我眼中的Linux设备树(五 根节点)

五 根节点

一个最简单的设备树必须包含根节点，cpus节点，memory节点。根节点的名字及全路径都是“/”，至少需要包含model和compatible两个属性。model属性我们在属性那节已经说过是用来描述产品型号的，类型为字符串，推荐的格式为“manufacturer,model-number”（非强制的）。根节点的model属性描述的是板子的型号或者芯片平台的型号，如：
model = "Atmel AT91SAM9G20 family SoC"
model = "Samsung SMDK5420 board based on EXYNOS5420"

从软件的层面讲model属性仅仅表示一个名字而已，没有更多的作用。compatible属性则不同，该属性决定软件如何匹配硬件对硬件进行初始化。属性那一节我们说过compatible属性的类型是字符串数组，按照范围从小到大的顺序排列，每个字符串表示一种匹配类型。根节点的compatible属性表示平台如何匹配，比如‘compatible = "samsung,smdk5420", "samsung,exynos5420", "samsung,exynos5"’，表示软件应该首先匹配'samsung,smdk5420'，这个是一款开发板。如果无法匹配，再试着匹配"samsung,exynos5420"，这个是一款芯片平台。如果还是无法匹配，还可以试着匹配 "samsung,exynos5"，这是一个系列的芯片平台。这里说的匹配是指软件根据该信息找到对应的代码，如对应的初始化函数。

根节点表示的是整个板子或者芯片平台，所以在系统初始化比较早的时候就需要确认是什么平台，怎样初始化。对于Linux，是通过在start_kernel函数调用setup_arch函数实现的。不同的架构，setup_arch函数的实现不同，对于arm架构，setup_arch函数源代码位于arch/arm/kernel/setup.c中。以下是该函数的部分源代码(代码来自内核版本4.4-rc7的官方版本，本节后边所有代码都来自该版本)。

 935 void __init setup_arch(char **cmdline_p)
 936 {
 937     const struct machine_desc *mdesc;
 938
 939     setup_processor();
 940     mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer);
 941     if (!mdesc)
 942         mdesc = setup_machine_tags(__atags_pointer, __machine_arch_type);
 943     machine_desc = mdesc;
 944     machine_name = mdesc->name;


第940行setup_machine_fdt函数的输入是设备树(DTB)首地址，返回的mdesc是描述平台信息的结构体。还记得我们在概述那节说过启动程序如uboot把设备树读到内存中，然后在启动内核的同时将设备树首地址传给内核，此处__atags_pointer就是启动程序传给内核的设备树地址（此时内存中的设备树已经是DTB形式）。setup_machine_fdt中的fdt是flat device tree的缩写，fdt的意思是说设备树在内存中是在一块连续地址存储的，fdt和dtb说的都是同一个东西。setup_machine_tags是在设备树初始化失败的时候才调用的，所以不用管他。machine_desc和machine_name都是静态全局变量，用来保存指针方便后边引用的。为了更好的理解setup_machine_fdt具体实现了什么功能，我们首先看下machine_desc结构体。不同的架构，该结构体定义差别很大，arm架构源代码位于arch/arm/include/asm/mach/arch.h，复制如下：
 
 27 struct machine_desc {
 28     unsigned int        nr;     /* architecture number  */
 29     const char      *name;      /* architecture name    */
 30     unsigned long       atag_offset;    /* tagged list (relative) */
 31     const char *const   *dt_compat; /* array of device tree
 32                          * 'compatible' strings */
 33
 34     unsigned int        nr_irqs;    /* number of IRQs */
 35
 36 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA
 37     phys_addr_t     dma_zone_size;  /* size of DMA-able area */
 38 #endif
 39
 40     unsigned int        video_start;    /* start of video RAM   */
 41     unsigned int        video_end;  /* end of video RAM */
 42
 43     unsigned char       reserve_lp0 :1; /* never has lp0    */
 44     unsigned char       reserve_lp1 :1; /* never has lp1    */
 45     unsigned char       reserve_lp2 :1; /* never has lp2    */
 46     enum reboot_mode    reboot_mode;    /* default restart mode */
 47     unsigned        l2c_aux_val;    /* L2 cache aux value   */
 48     unsigned        l2c_aux_mask;   /* L2 cache aux mask    */
 49     void            (*l2c_write_sec)(unsigned long, unsigned);
 50     const struct smp_operations *smp;   /* SMP operations   */
 51     bool            (*smp_init)(void);
 52     void            (*fixup)(struct tag *, char **);
 53     void            (*dt_fixup)(void);
 54     long long       (*pv_fixup)(void);
 55     void            (*reserve)(void);/* reserve mem blocks  */
 56     void            (*map_io)(void);/* IO mapping function  */
 57     void            (*init_early)(void);
 58     void            (*init_irq)(void);
 59     void            (*init_time)(void);
 60     void            (*init_machine)(void);
 61     void            (*init_late)(void);
 62 #ifdef CONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER
 63     void            (*handle_irq)(struct pt_regs *);
 64 #endif
 65     void            (*restart)(enum reboot_mode, const char *);
 66 };
 67

