Linux系统移植篇3:STM32MP微处理器之设备树简介

设备树详解

简介

在传统Linux内核中,ARM架构的板极硬件细节过多地被硬编码在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx,比如板上的platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各种硬件的platform_data,这些板级细节代码对内核来讲只不过是垃圾代码。而采用Device Tree后,许多硬件的细节可以直接透过它传递给Linux,而不再需要在kernel中进行大量的冗余编码。导致ARM的merge工作量较大。

之后经过一些讨论,对ARM平台的相关code做出如下相关规范调整,这个也正是引入DTS的原因。

1、ARM的核心代码仍然保存在arch/arm目录下

2、ARM SoC core architecture code保存在arch/arm目录下

3、ARM SOC的周边外设模块的驱动保存在drivers目录下

4、ARM SOC的特定代码在arch/arm/mach-xxx目录下

5、ARM SOC board specific的代码被移除,由DeviceTree机制来负责传递硬件拓扑和硬件资源信息。

本质上,Device Tree改变了原来用code方式将硬件配置信息嵌入到内核代码的方法,改用bootloader传递一个DB的形式。对于嵌入式系统,在系统启动阶段,bootloader会加载内核并将控制权转交给内核,此外,还需要把上述的三个参数信息传递给kernel,以便kernel可以有较大的灵活性。在linux kernel中,Device Tree的设计目标就是如此。

在devie tree中,可描述的信息包括:

1、CPU的数量和类别

2、内存基地址和大小

3、总线和桥

4、外设连接

5、中断控制器和中断的使用情况

6、GPIO控制器和GPIO使用情况

7、clock控制器和clock使用情况

它基本就是一棵电路板上的CPU、总线、设备组成的树,Bootloader会将这棵树传递给内核,然后内核来识别这棵树,并根据它展开出Linux内核中的platform_device、i2c_client、spi_device等设备,而这些设备用到的内存、IRQ等资源,也被传递给内核,内核会将这些资源绑定给展开的相应设备。

Linux内核从3.x开始引入设备树的概念,用于实现驱动代码与设备信息相分离。在设备树出现以前,所有关于设备的具体信息都要写在驱动里,一旦外围设备变化,驱动代码就要重写。引入了设备树之后,驱动代码只负责处理驱动的逻辑,而关于设备的具体信息存放到设备树文件中,这样,如果只是硬件接口信息的变化而没有驱动逻辑的变化,驱动开发者只需要修改设备树文件信息,不需要改写驱动代码。比如在ARM Linux内,一个.dts(device tree source)文件对应一个ARM的machine,一般放置在内核的"arch/arm/boot/dts/"目录内,比如stmp1a-dk1参考板的板级设备树文件就是"arch/arm/boot/dts/ stm32mp157a-dk1.dts"。这个文件可以通过make dtbs命令编译成二进制的.dtb文件供内核驱动使用。

基于同样的软件分层设计的思想,由于一个SoC可能对应多个machine,如果每个machine的设备树都写成一个完全独立的.dts文件,那么势必相当一些.dts文件有重复的部分,为了解决这个问题,Linux设备树目录把一个SoC公用的部分或者多个machine共同的部分提炼为相应的.dtsi文件。这样每个.dts就只有自己差异的部分,公有的部分只需要"include"相应的.dtsi文件, 这样就是整个设备树的管理更加有序。我这里用Linux4.19.94源码自带的goodix touchscreen触摸芯片为例来分析设备树的使用和移植。这个触摸芯片的设备树节点信息在"

Documentation/devicetree/bindings/input/touchscreen/goodix.txt"有详细说明,其驱动源码是" drivers/input/touchscreen/goodix.c"。

基础知识介绍

dts

硬件的相应信息都会写在.dts为后缀的文件中,每一款硬件可以单独写一份例如stm32mp157a-dk1.dts,一般在Linux源码中存在大量的dts文件,对于arm架构可以在arch/arm/boot/dts找到相应的dts,一个dts文件对应一个ARM的machie。

dtsi

值得一提的是,对于一些相同的dts配置可以抽象到dtsi文件中,然后类似于C语言的方式可以include到dts文件中,对于同一个节点的设置情况,dts中的配置会覆盖dtsi中的配置。

dtc

dtc是编译dts的工具,可以在Ubuntu系统上通过指令apt-get install device-tree-compiler安装dtc工具,不过在内核源码scripts/dtc路径下已经包含了dtc工具;

dtb

dtb(Device Tree Blob),dts经过dtc编译之后会得到dtb文件,dtb通过Bootloader引导程序加载到内核。所以Bootloader需要支持设备树才行;Kernel也需要加入设备树的支持;

