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

前言

主要讲解的是嵌入式系统中如何通过设备树（Device Tree）进行扫描，完成硬件平台的识别和运行时参数的传递过程。内容涵盖了ARM架构下bootloader如何通过寄存器传递设备树地址，内核启动时如何解析设备树中的compatible字符串找到对应的硬件平台描述符（machine descriptor），以及如何通过设备树的/chosen节点获取启动参数（如命令行参数、内存布局）并初始化内核的内存管理。这种流程帮助内核自动适应不同硬件平台，提升可移植性。

1. 汇编部分的启动参数传递

在ARM架构上，内核的启动依赖于bootloader传递的几个关键寄存器值。汇编代码中的启动要求：

• r0 = 0：保留，必须为0。
• r1 = machine type ID：标识具体的硬件平台。
• r2 = atags（旧方法）或 device tree binary（DTB） 的内存地址。

这里 r2 可以是指向传统的 atags 数据结构（旧的方式），也可以是指向设备树文件（DTB）的地址。设备树是以二进制文件的形式存储在内存中的，bootloader 将其加载并通过 r2 传递给内核。

汇编代码的作用

启动时，bootloader将这些寄存器设置好后，把控制权交给内核的启动代码，这些代码位于 linux/arch/arm/kernel/head.S 和 head-common.S 文件中。关键的任务是将 r1 和 r2 的值保存到内核的变量中，方便后续的C代码处理。这两个值会被保存在以下两个变量中：

• __machine_arch_type：保存 r1，即 machine type ID。
• __atags_pointer：保存 r2，即指向DTB或atags的指针。

在汇编阶段，这些信息只是简单地保存下来，实际的解析和使用会在C代码部分进行。

2. 内核 C 代码中 setup_arch 的处理

setup_arch 是启动过程中内核进行硬件平台初始化的入口函数。它的主要任务包括：

• 确定硬件平台的类型（即确定用哪个 machine descriptor 描述符）。
• 解析从bootloader传递的参数（例如命令行参数、内存布局等）。

下面看具体的C代码：Linux-4.9.88\arch\arm\kernel\setup.csetup.c

void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
    const struct machine_desc *mdesc;

    // 尝试通过设备树（DTB）查找合适的 machine 描述符
    mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer);
    if (!mdesc)
        // 如果没有找到合适的 machine，使用传统的 tags 方法查找
        mdesc = setup_machine_tags(__atags_pointer, __machine_arch_type);

    // 保存找到的 machine 描述符
    machine_desc = mdesc;
    machine_name = mdesc->name;
}

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步骤解析：

• 尝试通过设备树匹配平台：内核首先调用 setup_machine_fdt 函数，根据 __atags_pointer 指向的DTB文件解析设备树，并找到一个合适的 machine descriptor（平台描述符）。
• 如果DTB无法匹配：如果通过DTB文件找不到合适的平台描述符，则退回到传统的方式 setup_machine_tags，使用 machine type ID 和 atags 查找平台信息。
• 保存匹配的结果：无论通过DTB还是传统方式，最终都会得到一个 machine descriptor，保存到全局变量 machine_desc 中，用来标识当前系统运行在哪个硬件平台上。

3. 平台识别（Machine Descriptor匹配）

setup_machine_fdt 函数的任务是通过DTB文件的 compatible 字符串，找到合适的硬件平台描述符。代码如下：Linux-4.9.88\arch\arm\kernel\devtree.cdevtree.c

setup_arch----->setup_machine_fdt:
const struct machine_desc * __init setup_machine_fdt(unsigned int dt_phys)
{
    const struct machine_desc *mdesc, *mdesc_best = NULL;

    // 如果DTB指针无效，或者DTB扫描失败，返回NULL
    if (!dt_phys || !early_init_dt_scan(phys_to_virt(dt_phys)))
        return NULL;

    // 根据 compatible 字符串匹配最合适的 machine descriptor
    mdesc = of_flat_dt_match_machine(mdesc_best, arch_get_next_mach);

    if (!mdesc) { 
        // 错误处理
    }

    // 修改 machine type ID 以匹配找到的 machine 描述符
    __machine_arch_type = mdesc->nr;

    return mdesc;
}

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解析：

• early_init_dt_scan：这是解析DTB文件的核心函数之一，负责扫描DTB文件中的节点信息，包括 compatible 字符串。
• of_flat_dt_match_machine：该函数负责将从DTB解析出来的 compatible 字符串与内核中静态定义的 machine descriptor 列表中的 compatible 字符串进行匹配。machine descriptor 是内核用来描述不同硬件平台的结构体，包含了每个平台的 compatible 字符串和其他硬件信息。

例子：

假设你的硬件平台在设备树中定义的 compatible 字符串为 "samsung,s3c2410", 内核会去扫描所有定义了 samsung,s3c2410 作为 compatible 字符串的平台描述符，找到最匹配的一个。

