Linux设备树的传递以及kernel中对设备树的解析

嵌入式Linux 2021-07-27

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当U-Boot将设备树加载到内存指定位置后，ARM内核的SoC以通用寄存器r2来传递dtb在内存中的地址。kernel获取到该地址后对dtb文件做进一步的处理。

#设备树的传递

当使用bootm加载kernel镜像时（bootz是对bootm的一种封装以及功能扩展，实质一样）。U-Boot跳转到kernel的入口函数是boot_jump_linux

这个函数的C文件在arch/arm/lib下，说明设备树的传递的方式是与SoC架构相关的。不同的SoC在bring-up时，这个函数格外重要，这是U-Boot与kernel之间衔接、交互信息的一个关键API。U-Boot的这个函数执行结束后，将CPU的控制权完整的交给kernel。

/* Subcommand: GO */
static void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images, int flag)
{
...
  debug("## Transferring control to Linux (at address %08lx)" \
    "...\n", (ulong) kernel_entry);
  bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_RUN_OS);
  announce_and_cleanup(fake);


  if (IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && images->ft_len)
    r2 = (unsigned long)images->ft_addr;
  else
    r2 = gd->bd->bi_boot_params;
...
}

r2作为存放设备树地址的寄存器，其取值有两种方式，分别是例化bootm_header_t这个数据结构的ft_addr，以及利用U-Boot的板级启动参数作为设备树的地址。

##bootm_header_t方式

数据结构bootm_header_t的定义如下，供各种内核的SoC使用，每家厂商根据自己CPU的特点对各个成员进行不同的例化。

/*
 * Legacy and FIT format headers used by do_bootm() and do_bootm_<os>()
 * routines.
 */
typedef struct bootm_headers {
  ...
  char    *ft_addr;  /* flat dev tree address */
  ulong    ft_len;    /* length of flat device tree */
  ...
} bootm_headers_t;

用bootm_header_t的方式，U-Boot需支持设备树以及文件非空。

ft_len以及ft_addr属于bootm_header_t，在U-Boot解析镜像文件时，实例化这两个成员。函数调用栈如下：

do_bootz(struct cmd_tbl *cmdtp, int flag, int argc, char *const argv[])
-bootz_start()
--bootm_find_images(int flag, int argc, char *const argv[], ulong start,ulong size)
---boot_get_fdt(flag, argc, argv, IH_ARCH_DEFAULT, &images,&images.ft_addr, &images.ft_len);
   u-boot-v2021.04/common/image-fdt.c

##gd->bd->bi_boot_params方式

这种属于比较古老的一种方式了，目前基本不会采用。bi_boot_params是一个存放内核启动参数的地址，通常是在板级初始化中进行指定。

代码执行到此处，r2是否为预期的值，一是可以通过打印的方式、再有使用调试工具连上去确认。

#kernel对设备树的解析

解析分两个阶段，第一阶段进行校验以及启动参数的再调整；第二阶段完成设备树的解压，也就是将设备树由FDT变成EDT，创建device_node。

##第一阶段

kernel启动日志中与设备树相关的第一条打印如下，也就是打印出当前硬件设备的模型名，"OF: fdt: Machine model: V2P-CA9"

Booting Linux on physical CPU 0x0
Linux version 5.4.124 (qemu@qemu) (gcc version 6.5.0 (Linaro GCC 6.5-2018.12)) #3 SMP Fri Jun 25 15:26:02 CST 2021
CPU: ARMv7 Processor [410fc090] revision 0 (ARMv7), cr=10c5387d
CPU: PIPT  VIPT nonaliasing data cache, VIPT nonaliasing instruction cache
OF: fdt: Machine model: V2P-CA9

这个模型名是在设备树文件的头部定义的，定义当前设备的总体名称。

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * ARM Ltd. Versatile Express
 *
 * CoreTile Express A9x4
 * Cortex-A9 MPCore (V2P-CA9)
 *
 * HBI-0191B
 */


/dts-v1/;
#include "vexpress-v2m.dtsi"


/ {
  model = "V2P-CA9";
  ...
  }

但这并不是kernel对设备树第一次进行处理的地方。在此之前已有其他的操作。函数调用栈如下：

setup_arch(char **cmdline_p) arch/arm/kernel/setup.c
    atags_vaddr = FDT_VIRT_BASE(__atags_pointer); 
    setup_machine_fdt(void *dt_virt) arch/arm/kernel/devtree.c
        early_init_dt_verify()
        of_flat_dt_match_machine()  drivers/of/fdt.c
        early_init_dt_scan_nodes();
        __machine_arch_type = mdesc->nr;

第2行__atags_pointer是dtb在内存中的地址，这个地址在汇编阶段（若镜像为zImage，那么在解压缩阶段就完成了）便获取到了。由于执行到setup_arch时mmu已经使能并且4K的段页表也已经完成了映射，而U-Boot传递给kernel的设备树fdt地址属于物理地址，因此需要将物理地址转换成虚拟地址。

  head-common.S
  .align  2
  .type  __mmap_switched_data, %object
__mmap_switched_data:
#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
#ifndef CONFIG_XIP_DEFLATED_DATA
  .long  _sdata        @ r0
  .long  __data_loc      @ r1
  .long  _edata_loc      @ r2
#endif
  .long  __bss_stop      @ sp (temporary stack in .bss)
#endif


  .long  __bss_start      @ r0
  .long  __bss_stop      @ r1
  .long  init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp


  .long  processor_id      @ r0
  .long  __machine_arch_type    @ r1
  .long  __atags_pointer      @ r2

第一阶段对设备树的配置主要包括：

A 对dtb文件进行crc32校验，检测设备树文件是否合法early_init_dt_verify()
B early_init_dt_scan_nodes()
        /* 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);
C 更新__machine_arch_type
D 更新chosen

上面这个chosen信息可以在kernel起来后再次查看做了哪些修改。

##第二阶段

第二阶段单纯的是将设备树ABI文件进行解压缩，由FDT变成EDT，生成相应的device_node结点。

这个阶段的函数调用栈如下：

unflatten_device_tree();
    *__unflatten_device_tree()
        /* First pass, scan for size */
        size = unflatten_dt_nodes(blob, NULL, dad, NULL);
        
        /* Second pass, do actual unflattening */
        unflatten_dt_nodes(blob, mem, dad, mynodes);
            unflatten_dt_nodes()
                populate_node()