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摘 要：由于linux的开放性、适应性以及高度可裁剪性，Linux系统在嵌入式领域得到迅速发展。PowerPC处理器在通信领域和工业控制领域也都有着广泛的使用。所以文中以mpc8313erdb平台新添加网卡芯片为例，讲述如何使linux支持新添加的网卡设备。
关键词：PowerPC；linux；设备树
Bootloader除了引导系统之外，另一个重要的作用就是给内核传递硬件信息。在服务器和桌面系统bootloader与内核之间传递硬件信息，为了达到标准化和兼容性的目的，都各自有标准Firmware(一种嵌入到硬件设备中的程序，用于提供软件和硬件之间的接口)。如x86平台的有BIOS。PowerPC 和Sparc 系统均采用Open-Firmware标准。但是嵌入式PowerPC平台并没有这样标准的Fireware接口，但是在嵌入式领域，早期的uboot使用include/asm-ppc/ppcboot.h中的静态数据结构struct bd_info来保存bootloader给内核传递的信息。但是bd_info并不能为内核提供当前具体是哪个平台的信息。这种没有标准接口所以带来的问题就是，每当我们更换bd_info的布局的时候我们都必须重新定制和烧录bootloader和内核镜像。例如我们可能需要修改kernel，syslib，platforms目录下的很多的内核文件。
目前为了适应内核的发展和嵌入式平台PowerPC平台的变化，ePAPR(embedded Poower Architecture Platform Requirements)吸收Open Firmware中设备树(Device tree)。通过设备树来将硬件信息传递给内核，64位PowerPC平台最先支持OF(Open Firmware)结构。随着内核发展，内核开发人员打算利用合并PPC32(arch/ppc32)和PPC64(arch/ppc64)的内核代码这个机会，将清理PPC32中的firmware接口。让所有的PowerPC平台都统一提供对OF(Open Firmware)结构的支持。
1 Linux内核中PowerPC 软件结构
为了理解PowerPC 内核初始化过程，下面对设备树和机器描述结构(ppc_md 结构)。
1.1 设备树
设备树是一种描述硬件配置的树形数据结构，每一个设备树都包含唯一的根节点/。设备树结构由设备节点组成，这些设备节点又可以由多个子节点组成。这些节点只有包括设备或者总线。每个节点包含属性。设备树的源代码存放在arch/powerpc/boot/dts目录下。这里的每个文件都描述着各自的平台的硬件信息。以mpc8313erdb平台为例，其文件名为mpc8313erdb.dts。一个基本的设备树必须包含一个cpu节点、一个memory节点两个节点信息。对于需要为平台添加新的网卡设备，我们必须修改mpc8313erdb.dts文件。dts文件时文本文件，而linux系统引导的时候，所使用的并不是这样的文本文件，而是二进制文件(dtb)。所以需要使用dtc工具将dts文件编译成dtb的二进制文件。
dtb文件由boot_param_header，device_tree结构和device tree string三大部分组成。dtb组成如图1所示。
(1)boot_param_header结构
头主要描述设备树的基本信息，如设备树魔数标志(0xd00dfeed)、设备树块大小、结构块的偏移地址。这个结构中的值都是以大端模式表示，并且偏移地址是相对设备树头的起始地址计算。boot_param_header结构定义在arch/powerpc/boot/flatdevtree.h文件中，用来保存设备树的头部信息。
(2)Device tree结构
设备树结构块是线性化的树形结构，和字符块一起组成了设备树的主体，以节点形式保存目标板的设备信息。在结构块中，节点起始标示为常量宏OF_DT_BEGIN_NODE，节点结束标志位宏OF_DT_END_NODE;子节点在节点结束标志前。一个节点可以概括以OF_DT_BEGIN_NODE开始，包括节点路径、属性列表、子节点列表，最后以OF_DT_END_NODE结束的序列，每个子节点自身也是类似的结构。
(3)Device tree string结构
为了节约空间，将一些属性名，尤其是那些重复冗余出现的属性名，提取出来单独存放到字符块。这个块中包含了很多有结束标志的属性名字符串。在设备树的结构块中存储了这些字符串的偏移地址，这样可以很容易地查找到属性名字符串。字符串块的引入节省了嵌入式的存储空间。
1.2 ppc_md 结构
全局变量ppc_md定义在arch/powerpc/kernel/setup-common.c。数据结构定义在include/asm-powerpc/machdep.h中。其中主要包括像setup_arch，init，init_IRQ，probe等。Linux PowerPC中probe_machine函数从machine.desc段中读取数据来填充ppc_md数据结构。Linux PowerPC首先通过宏define_machine，将各类PowerPC内核的ppc_md结构加入到machine.desc段中。图2描述了ppc_md的结构。
2 PowerPC linux初始化过程
即从BootLoader加载内核到执行/sbin/init程序之间的代码。
U-boot传递linux两个参数：r3指向OF Tree 结构的物理地址 r4指向Linux内核所在的物理地址。
2.1 跳入内核入口地址_start出，此处arch/powerpc/kernel/head_32.S
* bl machine_int
> early_init_devtree()解析dtb获取当前处理器系统的硬件信息。
> probe_machine()读取machine_desc段，调用其中.probe()钩子函数。每个.probe钩子函数回去检查设备树中描述平台信息是否被平台代码支持。通常，probe函数回去查看root节点的compatile属性。如mpc8313erdb平台判断root属性是否是MPC8313ERDB字符串。
2.2 调用start_kernel。
* setup_arch(&command_line)。对内存系统进行基本初始化，调用ppc_md->setup_arch对当前处理器进行一些基本的初始化。以mpc8313erdb为例，调用mpc8313_probe函数
