device_node：解压设备树与生成内核设备节点树的流程概述

news2024/10/11 8:30:59

本专栏往期内容

总线：

  1. 驱动中的device和device_driver结构体-CSDN博客
  2. bus总线的相关结构体和注册逻辑-CSDN博客
  3. bus中设备驱动的probe触发逻辑和device、driver的添加逻辑-CSDN博客
  4. platform bus平台总线详解-CSDN博客

设备树：

  1. 设备树语法规则讲解-CSDN博客
  2. 基于设备树的嵌入式系统硬件平台识别与参数传递流程解析-CSDN博客

前言

本章主要内容：在 Linux 内核的初始化过程中，设备树二进制文件（DTB）被解压为设备节点树，用于内核设备驱动的管理。通过内核函数 __unflatten_device_tree，DTB 被解析成内核的 struct device_node 结构。这一流程分为两个主要步骤：首先通过扫描 DTB 来确定所需内存大小，接着分配内存并进行实际的解压操作，生成设备节点树，并保存在全局链表和树结构中。解压后的设备节点被存储为全局链表 of_allnodes，同时形成层次化的父子节点关系树，供内核使用。这一过程确保设备驱动能够正确识别和使用硬件设备的配置信息。

注：以下的代码皆摘自于linux 4.9.88版本的内核源码，不同版本可能有所出入。

1. struct device_node

struct device_node {
	const char *name; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－device node name
	const char *type; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－对应device_type的属性
	phandle phandle; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－对应该节点的phandle属性
	const char *full_name;  －－－－－－－－－－－－－－－－从“/”开始的，表示该node的full path
	struct fwnode_handle fwnode; －－－－－－－－－－－－－－－－这个成员用于支持更通用的设备模型，可以与 fwnode 结构结合，以支持非设备树的设备节点。这种设计使得内核能够灵活地处理不同类型的设备描述信息，不仅仅局限于设备树。

	struct	property *properties; －－－－－－－－－－－－－该节点的属性列表
	struct	property *deadprops; －－－－－－－－－－如果需要删除某些属性，kernel并非真的删除，而是挂入到deadprops的列表
	struct	device_node *parent;
	struct	device_node *child;
	struct	device_node *sibling; －－－－－－parent、child以及sibling将所有的device node连接起来
	struct	kobject kobj;－－－－－－kobject 是内核对象的基础结构，提供了一些通用功能，如名称、引用计数和 sysfs 接口等。每个设备节点都可以通过 kobj 与内核的对象模型集成，使得设备节点可以通过 sysfs 进行用户空间访问。
	unsigned long _flags; －－－－－－这个成员用于存储设备节点的状态标志。可以包含各种与设备节点状态相关的信息，如是否已经被标记为“已分离”（detached），或是否已注册等。
	void	*data;  －－－－－－这个指针可以用于存储与设备节点相关的特定数据。由于设备树本身并不定义任何具体数据结构，这为开发人员提供了灵活性，可以根据需要在此存储额外信息。
#if defined(CONFIG_SPARC)
	const char *path_component_name;
	unsigned int unique_id; －－－－－－用于为设备节点分配一个唯一的标识符，以帮助识别和管理不同设备节点。
	struct of_irq_controller *irq_trans; －－－－－－这个指针用于表示与中断控制器相关的设备节点信息。中断处理在硬件设备中至关重要，而这个成员用于帮助管理设备节点与中断之间的关系。
#endif
};

