Linux内核DTB文件启动的几种方式

版权： 凌云物网智科实验室< www.iot-yun.com >

声明： 本文档由凌云物网智科实验室郭工编著！

作者： 郭文学< QQ: 281143292 guowenxue@gmail.com>

版本： v1.0.0

1. Device Tree简介

Linus Torvalds在2011年3月17日的ARM Linux邮件列表宣称“this whole ARM thing is a fucking pain in the ass”，引发ARM Linux社区的地震，随后ARM社区进行了一系列的重大修正。在过去的ARM Linux中，arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx中充斥着大量的垃圾代码，相当多数的代码只是在描述板级细节，而这些板级细节对于内核来讲，不过是垃圾，如板上的platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各种硬件的platform_data。 社区必须改变这种局面，于是PowerPC等其他体系架构下已经使用的Flattened Device Tree（FDT）进入ARM社区的视野。Device Tree是一种描述硬件的数据结构，它起源于OpenFirmware(OF)。在Linux2.6中，ARM架构的板极硬件细节过多地被硬编码在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx，采用Device Tree后，许多硬件的细节可以直接透过它传递给Linux，而不再需要在kernel中进行大量的冗余编码。

Device Tree由一系列被命名的结点（node）和属性（property）组成，而结点本身可包含子结点。所谓属性，其实就是成对出现的name和value。在Device Tree中，可描述的信息包括（原先这些信息大多被hard code到kernel中）:

• CPU的数量和类别
• 内存基地址和大小
• 总线和桥
• 外设连接
• 中断控制器和中断使用情况
• GPIO控制器和GPIO使用情况

它基本上就是画一棵电路板上CPU、总线、设备组成的树，Bootloader会将这棵树传递给内核，然后内核可以识别这棵树，并根据它展开出Linux内核中的platform_device、i2c_client、spi_device等设备。这些设备用到的内存、IRQ等资源，也被传递给了kernel，kernel会将这些资源绑定给展开的相应的设备。

2. Device Tree编译

Device Tree文件的格式为dts，包含的头文件格式为dtsi，dts文件是一种人可以看懂的编码格式。但是uboot和linux不能直接识别，他们只能识别二进制文件，所以需要把dts文件编译成dtb文件。dtb文件是一种可以被kernel和uboot识别的二进制文件。把dts编译成dtb文件的工具是dtc。Linux源码目录下scripts/dtc目录包含dtc工具的源码。在Linux的scripts/dtc目录下除了提供dtc工具外，也可以自己安装dtc工具，linux下执行：sudo apt-get install device-tree-compiler安装dtc工具。其中还提供了一个fdtdump的工具，可以反编译dtb文件。dts和dtb文件的转换如图1所示。

dtc工具的使用方法是：dtc –I dts –O dtb –o xxx.dtb xxx.dts，即可生成dts文件对应的dtb文件了。

3. 早期Linux内核启动

早期的Linux内核(Linux-3.0以前)里的设备信息(platform_device)和驱动信息（platform_driver）都是通过C代码硬写入到Linux内核里去了，这些源文件都在arch/arm/mach-xxx或plat-xxx下：

例如我们移植Linux内核代码到FL2440开发板时，就会在设备文件arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中作大量修改的，该文件就描述了开发板上所有的设备信息。

我们在编译Linux内核源码之后会生成zImage文件，该文件并不能直接被u-boot启动。之后需要使用u-boot里的mkimage工具生成uImage。

在将zImage转换成uImage文件后，我们在u-boot下就可以直接使用tftp 下载并通过bootm 命令启动Linux内核了。

U-Boot> tftp 30008000 linuxrom-s3c2440.bin && bootm 30008000

在前些年我们玩ARM Linux时大多是使用的这种方法。但自从Linus大神发飙之后，ARM社区几乎“一夜”之间将 arch/arm/mach-xxx 或 arch/arm/plat-xxx的代码全部废除，并不再支持。这也就是使用像S3C2440这样的开发板，最高Linux内核版本只能到Linux-3.0的原因。而最新的内核中所有硬件信息都必须通过arch/arm/boot/dts中的DTS（Device Tree Source）文件来描述。这样如果S3C2440想要升级到更高版本的Linux话，就必须自己重写S3C2440的DTS文件，当然很少有人愿意为一个停产的CPU做这些无用功的。

