Device Tree（一）：背景介绍

1、前言

做为一个多年耕耘在linux 2.6.23内核的开发者，各个不一样项目中各类不一样周边外设驱动的开发以及各类琐碎的、扯皮的俗务占据了大部分的时间。当有机会下载3.14的内核并准备学习的时候，忽然发现linux kernel对于我彷佛变得很是的陌生了，各类新的机制，各类framework、各类新的概念让我感到阅读内核代码变得举步维艰。 还好，剖析内核的热情还在，剩下的就交给时间的。首先进入视线的是Device Tree机制，这是和porting内核很是相关的机制，若是想让将咱们的硬件平台迁移到高版本的内核上，Device Tree是一个必需要扫清的障碍。

我想从下面三个方面来了解Device Tree：

一、为什么要引入Device Tree，这个机制是用来解决什么问题的？（这是本文的主题）

二、Device Tree的基础概念（请参考DT基础概念）

三、ARM linux中和Device Tree相关的代码分析（请参考DT代码分析）

阅读linux内核代码就像欣赏冰山，有看获得的美景（各类内核机制及其代码），也有埋在水面之下看不到的基础（机制背后的源由和目的）。沉醉于各类内核机制的代码当然有无限乐趣，但更重要的是注入更多的思考，思考其背后的机理，真正理解软件抽象。这样才能触类旁通，并应用在具体的工做和生活中。

本文主要从下面几个方面阐述为什么ARM linux会引入Device Tree：

一、没有Device Tree的ARM linux是如何运转的？

二、混乱的ARM architecture代码和存在的问题

三、新内核的解决之道

 

2、没有Device Tree的ARM linux是如何运转的？

我曾经porting内核到两个ARM-based的平台上。一个是小的芯片公司的应用处理器，公司本身购买了CPU core，该CPU core使用ARM兼容的指令集（但不是ARM）加上各类公司自行设计的多媒体外设整合成公司的产品进行销售。而个人任务就是porting 2.4.18内核到该平台上。在黑白屏幕的手机时代，那颗AP（application process）支持了彩屏、camera、JPEG硬件加速、2D/3D加速、MMC/SD卡、各类音频加速（内置DSP）等等特性，功能强大到没法直视。另一次移植经历是让2.6.23内核跑在一个大公司的冷门BP（baseband processor）上。具体porting的方法是很简单的：

一、本身撰写一个bootloader并传递适当的参数给kernel。除了传统的command line以及tag list之类的，最重要的是申请一个machine type，当拿到属于本身项目的machine type ID的时候，当时心情雀跃，彷佛本身已是开源社区的一份子了（其实当时是有意愿，或者说有目标是想将你们的代码并入到linux kernel main line的）。

二、在内核的arch/arm目录下创建mach-xxx目录，这个目录下，放入该SOC的相关代码，例如中断controller的代码，时间相关的代码，内存映射，睡眠相关的代码等等。此外，最重要的是创建一个board specific文件，定义一个machine的宏：

MACHINE_START(project name, "xxx公司的xxx硬件平台") 
    .phys_io    = 0x40000000, 
    .boot_params    = 0xa0000100,   
    .io_pg_offst    = (io_p2v(0x40000000) >> 18) & 0xfffc, 
    .map_io        = xxx_map_io, 
    .init_irq    = xxx_init_irq, 
    .timer        = &xxx_timer, 
    .init_machine    = xxx_init, 
MACHINE_END

在xxx_init函数中，通常会加入不少的platform device。所以，伴随这个board specific文件中是大量的静态table，描述了各类硬件设备信息。

三、调通了system level的driver（timer，中断处理，clock等）以及串口terminal以后，linux kernel基本是能够起来了，后续各类driver不断的添加，直到系统软件支持全部的硬件。

综上所述，在linux kernel中支持一个SOC平台实际上是很是简单的，让linux kernel在一个特定的平台上“跑”起来也是很是简单的，问题的重点是如何优雅的”跑”。

 

3、混乱的ARM architecture代码和存在的问题

每次正式的linux kernel release以后都会有两周的merge window，在这个窗口期间，kernel各个部分的维护者都会提交各自的patch，将本身测试稳定的代码请求并入kernel main line。每到这个时候，Linus就会比较繁忙，他须要从各个内核维护者的分支上取得最新代码并merge到本身的kernel source tree中。Tony Lindgren，内核OMAP development tree的维护者，发送了一个邮件给Linus，请求提交OMAP平台代码修改，并给出了一些细节描述：

一、简单介绍本次改动

二、关于如何解决merge conficts。有些git mergetool就能够处理，不能处理的，给出了详细介绍和解决方案

一切都很日常，也给出了足够的信息，然而，正是这个pull request引起了一场针对ARM linux的内核代码的争论。我相信Linus必定是对ARM相关的代码早就不爽了，ARM的merge工做量较大倒在其次，主要是他认为ARM不少的代码都是垃圾，代码里面有若干愚蠢的table，而多我的在维护这个table，从而致使了冲突。所以，在处理完OMAP的pull request以后（Linus并不是针对OMAP平台，只是Tony Lindgren撞在枪口上了），他发出了怒吼：

Gaah. Guys, this whole ARM thing is a f*cking pain in the ass.