DTS结构

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/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 = <

1>;

a-string-property = 

"Hello, world";

};

child-node2 {

};

};

node2 {

an-empty-property;

a-cell-property = <

1 2 3 4>; /* each number (cell) is a uint32 */

child-node1 {

};

};

};

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“/”。

也就是说设备树源文件的结构为:

1个root节点”/”;

root节点下面含一系列子节点,“node1” and “node2”

节点node1和下又含有一系列子节点,“child-node1” and “child-node2”

各个节点都有一系列属性

这些属性可能为空,如an-empty-property

可能为字符串,如a-string-property

可能为字符串树组,如a-string-list-property

可能为Cells(由u32整数组成),如second-child-property

DTS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被定义成如下格式:

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[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。

基本数据类型:

text string(以null结束),以双引号括起来,如:string-property = “a string”;

cells 是32位无符号整形数,以尖括号括起来,如:cell-property = <0xbeef 123 0xabcd1234>;

binary data 以方括号括起来,如:binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67];

不同类型数据可以在同一个属性中存在,以逗号分格,如:mixed-property = “a string”, [0x01 0x23 0x45 0x67],<0x12345678>;

多个字符串组成的列表也使用逗号分格,如:string-list = “red fish”,”blue fish”;

dts的组成

compatible

每一个dts文件都是由一个root的根节点组成,内核通过根节点“/”的兼容性即可判断它启动的是什么设备,其代码结构如下

C++ Code

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/ {

model = 

"HQYJ FS-MP1A Discovery Board";

compatible = 

"st,stm32mp157a-dk1", "st,stm32mp157", "hqyj,fsmp1a";

aliases {

ethernet0 = ðernet0;

serial0 = &uart4;

serial5 = &usart3;

};

chosen {

stdout-path = 

"serial0:115200n8";

};

... ...

};

model属性值是,它指定制造商的设备型号。推荐的格式是:“manufacturer,model”,其中manufacturer是一个字符串描述制造商的名称,而型号指定型号。

compatible属性值是,指定了系统的名称,是一个字符串列表,它包含了一个“<制造商>,<型号>”形式的字符串。重要的是要指定一个确切的设备,并且包括制造商的名字,以避免命名空间冲突。

chosen 节点不代表一个真正的设备,但功能与在固件和操作系统间传递数据的地点一样,如根参数,取代以前bootloader的启动参数,控制台的输入输出参数等。

#address-cells和#size-cells

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port {

#address-cells = <

1>;

#size-cells = <

0>;

ltdc_ep0_out: endpoint@0 {

reg = <

0>;

remote-endpoint = <&sii9022_in>;

};

};

#address-cells = <1>: 基地址、片选号等绝对起始地址所占字长,单位uint32。

#size-cells = <1>: 长度所占字长,单位uint32。

CPU addressing

在讨论寻址时,CPU节点代表了最简单的情况。 每个CPU都分配有一个唯一的ID,并且没有与CPU ID相关联的大小。

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cpus {

#address-cells = <

1>;

#size-cells = <

0>;

cpu0: cpu@0 {

compatible = 

"arm,cortex-a7";

device_type = 

"cpu";

reg = <

0>;

clocks = <&rcc CK_MPU>;

clock-names = 

"cpu";

operating-points-v2 = <&cpu0_opp_table>;

nvmem-cells = <&part_number_otp>;

nvmem-cell-names = 

"part_number";

};

cpu1: cpu@1 {

compatible = 

"arm,cortex-a7";

device_type = 

"cpu";

reg = <

1>;

clocks = <&rcc CK_MPU>;

clock-names = 

"cpu";

operating-points-v2 = <&cpu0_opp_table>;

};

};

在cpus节点,#address-cells被设置成了1,#size-cells被设置成了0。这是说子reg值是单独的uint32,它用无大小字段表示地址。在此情况下,这两个cpu分配到的地址为0和1。cpu节点的#size-cells是0因为每个cpu只分配到了一个单独的地址。

你仍然需要注意reg值班需要与节点名的值相匹配。按照惯例,如果一个节点有一个reg属性,那么这个节点名称必须包括unit-address,这是reg属性的第一个address值。

Memory Mapped Devices

与在cpu节点中单独的address值不同,内存映射设备被分配了一系列将要响应的地址,因此不仅需要包含内存的基地址而且还需要映射地址的长度,因此需要使用#size-cells用来表示在每个子reg元组中长度字段的大小。在以下示例中,每个address值为1 cell(32 bits),每个长度值也是1 cell,这在32 bit系统是比较典型的。64 bit设备也许会为#address-cells和#size-cells使用数值2,在device tree中获取64 bit addressing。