4. 设备树启动

Linux-3.x之后的内核统一启用Device Tree机制之后，所有的设备硬件信息描述都会放到 arch/arm/boot/dts/ 路径下的 xxx.dts文件中描述。这些dts(Device Tree Source)文件并不是C代码，而是具有相应语法格式的源文件。在编译内核时，我们可以使用 make dtbs 命令编译生成相应开发板的dtb(Device Tree Blob)文件。因为这些源文件并不是C程序，所以不是用gcc来编译，而是由其相应的编译工具dtc（Device Tree Compiler）来编译。

如下面我对Atmel SAMA5D44开发板移植Linux内核的编译过程和结果：

很显然，这里Linux内核uImage文件中只包含了Linux内核驱动相关的信息，而所有的设备硬件信息都在编译生成的at91-sama5d4_xplained.dtb设备树文件中。这也就意味着u-boot在启动时只有uImage是不够的，而是两个文件都需要。对于这种情况，u-boot在启动时需要这两个文件，同时bootm命令里还要指定它们加载到内存中的地址。如下所示：

5 设备树和uImage合并

参考上面的例子我们可以看到，在这里使用dtb文件会有一个很大的好处，即通过dtb文件将设备的硬件信息和Linux内核分离开了。这样也就意味着我们只需要编译一个Linux内核，然后加载不同的dtb文件，就可以为不同的硬件开发板服务了。譬如在上面的例子中，我使用同一个内核uImage，如果我想在Atmel的SAMA5D4 Xplained开发板上运行就只需要加载dtb文件at91-sama5d4_xplained.dtb即可； 而如果我们想启动开发板SAMA5D3 Xplained的话，只需要将DTB文件更新为at91-sama5d3_xplained.dtb即可，而不需更新uImage。这为今后的产品升级换代提供了很大的便利。

但嵌入式是一个软硬件高度定制的产品，我们一般很少使用这种特性。因为在生产时Linux系统内核要提供两个文件（uImage和dtb）并下载烧录，显得有点繁琐，这时我们更多地是希望将dtb和uImage打包到一个image中烧录启动。这时候可以分别通过Linux内核和u-boot来实现：

5.1 Linux内核append DTB

之所以Linux内核会提供这种方式是因为很多厂家都有自己的bootloader，但是这些bootloader并不都一定支持设备树，为了实现支持设备树启动，就引入了这种启动方式，即将编译出的zImage和编译出的设备树镜像文件拼成一个新的镜像，在内核的自解压代码中会识别到，不会出现自解压时导致设备树被覆盖。2016年在本人深圳消安做的一个LoRa物联网网关产品使用的Atmel的处理器AT91SAM9X35+Linux-4.1内核，在该内核代码中就是通过内核里支持的功能来合并uImage和dtb文件的。具体的实现方式是：

首先在内核make menuconfig的“Boot options —>”选项里要选择：

在编译Linux内核生成uImage和dtb文件之后，使用cat命令将他们合并，然后再使用mkimage命令生成u-boot启动相关的uImage文件：

guowenxue@ubuntu-master: ~/linux-at91-linux4sam_5.3$ cat arch/arm/boot/dts/at91sam9x35ek.dtb >> arch/arm/boot/zImage
guowenxue@ubuntu-master: ~/linux-at91-linux4sam_5.3$ mkimage -A arm -O linux -n AT91SAM9X35EK -C NONE -a 0x20008000 -e 0x20008000 -d arch/arm/boot/zImage linuxrom-sam9x35ek.bin
guowenxue@ubuntu-master: ~/linux-at91-linux4sam_5.3$ chmod a+x linuxrom-sam9x35ek.bin

这样，在u-boot里直接下载生成的uImage文件启动即可。

U-Boot> tftp 22000000 linuxrom-sam9x35ek.bin && bootm 22000000

5.2 u-boot FIT image合并

最近接的马来西亚CoherentPlus的一个NFC支付读卡器项目，选用Atmel的Cortex A5处理器SAMA5D44，所使用的是Linux-4.9和U-Boot 2014.07。同样尝试上面SAM9X35的套路打包uImage和dtb文件并启动Linux内核时失败，U-boot启动时提示如下错误。毕竟现在已经是9102年了，在这里没有太大兴趣研究这种老的打包方式，而转向u-boot的全兴工作方式FIT Image。

我们知道，Linux kernel在ARM架构中引入device tree（全称是Flattened Device Tree，后续将会以FDT代称）的时候，其实怀揣了一个Unify Kernel的梦想—-同一个Image，可以支持多个不同的平台。随着新的ARM64架构将FDT列为必选项，并将和体系结构有关的代码剥离之后，这个梦想已经接近实现。Device Tree在ARM架构中普及之后，u-boot也马上跟进、大力支持，毕竟，美好的Unify kernel的理想，需要bootloader的成全。为了支持基于device tree的unify kernel，u-boot需要一种新的Image格式，这种格式需要具备如下能力：