一旦找到匹配的平台描述符，内核会保存该描述符，并更新 machine type ID 为找到的描述符的编号。

4. 运行时参数传递

除了识别硬件平台之外，设备树还承担了传递运行时参数的任务。例如，bootloader会将启动时的命令行参数（bootargs）和内存布局等信息通过DTB传递给内核。

设备树的 /chosen 节点 是专门用来存储这些启动信息的。内核在启动时会扫描DTB中的 /chosen 节点，提取运行时参数，并保存到相应的全局变量中。以下是相关代码：\Linux-4.9.88\drivers\of\fdt.c fdt.c

bool __init early_init_dt_scan(void *params)
{
    bool status;

    // 验证设备树的有效性
    status = early_init_dt_verify(params);
    if (!status)
        return false;

    // 扫描设备树的所有节点
    early_init_dt_scan_nodes();
    return true;
}


bool __init early_init_dt_verify(void *params) 
{
    if (!params)
        return false;

    // 检查设备树头部的有效性
    if (fdt_check_header(params))
        return false;

    // 保存设备树的指针
    initial_boot_params = params;

    // 计算设备树的 CRC32 校验码，用于数据完整性检查
    of_fdt_crc32 = crc32_be(~0, initial_boot_params,
                            fdt_totalsize(initial_boot_params));
    return true;
}

void __init early_init_dt_scan_nodes(void)
{
    // 从 /chosen 节点中提取启动参数（如 bootargs）
    of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_chosen, boot_command_line);

    // 初始化设备树的 {size,address}-cells 属性
    of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_root, NULL);

    // 扫描 memory 节点，设定内存区域信息
    of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_memory, NULL);
}

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解析：

early_init_dt_verify： 这个函数负责验证设备树是否有效，并将其指针保存为全局变量。 保存DTB的指针，以便后续访问DTB文件中的节点。

• fdt_check_header(params)：这是一个标准函数，用来检查设备树头部的魔数和格式是否正确，确保传递的 params 符合设备树的格式。如果设备树无效，函数返回 false，停止后续处理。
• *initial_boot_params = params：验证成功后，将 params 保存到全局变量 initial_boot_params，以便在其他地方可以访问设备树内容。
• crc32_be()：计算设备树的校验和 of_fdt_crc32，这在后续处理中可能会用来验证设备树数据的完整性。

early_init_dt_scan_nodes： 该函数的作用是扫描设备树中的各个节点，提取与运行时参数、内存布局等相关的重要信息。

• of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_chosen, boot_command_line)：
  • 该调用扫描设备树的 /chosen 节点，提取引导参数（如 bootargs）。
  • bootargs 是运行时传递给内核的命令行参数，如根文件系统位置、内核启动参数等。
  • 提取的信息会保存到全局变量 boot_command_line 中，供后续内核启动使用。
• of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_root, NULL)：
  • 这一步扫描设备树根节点，提取与 size-cells 和 address-cells 相关的信息。
  • size-cells 和 address-cells 是设备树中的两个重要属性，决定了地址和尺寸的表示方式（例如，使用几个字节表示内存的地址和大小）。
• of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_memory, NULL)：
  • 该调用扫描 memory 节点，提取系统的物理内存布局，并调用 early_init_dt_add_memory_arch 来设置内存区域。
  • 这一步是设定物理内存信息的关键步骤。

整个流程的核心工作包括设备树验证和节点扫描，其中 /chosen 节点负责传递引导参数（如 bootargs），/memory 节点负责定义系统的内存布局。

运行时参数传递流程总结：

1. 引导参数：通过扫描 /chosen 节点，从中提取 bootargs 等关键的启动参数（例如内核启动时的命令行参数），并保存到全局变量 boot_command_line 中。
2. 内存布局：通过扫描 /memory 节点，提取物理内存信息，并设置内存区域。这一步确保内核知道物理内存的分布，为后续内存管理做准备。
3. 数据验证：通过 early_init_dt_verify 对设备树的头部进行检查，并通过 crc32_be 验证设备树数据的完整性。

5. 内存布局的传递

在ARM架构上，内核需要知道系统的物理内存布局（即内存的起始地址和大小）。通过Device Tree，bootloader可以在设备树中的 /memory 节点传递这些信息。内核通过解析这个节点，将内存信息保存到全局变量 meminfo 中。

/* 扫描设备树中的 /memory 节点，提取内存信息 */
of_scan_flat_dt(early_init_dt_scan_memory, NULL);

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这一步是获取系统内存布局信息的核心，确保内核知道系统中的物理内存位置和大小。

6. 大概

1. 汇编部分：bootloader通过寄存器传递硬件平台的 machine type ID 和设备树的地址。
2. 内核C代码的setup_arch：通过DTB的 compatible 字符串匹配平台描述符，识别当前运行的硬件平台。
3. 运行时参数传递：通过扫描设备树的 /chosen 节点，内核提取启动命令行参数 bootargs，并保存内存布局信息。

通过这种方式，Linux内核能够使用Device Tree文件在启动时自动识别硬件平台，并传递运行时参数，从而减少对硬件平台的依赖，提升了内核的可移植性。