从以上结构体的注释可以看出，该结构体包含了非常多的信息。注意第31行的dt_compat变量，该变量就是用来匹配设备树的compatible属性的。

setup_machine_fdt函数的实现也是架构相关的，arm架构源代码位于arch/arm/kernel/devtree.c，复制代码如下：

203 /**      
204  * setup_machine_fdt - Machine setup when an dtb was passed to the kernel
205  * @dt_phys: physical address of dt blob
206  *   
207  * If a dtb was passed to the kernel in r2, then use it to choose the
208  * correct machine_desc and to setup the system.
209  */
210 const struct machine_desc * __init setup_machine_fdt(unsigned int dt_phys)
211 {    
212     const struct machine_desc *mdesc, *mdesc_best = NULL;
213
214 #ifdef CONFIG_ARCH_MULTIPLATFORM
215     DT_MACHINE_START(GENERIC_DT, "Generic DT based system")
216     MACHINE_END
217
218     mdesc_best = &__mach_desc_GENERIC_DT;
219 #endif
220
221     if (!dt_phys || !early_init_dt_verify(phys_to_virt(dt_phys)))
222         return NULL;
223
224     mdesc = of_flat_dt_match_machine(mdesc_best, arch_get_next_mach);
225
226     if (!mdesc) {
227         const char *prop;
228         int size;
229         unsigned long dt_root;
230
231         early_print("\nError: unrecognized/unsupported "
232                 "device tree compatible list:\n[ ");
233
234         dt_root = of_get_flat_dt_root();
235         prop = of_get_flat_dt_prop(dt_root, "compatible", &size);
236         while (size > 0) {
237             early_print("'%s' ", prop);
238             size -= strlen(prop) + 1;
239             prop += strlen(prop) + 1;
240         }
241         early_print("]\n\n");
242
243         dump_machine_table(); /* does not return */
244     }
245
246     /* We really don't want to do this, but sometimes firmware provides buggy data */
247     if (mdesc->dt_fixup)
248         mdesc->dt_fixup();
249
250     early_init_dt_scan_nodes();
251
252     /* Change machine number to match the mdesc we're using */
253     __machine_arch_type = mdesc->nr;
254
255     return mdesc;
256 }

第221行检查fdt指针是否为空并且调用early_init_dt_verify函数，该函数代码位于drivers/of/fdt.c，这个函数算是of模块(还记得么？是open firmware的缩写)的第一个函数，复制代码如下:

1060
1061 bool __init early_init_dt_verify(void *params)
1062 {
1063     if (!params)
1064         return false;
1065
1066     /* check device tree validity */
1067     if (fdt_check_header(params))
1068         return false;
1069
1070     /* Setup flat device-tree pointer */
1071     initial_boot_params = params;
1072     of_fdt_crc32 = crc32_be(~0, initial_boot_params,
1073                 fdt_totalsize(initial_boot_params));
1074     return true;
1075 }

early_init_dt_verify首先检查fdt头部的合法性，然后设置fdt全局变量以及计算crc。这个initial_boot_params变量后边在访问设备树的时候还会用到。继续看前边第224行，of_flat_dt_match_machine函数算是of模块的第二个函数吧，在分析这个函数前，我们首先分析这个函数的第二个参数arch_get_next_mach，这是一个函数指针，arm架构的实现位于arch/arm/kernel/devtree.c，复制代码如下：