设备树最后就抽象成这样一个结构体，是不是觉得在哪里见过，就是在 平台总线驱动模型 中的struct device的成员之一

  1. struct fwnode_handle fwnode;
    • 这个成员用于支持更通用的设备模型，可以与 fwnode 结构结合，以支持非设备树的设备节点。这种设计使得内核能够灵活地处理不同类型的设备描述信息，不仅仅局限于设备树。
  2. struct property *properties;
    • 这个指针指向当前设备节点的属性列表。每个设备节点可以有多个属性，每个属性包含一个键值对，用于描述设备的特征。例如，一个设备节点可能有“compatible”属性来标识设备的兼容性，或“reg”属性来描述设备的寄存器地址。
  3. struct property *deadprops;
    • 这个指针指向已标记为删除的属性列表。当需要删除某个属性时，内核并不会立即从内存中释放它，而是将其移入 deadprops 列表。这样做的好处是避免频繁的内存分配和释放，提升性能。在某些情况下，可能会需要恢复这些被删除的属性。
  4. struct device_node *parent;
    • 这个指针指向当前设备节点的父节点。设备节点形成一棵树结构，每个节点可能有一个父节点，这有助于管理节点之间的层级关系。
  5. struct device_node *child;
    • 这个指针指向当前节点的第一个子节点。设备树是一个树状结构，每个节点可以有多个子节点，而这个指针帮助快速访问第一个子节点。
  6. struct device_node *sibling;
    • 这个指针指向当前节点的下一个兄弟节点。通过这个指针，可以在同级别的设备节点之间进行遍历。
  7. struct kobject kobj;
    • kobject 是内核对象的基础结构，提供了一些通用功能，如名称、引用计数和 sysfs 接口等。每个设备节点都可以通过 kobj 与内核的对象模型集成，使得设备节点可以通过 sysfs 进行用户空间访问。
  8. unsigned long _flags;
    • 这个成员用于存储设备节点的状态标志。可以包含各种与设备节点状态相关的信息，如是否已经被标记为“已分离”（detached），或是否已注册等。
  9. void *data;
    • 这个指针可以用于存储与设备节点相关的特定数据。由于设备树本身并不定义任何具体数据结构，这为开发人员提供了灵活性，可以根据需要在此存储额外信息。

条件编译部分

  1. #if defined(CONFIG_SPARC)
    • 这个条件编译部分意味着以下成员仅在特定架构（如 SPARC）下可用。具体成员如下：
    • const char *path_component_name;
      • 该成员表示路径组件的名称，在某些架构中可能需要。
    • unsigned int unique_id;
      • 用于为设备节点分配一个唯一的标识符，以帮助识别和管理不同设备节点。
    • struct of_irq_controller *irq_trans;
      • 这个指针用于表示与中断控制器相关的设备节点信息。中断处理在硬件设备中至关重要，而这个成员用于帮助管理设备节点与中断之间的关系。

2. 初始化流程：device_node的提取

在系统初始化的过程中，会将DTB转换成节点是device_node的树状结构。具体的代码位于setup_arch的unflatten_device_tree中。

// Linux-4.9.88\arch\arm\kernel\setup.c
void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
    .....
    unflatten_device_tree();  // \Linux-4.9.88\drivers\of\fdt.C，继续往下看
    .....
}

//--------------------------------分割线----------------------------------------
/**
 * unflatten_device_tree - create tree of device_nodes from flat blob
 *
 * unflattens the device-tree passed by the firmware, creating the
 * tree of struct device_node. It also fills the "name" and "type"
 * pointers of the nodes so the normal device-tree walking functions
 * can be used.
 */
void __init unflatten_device_tree(void)
{
	__unflatten_device_tree(initial_boot_params, NULL, &of_root,
				early_init_dt_alloc_memory_arch, false); //继续往下看

	/* Get pointer to "/chosen" and "/aliases" nodes for use everywhere */
	of_alias_scan(early_init_dt_alloc_memory_arch);
}

//--------------------------------分割线----------------------------------------
/**
 * __unflatten_device_tree - create tree of device_nodes from flat blob
 *
 * unflattens a device-tree, creating the
 * tree of struct device_node. It also fills the "name" and "type"
 * pointers of the nodes so the normal device-tree walking functions
 * can be used.
 * @blob: The blob to expand
 * @dad: Parent device node
 * @mynodes: The device_node tree created by the call
 * @dt_alloc: An allocator that provides a virtual address to memory
 * for the resulting tree
 *
 * Returns NULL on failure or the memory chunk containing the unflattened
 * device tree on success.
 */
static void *__unflatten_device_tree(const void *blob,
				     struct device_node *dad,
				     struct device_node **mynodes,
				     void *(*dt_alloc)(u64 size, u64 align),
				     bool detached)
{
	int size;
	void *mem;

	pr_debug(" -> unflatten_device_tree()\n");

	if (!blob) {
		pr_debug("No device tree pointer\n");
		return NULL;
	}

	pr_debug("Unflattening device tree:\n");
	pr_debug("magic: %08x\n", fdt_magic(blob));
	pr_debug("size: %08x\n", fdt_totalsize(blob));
	pr_debug("version: %08x\n", fdt_version(blob));

	if (fdt_check_header(blob)) {
		pr_err("Invalid device tree blob header\n");
		return NULL;
	}

	/* First pass, scan for size */
	size = unflatten_dt_nodes(blob, NULL, dad, NULL);
	if (size < 0)
		return NULL;

	size = ALIGN(size, 4);
	pr_debug("  size is %d, allocating...\n", size);

