = "SMDK24440";
compatible = "samsung,smdk2440","samsung,smdk24140","samsung,smdk24xx";
這裡的compatible
屬性宣告想要什麼machine_desc
,屬性值可以是一系列字串,依次與machine_desc
匹配。
核心最好支援samsung,smdk2440
,如果不支援,再嘗試是否支援samsung,smdk24140
,再不支援,最後嘗試samsung,smdk24xx</code
- 總結如下:
a. 裝置樹根節點的compatible屬性列出了一系列的字串,
表示它相容的單板名,從"最相容"到次之;
b. 核心中有多個machine_desc,
其中有dt_compat成員, 它指向一個字串陣列, 裡面表示該machine_desc支援哪些單板;
c. 使用compatile屬性的值, 跟’’‘每一個machine_desc.dt_compat’’'比較,
成績為"吻合的compatile屬性值的位置",
成績越低越匹配, 對應的machine_desc即被選中
start_kernel的呼叫過程
上節視訊裡,head.S會把DTB的位置儲存在變數__atags_pointer
裡,最後呼叫start_kernel
。
start_kernel
的呼叫過程如下:
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;
第03節_對裝置樹中執行時配置資訊的處理
裝置樹只是起一個資訊傳遞的作用,對這些資訊配置的處理,也比較簡單,即從裝置樹的DTB檔案中,把這些裝置資訊提取出來賦給核心中的某個變數即可。
函式呼叫過程如下:
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_scan_nodes(); // drivers/of/ftd.c
/* Retrieve various information from the /chosen node */
of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_chosen, boot_command_line);
/* Initialize {size,address}-cells info */
of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_root, NULL);
/* Setup memory, calling early_init_dt_add_memory_arch */
of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_memory, NULL);
裡面主要對三種類型的資訊進行處理,分別是:/chosen節點中 bootarg
s屬性,根節點的 #address-cells
和 #size-cells
屬性,/memory中的 reg
屬性。
1./chosen節點中bootargs屬性就是核心啟動的命令列引數,它裡面可以指定根檔案系統在哪裡,第一個執行的應用程式是哪一個,指定核心的列印資訊從哪個裝置裡打印出來。
2./memory中的reg屬性指定了不同板子記憶體的大小和起始地址。
3.根節點的#address-cells和#size-cells屬性指定屬性引數的位數,比如指定前面memory中的reg屬性的地址是32位還是64位,大小是用一個32位表示,還是兩個32位表示。
- 總結:
a. /chosen節點中bootargs屬性的值, 存入全域性變數: boot_command_line
b. 確定根節點的這2個屬性的值: #address-cells, #size-cells
存入全域性變數: dt_root_addr_cells, dt_root_size_cells
c. 解析/memory中的reg屬性, 提取出"base, size", 最終呼叫memblock_add(base, size);
第04節_dtb轉換為device_node(unflatten)
在講解之前,我們先想一個問題,我們的uboot把裝置樹DTB檔案隨便放到記憶體的某一個地方就可以使用,為什麼核心執行中,他不會去覆蓋DTB所佔用的那塊記憶體呢?
在前面我們講解裝置樹格式時,我們知道,在裝置樹檔案中,可以使用/memreserve/
指定一塊記憶體,這塊記憶體就是保留的記憶體,核心不會佔用它。即使你沒有指定這塊記憶體,當我們核心啟動時,他也會把裝置樹所佔用的區域保留下來。
如下就是函式呼叫過程:
start_kernel // init/main.c
setup_arch(&command_line); // arch/arm/kernel/setup.c
arm_memblock_init(mdesc); // arch/arm/kernel/setup.c
early_init_fdt_reserve_self();
/* Reserve the dtb region */
// 把DTB所佔區域保留下來, 即呼叫: memblock_reserve
early_init_dt_reserve_memory_arch(__pa(initial_boot_params),
fdt_totalsize(initial_boot_params),
0);
early_init_fdt_scan_reserved_mem(); // 根據dtb中的memreserve資訊, 呼叫memblock_reserve
unflatten_device_tree(); // arch/arm/kernel/setup.c
__unflatten_device_tree(initial_boot_params, NULL, &of_root,
early_init_dt_alloc_memory_arch, false); // drivers/of/fdt.c
/* First pass, scan for size */
size = unflatten_dt_nodes(blob, NULL, dad, NULL);
/* Allocate memory for the expanded device tree */
mem = dt_alloc(size + 4, __alignof__(struct device_node));
/* Second pass, do actual unflattening */