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/dts-v1/;

/ {

#address-cells = <

1>;

#size-cells = <

1>;

...

timers2: timer@40000000 {

compatible = 

"st,stm32-timers";

reg = <0x40000000 0x400>;

};

timers3: timer@40001000 {

compatible = 

"st,stm32-timers";

reg = <0x40001000 0x400>;

};

spi2: spi@4000b000 {

compatible = 

"st,stm32h7-spi";

reg = <0x4000b000 0x400>;

};

uart7: serial@40018000 {

compatible = 

"st,stm32h7-uart";

reg = <0x40018000 0x400>;

};

sai1: sai@4400a000 {

compatible = 

"st,stm32h7-sai";

reg = <0x4400a000 0x4>;

};

...

};

Non Memory Mapped Devices

处理器总线的其它设备为非内存映射设备。他们有地址范围,但不能被CPU直接寻址。母设备的驱动程序将代替CPU进行间接访问。以i2c设备为例,每个设备都分配了一个地址,但没有长度或范围与之相匹配。这与CPU地址分配很相似。

C++ Code

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etf: etf@50092000 {

compatible = 

"arm,coresight-tmc", "arm,primecell";

reg = <0x50092000 0x1000>;

clocks = <&rcc CK_TRACE>;

clock-names = 

"apb_pclk";

ports {

#address-cells = <

1>;

#size-cells = <

0>;

port@0 {

reg = <

0>;

etf_in_port: endpoint {

slave-mode;

remote-endpoint = <&funnel_out_port0>;

};

};

port@1 {

reg = <

0>;

etf_out_port: endpoint {

remote-endpoint = <&tpiu_in_port>;

};

};

};

};

Ranges (Address Translation)

前面已经讨论过如何向设备分配地址,但此时这些地址只是本地设备节点,还没有说明如何从那些地址里映射到cpu可以使用的地址。根节点经常描述地址空间的CPU视图。根节点的子节点已经使用了CPU的address domain,所以不需要任何明确的映射。例如,serial@101f0000设备被直接分配了地址0x101f0000。

根节点的非直接子节点是无法使用CPU的address domain的。为了在deivce tree获取内存映射地址必须指定如何从一个域名将地址转换到另一个。Ranges属性就用于此目的。以下是添加了ranges属性的device tree示例。

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m4_rproc: m4@0 {

compatible = 

"st,stm32mp1-rproc";

#address-cells = <

1>;

#size-cells = <

1>;

ranges = <0x00000000 0x38000000 0x10000>,

<0x30000000 0x30000000 0x60000>,

<0x10000000 0x10000000 0x60000>;

resets = <&rcc MCU_R>;

reset-names = 

"mcu_rst";

st,syscfg-pdds = <&pwr 0x014 0x1>;

st,syscfg-holdboot = <&rcc 0x10C 0x1>;

st,syscfg-tz = <&rcc 0x000 0x1>;

st,syscfg-rsc-tbl = <&tamp 0x144 0xFFFFFFFF>;

status = 

"disabled";

m4_system_resources {

compatible = 

"rproc-srm-core";

status = 

"disabled";

};

};

ranges是一个地址转换列表。每个输入ranges表格的是包含子地址的元组,母地址和子地址空间的范围大小。每个字段的大小都由获取的子地址的#address-cells值,母地址的#address-cell值和子地址的#size-cells值而定。以外部总线为例,子地址是2 cells,母地址是1 cell,大小也为1 cell。

status

device tree中的status标识了设备的状态,使用status可以去禁止设备或者启用设备,看下设备树规范中的status可选值。

值描述

“okay”表示设备正在运行

“disabled”表示该设备目前尚未运行,但将来可能会运行

“fail”表示设备无法运行。在设备中检测到严重错误,确实如此没有修理就不可能投入运营

“fail-sss”表示设备无法运行。在设备中检测到严重错误,它是没有修理就不可能投入运营。值的sss部分特定于设备并指示检测到的错误情况。

中断映射

与遵循树的自然结构而进行的地址转换不同,机器上的任何设备都可以发起和终止中断信号。另外地址的编址也不同于中断信号,前者是设备树的自然表示,而后者者表现为独立于设备树结构的节点之间的链接。

