設備樹的引入減少了內核為支持新硬件而需要的改變，提高代碼重用，加速了Linux支持包的開發，使得單個內核鏡像能支持多個系統。作為U-Boot 和Linux 內核之間的動態接口，本文闡述了設備樹的數據存儲格式以及源碼描述語法，進而分析了U-Boot 對扁平設備樹的支持設置，Linux 內核對設備樹的解析流程。
IBM、Sun 等廠家的服務器最初都采用了Firmware（一種嵌入到硬件設備中的程序，用于提供軟件和硬件之間的接口），用于初始化系統配置，提供操作系統軟件和硬件之間的接口，啟動和運行系統。后來為了標準化和兼容性，IBM、Sun 等聯合推出了固件接口IEEE 1275標準，讓他們的服務器如IBM PowerPC pSeries，Apple PowerPC，Sun SPARC 等均采用OpenFirmware，在運行時構建系統硬件的設備樹信息傳遞給內核，進行系統的啟動運行[1]。這樣做的好處有，減少內核對系統硬件的嚴重依賴，利于加速支持包的開發，降低硬件帶來的變化需求和成本，降低對內核設計和編譯的要求。

隨著 Linux/ppc64 內核的發展，內核代碼從原來的arch/ppc32 和arch/ppc64 逐漸遷移到統一的arch/powerpc 目錄，并在內核代碼引入Open Firmware API 以使用標準固件接口[2]。Linux 內核在運行時，需要知道硬件的一些相關信息。對于使用ARCH=powerpc 參數編譯的內核鏡像，這個信息需要基于Open Firmware 規范，以設備樹的形式存在[3]。這樣內核在啟動時讀取掃描Open Firmware 提供的設備樹，從而獲得平臺的硬件設備信息，搜索匹配的設備驅動程序并將該驅動程序綁定到設備。

在嵌入式 PowerPC 中，一般使用U-Boot 之類的系統引導代碼，而不采用Open Firmware。早期的U-Boot 使用include/asm-ppc/u-boot.h 中的靜態數據結構struct bd_t 將板子基本信息傳遞給內核，其余的由內核處理。這樣的接口不夠靈活，硬件發生變化就需要重新定制編譯燒寫引導代碼和內核，而且也不再適應于現在的內核。為了適應內核的發展及嵌入式PowerPC平臺的千變萬化，吸收標準Open Firmware 的優點，U-Boot 引入了扁平設備樹FDT 這樣的動態接口，使用一個單獨的FDT blob（二進制大對象，是一個可以存儲二進制文件的容器）存儲傳遞給內核的參數[3]。一些確定信息，例如cache 大小、中斷路由等直接由設備樹提供，而其他的信息，例如eTSEC 的MAC 地址、頻率、PCI 總線數目等由U-Boot 在運行時修改。U-Boot 使用扁平設備樹取代了bd_t，而且也不再保證對bd_t 的后向兼容。

2 設備樹概念
簡單的說，設備樹是一種描述硬件配置的樹形數據結構，有且僅有一個根節點[4]。它包含了有關CPU、物理內存、總線、串口、PHY 以及其他外圍設備信息等。該樹繼承了OpenFirmware IEEE 1275 設備樹的定義。操作系統能夠在啟動時對此結構進行語法分析，以此配置內核，加載相應的驅動。

3 設備樹存儲格式
U-Boot 需要將設備樹在內存中的存儲地址傳給內核。該樹主要由三大部分組成：頭（Header）、結構塊（Structure block）、字符串塊（Strings block）。設備樹在內存中的存儲布局圖1 如下：
圖1 設備樹存儲格式圖
Fig1 The layout of a DT block

3.1 頭（header）
頭主要描述設備樹的基本信息，如設備樹魔數標志、設備樹塊大小、結構塊的偏移地址等，其具體結構boot_param_header 如下。這個結構中的值都是以大端模式表示，并且偏移地址是相對于設備樹頭的起始地址計算的。

3.2 結構塊（structure block）
扁平設備樹結構塊是線性化的樹形結構，和字符串塊一起組成了設備樹的主體，以節點形式保存目標板的設備信息。在結構塊中，節點起始標志為常值宏OF_DT_BEGIN_NODE，節點結束標志為宏OF_DT_END_NODE；子節點定義在節點結束標志前。一個節點可以概括為以OF_DT_BEGIN_NODE 開始，包括節點路徑、屬性列表、子節點列表，最后以OF_DT_END_NODE 結束的序列，每一個子節點自身也是類似的結構。

3.3 字符串塊（Strings block）
為了節省空間，將一些屬性名，尤其是那些重復冗余出現的屬性名，提取出來單獨存放到字符串塊。這個塊中包含了很多有結束標志的屬性名字符串。在設備樹的結構塊中存儲了這些字符串的偏移地址，這樣可以很容易地查找到屬性名字符串。字符串塊的引入節省了嵌入式系統較為緊張的存儲空間。