190 static const void * __init arch_get_next_mach(const char *const **match)
191 {
192     static const struct machine_desc *mdesc = __arch_info_begin;
193     const struct machine_desc *m = mdesc;
194
195     if (m >= __arch_info_end)
196         return NULL;
197
198     mdesc++;
199     *match = m->dt_compat;
200     return m;
201 }  

这个函数很简单，注意的是mdesc是静态局部变量，第一次调用指向__arch_info_begin，后边每次调用都mdesc++,如果超过了__arch_info_end就返回NULL。以上代码说明在__arch_info_begin和__arch_info_end两个地址之间存储着多个machine_desc变量（也可能是一个），该函数遍历这些变量，通过match参数返回所有machine_desc结构体的dt_compat变量指针。问题是__arch_info_begin和__arch_info_end地址是怎么来的呢？在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S连接脚本中定义了.arch.info.init段，__arch_info_begin和__arch_info_end地址分别是该段的首尾地址。

188     .init.arch.info : {
189         __arch_info_begin = .;
190         *(.arch.info.init)
191         __arch_info_end = .;
192     }

那么.init.arch.info段的内容怎么来的呢？这就要参考DT_MACHINE_START和MACHINE_END宏了，arm架构的定义在arch/arm/include/asm/mach/arch.h文件，如下所示：

 94 #define DT_MACHINE_START(_name, _namestr)       \
 95 static const struct machine_desc __mach_desc_##_name    \
 96  __used                         \
 97  __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {    \
 98     .nr     = ~0,               \
 99     .name       = _namestr,
100
101 #endif

从该宏代码看出他定义了一个machine_desc类型的静态局部变量，该变量位于.arch.info.init段中。参考arch/arm/mach-exynos/exynos.c中如下代码，以下代码在.arch.info.init段定义了一个名字为__mach_desc_EXYNOS_DT，类型为machine_desc的静态局部变量，并且该变量的dt_compat字符串矩阵中有"samsung,exynos5420"的字符串。

277 static char const *const exynos_dt_compat[] __initconst = {
278     "samsung,exynos3",
279     "samsung,exynos3250",
280     "samsung,exynos4",
281     "samsung,exynos4210",
282     "samsung,exynos4212",
283     "samsung,exynos4412",
284     "samsung,exynos4415",
285     "samsung,exynos5",
286     "samsung,exynos5250",
287     "samsung,exynos5260",
288     "samsung,exynos5420",
289     "samsung,exynos5440",
290     NULL
291 };
 
319 DT_MACHINE_START(EXYNOS_DT, "SAMSUNG EXYNOS (Flattened Device Tree)")
320     /* Maintainer: Thomas Abraham <[email protected]> */
321     /* Maintainer: Kukjin Kim <[email protected]> */
322     .l2c_aux_val    = 0x3c400001,
323     .l2c_aux_mask   = 0xc20fffff,
324     .smp        = smp_ops(exynos_smp_ops),
325     .map_io     = exynos_init_io,
326     .init_early = exynos_firmware_init,
327     .init_irq   = exynos_init_irq,
328     .init_machine   = exynos_dt_machine_init,
329     .init_late  = exynos_init_late,
330     .dt_compat  = exynos_dt_compat,
331     .reserve    = exynos_reserve,
332     .dt_fixup   = exynos_dt_fixup,
333 MACHINE_END


我们已经知道了get_next_compat指针的具体实现了，现在继续看of_flat_dt_match_machine。从第732行开始的循环就是遍历.arch.info.init段中所有的dt_compat变量，然后通过of_flat_dt_match计算一个分数，并且寻找那个分数最小的。