unflatten_dt_nodes(blob, mem, dad, mynodes);
populate_node
np = unflatten_dt_alloc(mem, sizeof(struct device_node) + allocl,
__alignof__(struct device_node));
np->full_name = fn = ((char *)np) + sizeof(*np);
populate_properties
pp = unflatten_dt_alloc(mem, sizeof(struct property),
__alignof__(struct property));
pp->name = (char *)pname;
pp->length = sz;
pp->value = (__be32 *)val;
可以看到,先把dtb中的memreserve資訊告訴核心,把這塊記憶體區域保留下來,不佔用它。
然後將扁平結構的裝置樹提取出來,構造成一個樹,這裡涉及兩個結構體:device_node
結構體和property
結構體。弄清楚這兩個結構體就大概明白這節視訊的主要內容了。
在dts檔案裡,每個大括號{ }
代表一個節點,比如根節點裡有個大括號,對應一個device_node結構體;memory也有一個大括號,也對應一個device_node結構體。
節點裡面有各種屬性,也可能裡面還有子節點,所以它們還有一些父子關係。
根節點下的memory、chosen、led等節點是並列關係,兄弟關係。
對於父子關係、兄弟關係,在device_node結構體裡面肯定有成員來描述這些關係。
開啟include/linux/Of.h
可以看到device_node結構體的定義如下:
struct device_node {
const char *name; // 來自節點中的name屬性, 如果沒有該屬性, 則設為"NULL"
const char *type; // 來自節點中的device_type屬性, 如果沒有該屬性, 則設為"NULL"
phandle phandle;
const char *full_name; // 節點的名字, node-name[@unit-address]
struct fwnode_handle fwnode;
struct property *properties; // 節點的屬性
struct property *deadprops; /* removed properties */
struct device_node *parent; // 節點的父親
struct device_node *child; // 節點的孩子(子節點)
struct device_node *sibling; // 節點的兄弟(同級節點)
#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
};
device_node結構體表示一個節點,property結構體表示節點的具體屬性。
properties結構體的定義如下:
```c
struct property {
char *name; // 屬性名字, 指向dtb檔案中的字串
int length; // 屬性值的長度
void *value; // 屬性值, 指向dtb檔案中value所在位置, 資料仍以big endian儲存
struct property *next;
#if defined(CONFIG_OF_DYNAMIC) || defined(CONFIG_SPARC)
unsigned long _flags;
#endif
#if defined(CONFIG_OF_PROMTREE)
unsigned int unique_id;
#endif
#if defined(CONFIG_OF_KOBJ)
struct bin_attribute attr;
#endif
};
兩個結構體與dts內容的對於關係如下:
具體的程式碼分析,參考視訊內容。
第05節_device_node轉換為platform_device
核心如何把device_node轉換成platfrom_device
兩個問題
a.那些device_node可以轉換為platform_device
/ {
model = "SMDK24440";
compatible = "samsung,smdk2440";
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
//記憶體裝置不會
[email protected]30000000 {
device_type = "memory";
reg = <0x30000000 0x4000000>;
};
/*
cpus {
cpu {
compatible = "arm,arm926ej-s";
};
};
*/ //只是設定一些啟動資訊
chosen {
bootargs = "noinitrd root=/dev/mtdblock4 rw init=/linuxrc console=ttySAC0,115200";
};
/*只有這個led裝置才對轉換成platfrom_device */
led {
compatible = "jz2440_led";
reg = <S3C2410_GPF(5) 1>;
};
/************************************/
};
- a. 核心函式of_platform_default_populate_init, 遍歷device_node樹, 生成platform_device
- b. 並非所有的device_node都會轉換為platform_device只有以下的device_node會轉換:
-
- b.1 該節點必須含有compatible屬性
-
- b.2 根節點的子節點(節點必須含有compatible屬性)
-
- b.3 含有特殊compatible屬性的節點的子節點(子節點必須含有compatible屬性):
這些特殊的compatilbe屬性為:“simple-bus”,“simple-mfd”,“isa”,"arm,amba-bus "
- b.3 含有特殊compatible屬性的節點的子節點(子節點必須含有compatible屬性):
根節點是例外的,生成platfrom_device時,即使有compatible屬性也不會處理
舉例
cpu可以訪問很多外設,spi控制器 I2c控制器,led
如何在裝置樹中描述這些硬體?