负责ARM linux开发的Russell King脸上挂不住，进行了反驳：事情没有那么严重，此次的merge conficts就是OMAP和IMX/MXC之间一点协调的问题，不能抹杀整个ARM linux团队的努力。其余的各个ARM平台维护者也加入讨论：ARM平台如何复杂，如何庞大，对于arm linux code咱们已经有一些思考，正在进行中……一时间，讨论的气氛有些尖锐，但整体是坦诚和友好的。

对于一件事情，不一样层次的人有不一样层次的思考。此次争论涉及的人包括：

一、内核维护者（CPU体系结构无关的代码）

二、维护ARM系统结构代码的人

三、维护ARM sub architecture的人（来自各个ARM SOC vendor）

维护ARM sub architecture的人并无强烈的使命感，做为公司的一员，他们最大的目标是以最快的速度支持本身公司的SOC，尽快的占领市场。这些人的软件功力未必强，对linux kernel的理解未必深刻（有些人可能很强，可是人在江湖身不禁己）。在这样的状况下，不少SOC specific的代码都是经过copy and paste，而后稍加修改代码就提交了。此外，各个ARM vendor的SOC family是一长串的CPU list，每一个CPU多多少少有些不一样，这时候＃ifdef就充斥了各个源代码中，让ARM mach-和plat-目录下的代码有些不忍直视。

做为维护ARM体系结构的人，其能力无可置疑。以Russell King为首的team很好的维护了ARM体系结构的代码。基本上，除了mach-和plat-目录，其余的目录中的代码和目录组织是很好的。做为ARM linux的维护者，维护一个不断有新的SOC加入的CPU architecture code的确是一个挑战。在Intel X86的架构一统天下的时候，任何想正面攻击Intel的对手都败下阵来。想要击倒巨人（或者说想要和巨人并存）必须另辟蹊径。ARM的策略有两个，一个是focus在嵌入式应用上，也就意味着要求低功耗，同时也避免了和Intel的正面对抗。另一个就是博采众家之长，采用license IP的方式，让更多的厂商加入ARM创建的生态系统。毫无疑问，ARM公司是成功的，可是这种模式也给ARM linux的维护者带来了噩梦。愈来愈多的芯片厂商加入ARM阵营，愈来愈多的ARM platform相关的代码被加入到内核，不一样厂商的周边HW block设计又各不相同……

内核维护者是真正对操做系统内核软件有深刻理解的人，他们每每能站在更高的层次上去观察问题，发现问题。Linus注意到每次merge window中，ARM的代码变化大约占整个ARCH目录的60％，他认为这是一个很明显的符号，意味着ARM linux的代码可能存在问题。其实，60％这个比率的确很夸张，由于unicore32是在2.6.39 merge window中第一次全新提交，它的代码是全新的，可是其代码变化大约占整个ARCH目录的9.6％（须要说起的是unicore32是一个中国芯）。有些维护ARM linux的人认为这是CPU市场占用率的体现，不是问题，直到内核维护者贴出实际的代码并指出问题所在。内核维护者固然想linux kernel支持更多的硬件平台，可是他们更愿意为linux kernel制定更长远的规划。例如：对于各类繁杂的ARM平台，用一个kernel image来支持。

通过争论，肯定的问题以下：

一、ARM linux缺乏platform（各个ARM sub architecture，或者说各个SOC）之间的协调，致使arm linux的代码有重复。值得一提的是在本次争论以前，ARM维护者已经进行了很多相关的工做（例如PM和clock tree）来抽象相同的功能模块。

二、ARM linux中大量的board specific的源代码应该踢出kernel，不然这些垃圾代码和table会影响linux kernel的长期目标。

三、各个sub architecture的维护者直接提交给Linux并入主线的机制缺少层次。

 

4、新内核的解决之道

针对ARM linux的现状，最须要解决的是人员问题，也就是如何整合ARM sub architecture（各个ARM Vendor）的资源。所以，内核社区成立了一个ARM sub architecture的team，该team主要负责协调各个ARM厂商的代码（not ARM core part），Russell King继续负责ARM core part的代码。此外，创建一个ARM platform consolidation tree。ARM sub architecture team负责review各个sub architecture维护者提交的代码，并在ARM platform consolidation tree上维护。在下一个merge window到来的时候，将patch发送给Linus。

针对重复的代码问题，若是不一样的SOC使用了相同的IP block（例如I2C controller），那么这个driver的code要从各个arch/arm/mach-xxx中独立出来，变成一个通用的模块供各个SOC specific的模块使用。移动到哪一个目录呢？对于I2C或者USB OTG而言，这些HW block的驱动固然应该移动到kernel/drivers目录。由于，对于这些外设，多是in-chip，也多是off-chip的，可是对于软件而言，它们是没有差异的（或者说好的软件抽象应该掩盖底层硬件的不一样）。对于那些system level的code呢？例如clock control、interrupt control。其实这些也不是ARM-specific，应该属于linux kernel的核心代码，应该放到linux/kernel目录下，属于core-Linux-kernel frameworks。固然对于ARM平台，也须要保存一些和framework交互的code，这些code叫作ARM SoC core architecture code。OK，总结一下：

一、ARM的核心代码仍然保存在arch/arm目录下

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

三、ARM SOC的周边外设模块的驱动保存在drivers目录下

四、ARM SOC的特定代码在arch/arm/mach-xxx目录下

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

OK，终于来到了Device Tree了。本质上，Device Tree改变了原来用hardcode方式将HW 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。对于基于ARM CPU的嵌入式系统，咱们习惯于针对每个platform进行内核的编译。可是随着ARM在消费类电子上的普遍应用（甚至桌面系统、服务器系统），咱们指望ARM可以象X86那样用一个kernel image来支持多个platform。在这种状况下，若是咱们认为kernel是一个black box，那么其输入参数应该包括：

一、识别platform的信息

二、runtime的配置参数

三、设备的拓扑结构以及特性

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，还须要把上述的三个参数信息传递给kernel，以便kernel能够有较大的灵活性。在linux kernel中，Device Tree的设计目标就是如此。

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