	/* Allocate memory for the expanded device tree */
	mem = dt_alloc(size + 4, __alignof__(struct device_node));
	if (!mem)
		return NULL;

	memset(mem, 0, size);

	*(__be32 *)(mem + size) = cpu_to_be32(0xdeadbeef);

	pr_debug("  unflattening %p...\n", mem);

	/* Second pass, do actual unflattening */
	unflatten_dt_nodes(blob, mem, dad, mynodes);
	if (be32_to_cpup(mem + size) != 0xdeadbeef)
		pr_warning("End of tree marker overwritten: %08x\n",
			   be32_to_cpup(mem + size));

	if (detached && mynodes) {
		of_node_set_flag(*mynodes, OF_DETACHED);
		pr_debug("unflattened tree is detached\n");
	}

	pr_debug(" <- unflatten_device_tree()\n");
	return mem;
}

内核函数 __unflatten_device_tree 主要用于将设备树二进制文件（DTB）“解压”成内核使用的设备节点结构，并将其组织成设备树的结构。具体来说，它完成了以下几个重要步骤：

函数功能概述

  1. 解析并校验 DTB 文件头部：检查设备树的有效性，确保提供的设备树格式正确。
  2. 分配内存：根据设备树中的结构，确定需要多少内存用于保存所有设备节点和属性，并一次性分配足够的内存。
  3. 解压设备树：扫描 DTB，实际将设备节点和属性解析出来，并生成内核中使用的 struct device_node 结构，形成一个内核中的设备树。
  4. 标记分离（detached）状态：如果设备树被标记为“分离”，则设置相应的标志。

详细代码分析

Linux-4.9.88\Linux-4.9.88\drivers\of\fdt.c：
static void *__unflatten_device_tree(const void *blob,
                     struct device_node *dad,
                     struct device_node **mynodes,
                     void *(*dt_alloc)(u64 size, u64 align),
                     bool detached)
{
    int size;
    void *mem;

    pr_debug(" -> unflatten_device_tree()\n");

    if (!blob) {
        pr_debug("No device tree pointer\n");
        return NULL;
    }
  • 参数说明：
    • blob：指向设备树二进制文件（DTB）的指针。
    • dad：父节点的指针，即要解压出的设备树的根节点。可以为空。
    • mynodes：指向解压后设备节点的全局链表。
    • dt_alloc：内存分配函数，用于为设备节点和属性分配内存。
    • detached：如果为 true，则表示设备树是“分离”的，不会直接与内核的其余部分关联。
  • 第一步：函数首先检查 blob 是否为空，如果为空则返回，因为这表示没有设备树可供处理。
    pr_debug("Unflattening device tree:\n");
    pr_debug("magic: %08x\n", fdt_magic(blob));
    pr_debug("size: %08x\n", fdt_totalsize(blob));
    pr_debug("version: %08x\n", fdt_version(blob));

    if (fdt_check_header(blob)) {
        pr_err("Invalid device tree blob header\n");
        return NULL;
    }
  • 第二步：通过 fdt_magic(blob) 等函数输出设备树头部信息，如魔数（magic）、大小（size）和版本（version）。
    • fdt_check_header(blob)：检查设备树头部是否有效。如果无效，函数返回 NULL，表示设备树解析失败。
    /* First pass, scan for size */
    size = unflatten_dt_nodes(blob, NULL, dad, NULL);
    if (size < 0)
        return NULL;
  • 第三步：调用 unflatten_dt_nodes 扫描设备树。这是第一遍扫描，主要目的是计算出完整解压设备树所需的内存大小，存储在 size 变量中。
    • 如果 size 小于 0，表示扫描失败，则直接返回 NULL。
    size = ALIGN(size, 4);
    pr_debug("  size is %d, allocating...\n", size);

    /* Allocate memory for the expanded device tree */
    mem = dt_alloc(size + 4, __alignof__(struct device_node));
    if (!mem)
        return NULL;

    memset(mem, 0, size);

    *(__be32 *)(mem + size) = cpu_to_be32(0xdeadbeef);
  • 第四步：将计算出的 size 值对齐到 4 字节（通常是为了保证内存对齐，提高访问效率）。
    • 接着调用 dt_alloc 分配内存，大小为 size + 4 字节。加上4字节是为了在内存末尾设置一个标记（0xdeadbeef），用于后面校验是否发生内存溢出。
    • memset(mem, 0, size) 将分配的内存初始化为 0。
    pr_debug("  unflattening %p...\n", mem);