下面显示了ADC控制器中断设备片段

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adc: adc@48003000 {

compatible = 

"st,stm32mp1-adc-core";

reg = <0x48003000 0x400>;

interrupts =

18 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,

90 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;

clocks = <&rcc ADC12>, <&rcc ADC12_K>;

clock-names = 

"bus", "adc";

interrupt-controller;

st,syscfg-vbooster = <&syscfg 0x4 0x100>;

st,syscfg-vbooster-clr = <&syscfg 0x44 0x100>;

st,syscfg-anaswvdd = <&syscfg 0x4 0x200>;

st,syscfg-anaswvdd-clr = <&syscfg 0x44 0x200>;

#interrupt-cells = <

1>;

#address-cells = <

1>;

#size-cells = <

0>;

status = 

"disabled";

adc1: adc@0 {

compatible = 

"st,stm32mp1-adc";

#io-channel-cells = <

1>;

reg = <0x0>;

interrupt-parent = <&adc>;

interrupts = <

0>;

dmas = <&dmamux1 

9 0x400 0x05>;

dma-names = 

"rx";

status = 

"disabled";

};

adc2: adc@100 {

compatible = 

"st,stm32mp1-adc";

#io-channel-cells = <

1>;

reg = <0x100>;

interrupt-parent = <&adc>;

interrupts = <

1>;

dmas = <&dmamux1 

10 0x400 0x05>;

dma-names = 

"rx";

/* temperature sensor */

st,adc-channels = <

12>;

st,min-sample-time-nsecs = <

10000>;

status = 

"disabled";

};

jadc1: jadc@0 {

compatible = 

"st,stm32mp1-adc";

st,injected;

#io-channel-cells = <

1>;

reg = <0x0>;

interrupt-parent = <&adc>;

interrupts = <

3>;

status = 

"disabled";

};

jadc2: jadc@100 {

compatible = 

"st,stm32mp1-adc";

st,injected;

#io-channel-cells = <

1>;

reg = <0x100>;

interrupt-parent = <&adc>;

interrupts = <

4>;

/* temperature sensor */

st,adc-channels = <

12>;

st,min-sample-time-nsecs = <

10000>;

status = 

"disabled";

};

adc_temp: temp {

compatible = 

"st,stm32mp1-adc-temp";

io-channels = <&adc2 

12>;

nvmem-cells = <&ts_cal1>, <&ts_cal2>;

nvmem-cell-names = 

"ts_cal1", "ts_cal2";

#io-channel-cells = <

0>;

#thermal-sensor-cells = <

0>;

status = 

"disabled";

};

};

下面显示了ethernet控制器中断设备片段

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ethernet0: ethernet@5800a000 {

compatible = 

"st,stm32mp1-dwmac", "snps,dwmac-4.20a";

reg = <0x5800a000 0x2000>;

reg-names = 

"stmmaceth";

interrupts-extended = <&intc GIC_SPI 

61 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,

<&intc GIC_SPI 

62 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,

<&exti 

70 1>;

interrupt-names = 

"macirq",

"eth_wake_irq",

"stm32_pwr_wakeup";

clock-names = 

"stmmaceth",

"mac-clk-tx",

"mac-clk-rx",

"ethstp";

clocks = <&rcc ETHMAC>,

<&rcc ETHTX>,

<&rcc ETHRX>,

<&rcc ETHSTP>;

st,syscon = <&syscfg 0x4>;

snps,mixed-burst;

snps,pbl = <

2>;

snps,en-tx-lpi-clockgating;

snps,axi-config = <&stmmac_axi_config_0>;

snps,tso;

power-domains = <&pd_core>;

status = 

"disabled";

};

属性属性值描述

interruptsprop-encoded-array一个设备节点属性,该属性主要描述了中断的HW interrupt ID以及类型

interrupt-parentphandle该属性主要描述了该设备的interrupt request line连接到哪一个interrupt controller,那些没有 interrupt-parent 的节点则从它们的父节点中继承该属性

interrupts-extendedphandle prop-encoded-array列出了设备生成的中断,当设备连接到多个中断控制器

interrupt-cellsu32这是中断控制器节点的属性,用来标识这个控制器需要几个单位做中断描述符(类似于 #address-cells 和 #size-cells),则子节点的interrupts一个cell三个32bits整型值: <中断域 中断 触发方式>

interrupt-controllerempty一个空属性用来声明这个node接收中断信号

特殊节点

aliases节点为了解决节点路径名过长的问题,引入了节点别名的概念,可以引用到一个全路径的节点。如/external-bus/ethernet@0,0,但当用户想知道具体内容的时候显得太累赘。

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aliases {

ethernet0 = ðernet0;

serial0 = &uart4;

serial5 = &usart3;

};

当为设备分配一个标识符的时候,操作系统更倾向于使用aliases。

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