4 設備樹源碼DTS 表示
設備樹源碼文件（.dts）以可讀可編輯的文本形式描述系統硬件配置設備樹，支持C/C++方式的注釋，該結構有一個唯一的根節點“/”，每個節點都有自己的名字并可以包含多個子節點。設備樹的數據格式遵循了Open Firmware IEEE standard 1275。本文只簡述設備樹數據布局及語法，Linux 板級支持包開發者應該詳細參考IEEE 1275 標準[5]及其他文獻[2] [4]。為了說明，首先給出基于PowerPC MPC8349E 處理器的最小系統的設備樹源碼示例。
可以看到，這個設備樹中有很多節點，每個節點都指定了節點單元名稱。每一個屬性后面都給出相應的值。以雙引號引出的內容為ASCII 字符串，以尖括號給出的是32 位的16 進制值。這個樹結構是啟動Linux 內核所需節點和屬性簡化后的集合，包括了根節點的基本模式信息、CPU 和物理內存布局，它還包括通過/chosen 節點傳遞給內核的命令行參數信息。
/ {
model = "MPC8349EMITX";
compatible = "MPC8349EMITX", "MPC834xMITX", "MPC83xxMITX";
#address-cells = <1>; /* 32bit address */
#size-cells = <1>; /* 4GB size */
cpus {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
PowerPC,8349@0 {
device_type = "cpu";
reg = <0>;
d-cache-line-size = <20>; /* 32 Bytes */
i-cache-line-size = <20>;
d-cache-size = <8000>; /* L1 dcache, 32K */
i-cache-size = <8000>;
timebase-frequency = <0>; /* from bootloader */
bus-frequency = <0>;
clock-frequency = <0>;
};
};
memory {
device_type = "memory";
reg = <00000000 10000000>; /* 256MB */
};
chosen {
name = "chosen";
bootargs = "root=/dev/ram rw console=ttyS0,115200";
linux,stdout-path = "/soc8349@e0000000/serial@4500";
};
};

4.1 根節點
設備樹的起始點稱之為根節點"/"。屬性model 指明了目標板平臺或模塊的名稱，屬性compatible 值指明和目標板為同一系列的兼容的開發板名稱。對于大多數32 位平臺，屬性
#address-cells 和#size-cells 的值一般為1。

4.2 CPU 節點
/cpus 節點是根節點的子節點，對于系統中的每一個CPU，都有相應的節點。/cpus 節點沒有必須指明的屬性，但指明#address-cells = <1>和 #size-cells = <0>是個好習慣，這同時指明了每個CPU 節點的reg 屬性格式，方便為物理CPU 編號。

此節點應包含板上每個CPU 的屬性。CPU 名稱一般寫作PowerPC,，例如Freescale 會使用PowerPC,8349 來描述本文的MPC8349E 處理器。CPU 節點的單元名應該是cpu@0 的格式，此節點一般要指定device_type（固定為"cpu"），一級數據/指令緩存的表項
大小，一級數據/指令緩存的大小，核心、總線時鐘頻率等。在上面的示例中通過系統引導代碼動態填寫時鐘頻率相關項。

4.3 系統內存節點
此節點用于描述目標板上物理內存范圍，一般稱作/memory 節點，可以有一個或多個。當有多個節點時，需要后跟單元地址予以區分；只有一個單元地址時，可以不寫單元地址，默認為0。

此節點包含板上物理內存的屬性，一般要指定device_type（固定為"memory"）和reg屬性。其中reg 的屬性值以<起始地址空間大小>的形式給出，如上示例中目標板內存起始地址為0，大小為256M 字節。

4.4 /chosen 節點
這個節點有一點特殊。通常，這里由Open Firmware 存放可變的環境信息，例如參數，默認輸入輸出設備。
這個節點中一般指定bootargs 及linux,stdout-path 屬性值。bootargs 屬性設置為傳遞給內核命令行的參數字符串。linux,stdout-path 常常為標準終端設備的節點路徑名，內核會以此作為默認終端。

U-Boot 在1.3.0 版本后添加了對扁平設備樹FDT 的支持，U-Boot 加載Linux 內核、Ramdisk 文件系統（如果使用的話）和設備樹二進制鏡像到物理內存之后，在啟動執行Linux內核之前，它會修改設備樹二進制文件。它會填充必要的信息到設備樹中，例如MAC 地址、PCI 總線數目等。U-Boot 也會填寫設備樹文件中的“/chosen”節點，包含了諸如串口、根設備（Ramdisk、硬盤或NFS 啟動）等相關信息。

4.5 片上系統SOC 節點
此節點用來描述片上系統SOC，如果處理器是SOC，則此節點必須存在。頂級SOC 節點包含的信息對此SOC 上的所有設備可見。節點名應該包含此SOC 的單元地址，即此SOC內存映射寄存器的基址。SOC 節點名以/soc的形式命名，例如MPC8349 的SOC
節點是"soc8349"。