b.4 示例: 比如以下的節點,
/mytest會被轉換為platform_device,
因為它相容"simple-bus", 它的子節點/mytest/[email protected] 也會被轉換為platform_device
/i2c節點一般表示i2c控制器, 它會被轉換為platform_device, 在核心中有對應的platform_driver;
/i2c/at24c02節點不會被轉換為platform_device, 它被如何處理完全由父節點的platform_driver決定, 一般是被建立為一個i2c_client。
類似的也有/spi節點, 它一般也是用來表示SPI控制器, 它會被轉換為platform_device, 在核心中有對應的platform_driver;
/spi/[email protected]節點不會被轉換為platform_device, 它被如何處理完全由父節點的platform_driver決定, 一般是被建立為一個spi_device。
/ {
mytest {
compatile = "mytest", "simple-bus";
[email protected]0 {
compatile = "mytest_0";
};
};
i2c {
compatile = "samsung,i2c";
at24c02 {
compatile = "at24c02";
};
};
spi {
compatile = "samsung,spi";
[email protected]0 {
compatible = "winbond,w25q32dw";
spi-max-frequency = <25000000>;
reg = <0>;
};
};
};
b.怎麼轉換
函式呼叫過程:
a. 入口函式 of_platform_default_populate_init (drivers/of/platform.c) 被呼叫到過程:
裡面有段屬性,編譯核心段屬性的變數會被集中放在一起
vim arch/arm/kernel/vmlinux.lds
start_kernel // init/main.c
rest_init();
pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
kernel_init
kernel_init_freeable();
do_basic_setup();
do_initcalls();
for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++)
do_initcall_level(level); // 比如 do_initcall_level(3)
for (fn = initcall_levels[3]; fn < initcall_levels[3+1]; fn++)
do_one_initcall(initcall_from_entry(fn)); // 就是呼叫"arch_initcall_sync(fn)"中定義的fn函式
b. of_platform_default_populate_init (drivers/of/platform.c) 生成platform_device的過程:
遍歷device樹
圖3
of_platform_default_populate_init
of_platform_default_populate(NULL, NULL, NULL);
of_platform_populate(NULL, of_default_bus_match_table, NULL, NULL)
for_each_child_of_node(root, child) {
rc = of_platform_bus_create(child, matches, lookup, parent, true); // 呼叫過程看下面
dev = of_device_alloc(np, bus_id, parent); // 根據device_node節點的屬性設定platform_device的resource
if (rc) {
of_node_put(child);
break;
}
}
c. of_platform_bus_create(bus, matches, …)的呼叫過程(處理bus節點生成platform_devie, 並決定是否處理它的子節點):
dev = of_platform_device_create_pdata(bus, bus_id, platform_data, parent); // 生成bus節點的platform_device結構體
if (!dev || !of_match_node(matches, bus)) // 如果bus節點的compatile屬性不吻合matches成表, 就不處理它的子節點
return 0;
for_each_child_of_node(bus, child) { // 取出每一個子節點
pr_debug(" create child: %pOF\n", child);
rc = of_platform_bus_create(child, matches, lookup, &dev->dev, strict); // 處理它的子節點, of_platform_bus_create是一個遞迴呼叫
if (rc) {
of_node_put(child);
break;
}
}
d. I2C匯流排節點的處理過程:
/i2c節點一般表示i2c控制器, 它會被轉換為platform_device, 在核心中有對應的platform_driver;
platform_driver的probe函式中會呼叫i2c_add_numbered_adapter:
i2c_add_numbered_adapter // drivers/i2c/i2c-core-base.c
__i2c_add_numbered_adapter
i2c_register_adapter
of_i2c_register_devices(adap); // drivers/i2c/i2c-core-of.c
for_each_available_child_of_node(bus, node) {
client = of_i2c_register_device(adap, node);
client = i2c_new_device(adap, &info); // 裝置樹中的i2c子節點被轉換為i2c_clien
第06節_platform_device跟platform_driver的匹配
drivers/base/platform.c
a. 註冊 platform_driver 的過程:
platform_driver_register
__platform_driver_register
drv->driver.probe = platform_drv_probe;
driver_register
bus_add_driver
klist_add_tail(&priv->knode_bus, &bus->p->klist_drivers); // 把 platform_driver 放入 platform_bus_type 的driver連結串列中
driver_attach
bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach); // 對於plarform_bus_type下的每一個裝置, 呼叫__driver_attach
__driver_attach
ret = driver_match_device(drv, dev); // 判斷dev和drv是否匹配成功