    /* Second pass, do actual unflattening */
    unflatten_dt_nodes(blob, mem, dad, mynodes);
    if (be32_to_cpup(mem + size) != 0xdeadbeef)
        pr_warning("End of tree marker overwritten: %08x\n",
               be32_to_cpup(mem + size));

unflatten_dt_nodes具体如下：
// Linux-4.9.88\Linux-4.9.88\drivers\of\fdt.c：
static int unflatten_dt_nodes(const void *blob,
			      void *mem,
			      struct device_node *dad,
			      struct device_node **nodepp)
{
	struct device_node *root;
	int offset = 0, depth = 0, initial_depth = 0;
#define FDT_MAX_DEPTH	64
	unsigned int fpsizes[FDT_MAX_DEPTH];
	struct device_node *nps[FDT_MAX_DEPTH];
	void *base = mem;
	bool dryrun = !base;

	if (nodepp)
		*nodepp = NULL;

	/*
	 * We're unflattening device sub-tree if @dad is valid. There are
	 * possibly multiple nodes in the first level of depth. We need
	 * set @depth to 1 to make fdt_next_node() happy as it bails
	 * immediately when negative @depth is found. Otherwise, the device
	 * nodes except the first one won't be unflattened successfully.
	 */
	if (dad)
		depth = initial_depth = 1;

	root = dad;
	fpsizes[depth] = dad ? strlen(of_node_full_name(dad)) : 0;
	nps[depth] = dad;

	for (offset = 0;
	     offset >= 0 && depth >= initial_depth;
	     offset = fdt_next_node(blob, offset, &depth)) {
		if (WARN_ON_ONCE(depth >= FDT_MAX_DEPTH))
			continue;

		fpsizes[depth+1] = populate_node(blob, offset, &mem,
						 nps[depth],
						 fpsizes[depth],
						 &nps[depth+1], dryrun);
		if (!fpsizes[depth+1])
			return mem - base;

		if (!dryrun && nodepp && !*nodepp)
			*nodepp = nps[depth+1];
		if (!dryrun && !root)
			root = nps[depth+1];
	}

	if (offset < 0 && offset != -FDT_ERR_NOTFOUND) {
		pr_err("Error %d processing FDT\n", offset);
		return -EINVAL;
	}

	/*
	 * Reverse the child list. Some drivers assumes node order matches .dts
	 * node order
	 */
	if (!dryrun)
		reverse_nodes(root);

	return mem - base;
}
  • 第五步：输出调试信息，显示分配内存的地址。
    • 然后进行第二次扫描，这次调用 unflatten_dt_nodes 实际解析设备树，并将其解压到刚刚分配的内存中。这个函数会填充 **struct device_node** 结构，构建完整的设备树。
    • 解压完成后，检查之前设置的 0xdeadbeef 标记，如果被覆盖，表示在解析过程中发生了内存溢出，输出警告信息。
    if (detached && mynodes) {
        of_node_set_flag(*mynodes, OF_DETACHED);
        pr_debug("unflattened tree is detached\n");
    }

    pr_debug(" <- unflatten_device_tree()\n");
    return mem;
}
  • 第六步：如果 detached 标志为真，并且 mynodes 指针有效，则设置设备树的 “detached” 标志，表示这棵设备树与内核的其余部分没有直接关联（分离状态）。
    • 最后，函数返回分配的内存地址，完成设备树的解压。

运行逻辑

  1. 设备树验证：函数首先检查设备树的头部，确保 blob 有效。
  2. 计算内存需求：第一次扫描设备树，确定解压后所需的内存大小。
  3. 内存分配：为整个设备树分配足够的内存，一次性为所有节点、属性等结构分配空间。
  4. 设备树解压：第二次扫描设备树，解析每个节点和属性，生成内核使用的设备树结构，并保存在分配的内存中。
  5. 溢出检查：通过末尾的 0xdeadbeef 标记检查是否发生了内存溢出。
  6. 分离状态：如果设备树被标记为分离，设置相应标志。

通过这两个扫描，设备树的二进制数据被转换为内核可以使用的设备节点树，同时保存到全局链表中，供内核的设备驱动子系统使用。

unflatten_device_tree函数的主要功能就是扫描DTB，将device node被组织成：

1、global list。全局变量struct device_node *of_allnodes就是指向设备树的global list

2、tree。

这些功能主要是在__unflatten_device_tree函数中实现

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