Linux设备树的传递及Kernel中对设备树的分析

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。

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

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。

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。

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?**P?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()

device_nodes 结点如下：

device_node 创建完成后，kernel 创建 platform_device 时依据这个阶段完成的工作情况进行对应的设备注册，供驱动代码使用。