在屬性中應該指定device_type（固定為"soc"）、ranges、bus-frequency 等屬性。ranges屬性值以的形式指定。SOC 節點還包含目標板使用的每個SOC 設備子節點，應該在設備樹中盡可能詳細地描述此SOC 上的外圍設備。如下給出帶有看門狗設備的SOC 節點DTS 示例。

soc8349@e0000000 {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
device_type = "soc";
compatible = "simple-bus";
ranges = <0 e0000000 100000>; /* size 1MB */
reg = ;
bus-frequency = <0>; /* from bootloader */
{
device_type = "watchdog";
compatible = "mpc83xx_wdt";
reg = <200 100>; /* offset: 0x200 */
};
};
4.6 其他設備節點
分級節點用來描述系統上的總線和設備，類似物理總線拓撲，能很方便的描述設備間的關系。對于系統上的每個總線和設備，在設備樹中都有其節點。對于這些設備屬性的描述和定義請詳細參考IEEE 1275 標準及本文參考文獻[2]。

設備樹的中斷系統稍顯復雜，設備節點利用interrupt-parent 和interrupts 屬性描述到中斷控制器的中斷連接。其中interrupt-parent 屬性值為中斷控制器節點的指針，#interrupts 屬性值描述可觸發的中斷信號，其值格式與中斷控制器的interrupt-cells 屬性值有關。一般
#interrupt-cells 屬性值為2，interrupts 屬性就對應為一對描述硬件中斷號和中斷觸發方式的十六進制值。

5 扁平設備樹編譯
根據嵌入式板的設備信息寫設備樹源碼文件（.dts）通常比較簡單，但是手寫二進制的扁平設備樹（.dtb）就顯得比較復雜了。設備樹編譯器dtc 就是用來根據設備樹源碼的文本文件生成設備樹二進制鏡像的。dtc 編譯器會對輸入文件進行語法和語義檢查，并根據Linux內核的要求檢查各節點及屬性，將設備樹源碼文件（.dts）編譯二進制文件（.dtb），以保證內核能正常啟動。dtc 編譯器的使用方法如下所示[6]：dtc [ -I dts ] [ -O dtb ] [ -o opt_file ] [ -V opt_version ] ipt_file2.6.25 版本之后的內核源碼已經包含了dtc 編譯器。在配置編譯內核時選中CONFIG_DTC，會自動生成設備樹編譯器dtc。將編寫的目標板設備樹文件mpc8349emitx.dts放到內核源碼的arch/powerpc/boot/dts/目錄下，利用內核Makefile 生成blob 的簡單規則，使
用以下命令亦可完成設備樹的dtc 編譯：
$ make mpc8349emitx.dtb

6 U-Boot 相關設置說明
為使 U-Boot 支持設備樹，需要在板子配置頭文件中設置一系列宏變量。如本文在
MPC8349E 處理器目標板中移植的U-Boot 配置如下：
/* pass open firmware flat tree */
#define CONFIG_OF_LIBFDT 1
#undef CONFIG_OF_FLAT_TREE
#define CONFIG_OF_BOARD_SETUP 1
#define CONFIG_OF_HAS_BD_T 1
#define CONFIG_OF_HAS_UBOOT_ENV 1
啟動引導代碼U-Boot 在完成自己的工作之后，會加載Linux 內核，并將扁平設備樹的
地址傳遞給內核，其代碼形式如下：
#if defined(CONFIG_OF_FLAT_TREE) || defined(CONFIG_OF_LIBFDT)
if (of_flat_tree) { /* device tree; boot new style */
/*
* Linux Kernel Parameters (passing device tree):
* r3: pointer to the fdt, followed by the board info data
* r4: physical pointer to the kernel itself
* r5: NULL
* r6: NULL
* r7: NULL
*/
(*kernel) ((bd_t *)of_flat_tree, (ulong)kernel, 0, 0, 0);
/* does not return */
}
#endif
arch/powerpc 內核的入口有且只有一個，入口點為內核鏡像的起始。此入口支持兩種調用方式，一種是支持Open Firmware 啟動，另一種對于沒有OF 的引導代碼，需要使用扁平設備樹塊，如上示例代碼。寄存器r3 保存指向設備樹的物理地址指針，寄存器r4 保存為內
核在物理內存中的地址，r5 為NULL。其中的隱含意思為：假設開啟了mmu，那么這個mmu的映射關系是1:1 的映射，即虛擬地址和物理地址是相同的。

7 Linux 內核對設備樹的解析
扁平設備樹描述了目標板平臺中的設備樹信息。每個設備都有一個節點來描述其信息，每個節點又可以有子節點及其相應的屬性。內核源碼中include/linux/of.h 及drivers/of/base.c等文件中提供了一些Open Firmware API，通過這些API，內核及設備驅動可以查找到相應
的設備節點，讀取其屬性值，利用這些信息正確地初始化和驅動硬件。

圖2 內核及驅動對扁平設備樹的解析
Fig2 Interaction from kernel and drivers with the FDT blob

8 結論
本文介紹了設備樹的起源及其優點，進而闡述了設備樹的數據存儲格式以及源碼描述語法，給出了設備樹的編譯方法，最后引出了移植過程中的U-Boot 相關設置說明及內核的解析過程分析。設備樹為嵌入式系統向Linux 內核傳遞參數的動態接口，本文以MPC8349E
處理器目標板上的DTS 移植經歷作總結，希望對嵌入式PowerPC Linux 開發者具有一定的參考價值，可以加快嵌入式PowerPC Linux 開發中的設備樹DTS 移植過程。

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