 713 /**
 714  * of_flat_dt_match_machine - Iterate match tables to find matching machine.
 715  *
 716  * @default_match: A machine specific ptr to return in case of no match.
 717  * @get_next_compat: callback function to return next compatible match table.
 718  *
 719  * Iterate through machine match tables to find the best match for the machine
 720  * compatible string in the FDT.
 721  */
 722 const void * __init of_flat_dt_match_machine(const void *default_match,
 723         const void * (*get_next_compat)(const char * const**))
 724 {
 725     const void *data = NULL;
 726     const void *best_data = default_match;
 727     const char *const *compat;
 728     unsigned long dt_root;
 729     unsigned int best_score = ~1, score = 0;
 730        
 731     dt_root = of_get_flat_dt_root();
 732     while ((data = get_next_compat(&compat))) {
 733         score = of_flat_dt_match(dt_root, compat);
 734         if (score > 0 && score < best_score) {
 735             best_data = data;
 736             best_score = score;
 737         }
 738     }
 ....
 759     return best_data;
 760 }
 761

of_flat_dt_match_machine的其余部分代码都是出错处理及打印，现在我们看of_flat_dt_match的实现，该函数仅仅是直接调用of_fdt_match而已，不同的是增加了initial_boot_params参数（还记得我们说过前边说过的这个变量的初始化吧，其实这就是内核中的一个简单封装而已）。

 685 /**
 686  * of_flat_dt_match - Return true if node matches a list of compatible values
 687  */
 688 int __init of_flat_dt_match(unsigned long node, const char *const *compat)
 689 {  
 690     return of_fdt_match(initial_boot_params, node, compat);
 691 }  

of_fdt_match函数从142行开始遍历compat数组的每一个字符串，然后通过of_fdt_is_compatible函数计算匹配度（以最小的数值作为最终的结果）。代码到这个地方已经很好理解了，compat中的数据来自内核的.arch.info.init段，这个段表示内核支持的平台，blob是设备树其实地址，通过node节点指定根节点的compatible属性，然后计算匹配度。还记得我们前边说过的compatible属性包含多个字符串，从前向后范围越来越大，优先匹配前边的，这个地方代码计算分数（score变量）就是这个目的。
 131 /**
 132  * of_fdt_match - Return true if node matches a list of compatible values
 133  */
 134 int of_fdt_match(const void *blob, unsigned long node,
 135                  const char *const *compat)
 136 {
 137     unsigned int tmp, score = 0;
 138
 139     if (!compat)
 140         return 0;
 141
 142     while (*compat) {
 143         tmp = of_fdt_is_compatible(blob, node, *compat);
 144         if (tmp && (score == 0 || (tmp < score)))
 145             score = tmp;
 146         compat++;
 147     }
 148
 149     return score;
 150 }

继续看of_fdt_is_compatible函数的实现，第97行已经看到找该节点下的"compatible"属性了。

  80 /**
  81  * of_fdt_is_compatible - Return true if given node from the given blob has
  82  * compat in its compatible list
  83  * @blob: A device tree blob
  84  * @node: node to test
  85  * @compat: compatible string to compare with compatible list.
  86  *
  87  * On match, returns a non-zero value with smaller values returned for more
  88  * specific compatible values.
  89  */
  90 int of_fdt_is_compatible(const void *blob,
  91               unsigned long node, const char *compat)
  92 {
  93     const char *cp;
  94     int cplen;
  95     unsigned long l, score = 0;
  96
  97     cp = fdt_getprop(blob, node, "compatible", &cplen);
  98     if (cp == NULL)
  99         return 0;
 100     while (cplen > 0) {
 101         score++;
 102         if (of_compat_cmp(cp, compat, strlen(compat)) == 0)
 103             return score;
 104         l = strlen(cp) + 1;
 105         cp += l;
 106         cplen -= l;
 107     }
 108
 109     return 0;
 110 }

关于根节点的"compatible"属性我们就说到这，一句话总结下就是内核通过"compatible"属性找到对应的平台描述信息，按照范围从小到大尽量匹配范围最小的，如果匹配不到，那么说明内核不支持该平台，系统将在初始化的时候就出错。

根节点还可能包含的属性为#address-cells和#size-cells，规范中说明这两个属性是必须的，实际应用时是可选的，还记得属性那一节说这两个属性如果没有都是有默认值的，#address-cells默认值为2，#size-cells默认值为1。根节点下必须包含的子节点为cpus和memory，后边会说明cpus下边还有每个cpu的子节点，memory节点下边定义的就是memory的起始地址及大小，所以根节点的#address-cells和#size-cells属性实际上说明的就是从cpu角度看系统总线的地址长度和大小。

规范中还写根节点下边必须有一个epapr-version属性用来描述设备树的版本，实际上在linux中根本不用这个属性。