return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1; // 呼叫 platform_bus_type.match
driver_probe_device(drv, dev);
really_probe
drv->probe // platform_drv_probe
platform_drv_probe
struct platform_driver *drv = to_platform_driver(_dev->driver);
drv->probe
b. 註冊 platform_device 的過程:
platform_device_register
platform_device_add
device_add
bus_add_device
klist_add_tail(&dev->p->knode_bus, &bus->p->klist_devices); // 把 platform_device 放入 platform_bus_type的device連結串列中
bus_probe_device(dev);
device_initial_probe
__device_attach
ret = bus_for_each_drv(dev->bus, NULL, &data, __device_attach_driver); // // 對於plarform_bus_type下的每一個driver, 呼叫 __device_attach_driver
__device_attach_driver
ret = driver_match_device(drv, dev);
return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1; // 呼叫platform_bus_type.match
driver_probe_device
匹配函式是platform_bus_type.match, 即platform_match,
匹配過程按優先順序羅列如下:
- 比較 platform_dev.driver_override 和 platform_driver.drv->name
- 比較 platform_dev.dev.of_node的compatible屬性 和 platform_driver.drv->of_match_table
- 比較 platform_dev.name 和 platform_driver.id_table
- 比較 platform_dev.name 和 platform_driver.drv->name
有一個成功, 即匹配成功
第07節_核心中裝置樹的操作函式
include/linux/目錄下有很多of開頭的標頭檔案:
dtb -> device_node -> platform_device
a. 處理DTB
of_fdt.h // dtb檔案的相關操作函式, 我們一般用不到, 因為dtb檔案在核心中已經被轉換為device_node樹(它更易於使用)
b. 處理device_node
of.h // 提供裝置樹的一般處理函式, 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的子節點數)
of_address.h // 地址相關的函式, 比如 of_get_address(獲得reg屬性中的addr, size值)
of_match_device(從matches陣列中取出與當前裝置最匹配的一項)
of_dma.h // 裝置樹中DMA相關屬性的函式
of_gpio.h // GPIO相關的函式
of_graph.h // GPU相關驅動中用到的函式, 從裝置樹中獲得GPU資訊
of_iommu.h // 很少用到
of_irq.h // 中斷相關的函式
of_mdio.h // MDIO (Ethernet PHY) API
of_net.h // OF helpers for network devices.
of_pci.h // PCI相關函式
of_pdt.h // 很少用到
of_reserved_mem.h // reserved_mem的相關函式
以中斷相關的作為例子
一個裝置可以發出中斷,必須包含中斷號和中斷觸發方式
官方裝置樹規格書裡面的裝置示例
soc {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
serial {
compatible = "ns16550";
reg = <0x4600 0x100>;
clock-frequency = <0>;
interrupts = <0xA 0x8>;
interrupt-parent = <&ipic>;
};
};
裡面的屬性裡面有中斷值
通過
int of_irq_parse_one(struct device_node *device, int index,
struct of_phandle_args *out_irq);
解析某一對值,或者我們可以解析原始資料
int of_irq_parse_raw(const __be32 *addr, struct of_phandle_args *out_irq);
addr就指向了某一對值,把裡面的中斷號中斷觸發方式解析出來,儲存在of_phandle_args結構體中
c. 處理 platform_device
of_platform.h // 把device_node轉換為platform_device時用到的函式,
/* Platform drivers register/unregister */
extern struct platform_device *of_device_alloc(struct device_node *np,
const char *bus_id,
struct device *parent);
檔案涉及的函式在 device_node -> platform_device 中大量使用
// 比如of_device_alloc(根據device_node分配設定platform_device),
// of_find_device_by_node (根據device_node查詢到platform_device),
// of_platform_bus_probe (處理device_node及它的子節點)
of_device.h // 裝置相關的函式, 比如 of_match_device
可以通過of_match_device找出哪一項最匹配,
of檔案分為三類
- 處理DTB
- 處理device_node
- 處理 platform_device 裝置相關資訊
第08節_在根檔案系統中檢視裝置樹(有助於除錯)
a. /sys/firmware/fdt
// 檢視原始dtb檔案
hexdump -C /sys/firmware/fdt
b. /sys/firmware/devicetree
// 以目錄結構程現的dtb檔案, 根節點對應base目錄, 每一個節點對應一個目錄, 每一個屬性對應一個檔案
比如檢視 #address-cells 的16進位制
hexdump -C “#address-cells”
檢視compatible
cat compatible
如果你在裝置樹裝置節點中設定一個錯誤的中斷屬性,那麼就導致led對應的平臺裝置節點沒辦法建立
c. /sys/devices/platform
// 系統中所有的platform_device, 有來自裝置樹的, 也有來有.c檔案中註冊的
對於來自裝置樹的platform_device, 可以進入 /sys/devices/platform/<裝置名>/of_node
檢視它的裝置樹屬性
d. /proc/device-tree
是連結檔案, 指向 /sys/firmware/devicetree/base