1. Image中需要包含多个dtb文件；
2. 可以方便的选择使用哪个dtb文件boot kernel；

是不是这样就感觉跟Linux内核一样Niubility了？没错！要的就是这种感觉。综合上面的需求，u-boot推出了全新的image格式—-FIT uImage，其中FIT是flattened image tree的简称。它利用了Device Tree Source files（DTS）的语法，生成的image文件也和dtb文件类似（称作itb），下面是我们项目中的示例代码。：

guowenxue@ubuntu-master:~/sama5d4-sdk/linux-bsp/linux-at91$ cat linuxrom-sama5d4.its

/* U-Boot uImage source file for "sama5d4_xplained" */
/dts-v1/;
/ {
 description = "U-Boot uImage source file for SAMA5D4 Xplained";
 #address-cells = <1>;
 images {
 kernel@sama5d4 {
 description = "Linux kernel for SAMA5D4 Xplained";
 data = /incbin/("arch/arm/boot/zImage");
 type = "kernel";
 arch = "arm";
 os = "linux";
 compression = "none";
 load = <0x20008000>;
 entry = <0x20008000>;
 };
 fdt@sama5d4 {
 description = "Flattened Device Tree blob for SAMA5D4 Xplained";
 data = /incbin/("arch/arm/boot/dts/at91-sama5d4_xplained.dtb");
 type = "flat_dt";
 arch = "arm";
 compression = "none";
 };
 };
 configurations {
 default = "conf@sama5d4";
 conf@sama5d4 {
 description = "Boot Linux kernel with FDT blob";
 kernel = "kernel@sama5d4";
 fdt = "fdt@sama5d4";
 };
 };
};

上面的代码是不是很眼熟？没错，就是跟Linux内核树里的DTS文件语法一样，里面的一些参数就是mkimage制作uImage时的一些参数。在编译生成Linux内核zImage和dtb文件之后，我们只需要使用mkimage命令就可以生成相应的itb文件了。当然，上面的文件遵循dts语法，那他的编译就需要dtc编译器，默认ubuntu并没有安装该命令，所以在使用之前还得安装相应的命令，好在ubuntu下都提供了，如果没有可以在u-boot或linux内核下去找：

guowenxue@ubuntu-master:~/sama5d4-sdk/linux-bsp/linux-at91$ sudo apt-get install u-boot-tools device-tree-compiler

guowenxue@ubuntu-master:~/sama5d4-sdk/linux-bsp/linux-at91$ mkimage -f linuxrom-sama5d4.its linuxrom-sama5d4.itb

FIT description: U-Boot uImage source file for SAMA5D4 Xplained
Created: Fri Aug 23 21:43:12 2019
Image 0 (kernel@sama5d4)
 Description: Linux kernel for SAMA5D4 Xplained
 Created: Fri Aug 23 21:43:12 2019
 Type: Kernel Image
 Compression: uncompressed
 Data Size: 4879744 Bytes = 4765.38 kB = 4.65 MB
 Architecture: ARM
 OS: Linux
 Load Address: 0x20008000
 Entry Point: 0x20008000
Image 1 (fdt@sama5d4)
 Description: Flattened Device Tree blob for SAMA5D4 Xplained
 Created: Fri Aug 23 21:43:12 2019
 Type: Flat Device Tree
 Compression: uncompressed
 Data Size: 32670 Bytes = 31.90 kB = 0.03 MB
 Architecture: ARM
Default Configuration: 'conf@sama5d4'
Configuration 0 (conf@sama5d4)
 Description: Boot Linux kernel with FDT blob
 Kernel: kernel@sama5d4
 FDT: fdt@sama5d4

既然是全新的东西，u-boot默认并不一定支持。如果要U-boot支持FIT Image启动的话，我们还得在u-boot的配置文件中添加它的支持，即加上 CONFIG_FIT 宏定义即可：

guowenxue@ubuntu-master:~/sama5d4-sdk/linux-bsp/u-boot-at91$ vim include/configs/sama5d4_xplained.h

/* add by guowenxue, 2019.08.22 */
#define CONFIG_FIT 1

编译升级u-boot之后，我们则可以直接启动该itb文件了。启动过程如下所示：

6 PS:

本文档主要是讲解Linux内核设备树的使用，并不涉及到Device Tree Source的语法和原理，如果有需要的请自行百度、参考Linux内核里的设备树文件学习。