* init_IRQ。调用ppc_md->init_IRQ。即mpc8313_rdb_init_IRQ()
* time_init。其中调用ppc_md->time_init。即mpc83xx_time_init。使能e300 time base unit。
* reset_init 将创建init线程。调用do_basic_setup完成linux系统其他模块初始化
* do_initcalls。执行.initcall.init段中注册的初始化函数。
3 添加网卡芯片
下面以为了使linux支持mpc8313erdb新添加ks8851网卡芯片为例，说明需要修改相关部分。
(1)由于bootloader传递给内核所需要的硬件信息是dtb文件，而dtb文件时通过dts文 件编译生成的。所以为给内核传递新添加的网卡硬件信息，所以需要修改过mpc8313erdb平台对应的dts文件。该文件为arch/powerpc/boot/dts/mpc8313erdb.dts，添加网卡硬件信息到dts文件中，网卡节点作为根节点的子节点，具体硬件属性信息如下：
ethernet0@17c00000 {
device_type = "network";
compatible = "ks8851";
model = "micrel";
reg = <17c00000 2 17c00002 2>;
local-mac-address = [ 00 00 00 00 00 00 ];
interrupts = <30 8>;
interrupt-parent = <&ipic>;
};
注：具体修改含义值参见[2]
(2)添加初始化函数ks8851_of_init。
* 通过设备树中网卡属性of_find_compatible_node找到ks8851的硬件信息的设备节点。
* 获取网卡寄存器地址以及中断号。使用内核提供相关接口of_address_to_resource和of_irq_to_resource。
* 注册平台设备。
* 使用宏arch_initcall(ks8851_of_init)。将初始化函数放入.initcall.init段。
4 结束语
本文介绍了PowerPC linux的发展过程，并且讲述了PowerPC linux启动流程，最后以为mpc8313erdb平台添加网卡设备为例，介绍了powerpc linux为例支持新添加的硬件设备，所需要添加的相关代码。
参考文献
[1] 刘邦运. PowerPC Linux 设备树 DTS移植，2009.
[2] Benjamin Herrenschmidt，Becky Bruce，MontaVista Software. Booting the Linux/ppc kernel without Open Firmware.
[3] 王齐. Linux PowerPC详解 机械工业出版社，2007.9.
关键词：PowerPC；linux；设备树
Bootloader除了引导系统之外，另一个重要的作用就是给内核传递硬件信息。在服务器和桌面系统bootloader与内核之间传递硬件信息，为了达到标准化和兼容性的目的，都各自有标准Firmware(一种嵌入到硬件设备中的程序，用于提供软件和硬件之间的接口)。如x86平台的有BIOS。PowerPC 和Sparc 系统均采用Open-Firmware标准。但是嵌入式PowerPC平台并没有这样标准的Fireware接口，但是在嵌入式领域，早期的uboot使用include/asm-ppc/ppcboot.h中的静态数据结构struct bd_info来保存bootloader给内核传递的信息。但是bd_info并不能为内核提供当前具体是哪个平台的信息。这种没有标准接口所以带来的问题就是，每当我们更换bd_info的布局的时候我们都必须重新定制和烧录bootloader和内核镜像。例如我们可能需要修改kernel，syslib，platforms目录下的很多的内核文件。
目前为了适应内核的发展和嵌入式平台PowerPC平台的变化，ePAPR(embedded Poower Architecture Platform Requirements)吸收Open Firmware中设备树(Device tree)。通过设备树来将硬件信息传递给内核，64位PowerPC平台最先支持OF(Open Firmware)结构。随着内核发展，内核开发人员打算利用合并PPC32(arch/ppc32)和PPC64(arch/ppc64)的内核代码这个机会，将清理PPC32中的firmware接口。让所有的PowerPC平台都统一提供对OF(Open Firmware)结构的支持。
1 Linux内核中PowerPC 软件结构
为了理解PowerPC 内核初始化过程，下面对设备树和机器描述结构(ppc_md 结构)。
1.1 设备树
设备树是一种描述硬件配置的树形数据结构，每一个设备树都包含唯一的根节点/。设备树结构由设备节点组成，这些设备节点又可以由多个子节点组成。这些节点只有包括设备或者总线。每个节点包含属性。设备树的源代码存放在arch/powerpc/boot/dts目录下。这里的每个文件都描述着各自的平台的硬件信息。以mpc8313erdb平台为例，其文件名为mpc8313erdb.dts。一个基本的设备树必须包含一个cpu节点、一个memory节点两个节点信息。对于需要为平台添加新的网卡设备，我们必须修改mpc8313erdb.dts文件。dts文件时文本文件，而linux系统引导的时候，所使用的并不是这样的文本文件，而是二进制文件(dtb)。所以需要使用dtc工具将dts文件编译成dtb的二进制文件。
dtb文件由boot_param_header，device_tree结构和device tree string三大部分组成。dtb组成如图1所示。
(1)boot_param_header结构
头主要描述设备树的基本信息，如设备树魔数标志(0xd00dfeed)、设备树块大小、结构块的偏移地址。这个结构中的值都是以大端模式表示，并且偏移地址是相对设备树头的起始地址计算。boot_param_header结构定义在arch/powerpc/boot/flatdevtree.h文件中，用来保存设备树的头部信息。
(2)Device tree结构
设备树结构块是线性化的树形结构，和字符块一起组成了设备树的主体，以节点形式保存目标板的设备信息。在结构块中，节点起始标示为常量宏OF_DT_BEGIN_NODE，节点结束标志位宏OF_DT_END_NODE;子节点在节点结束标志前。一个节点可以概括以OF_DT_BEGIN_NODE开始，包括节点路径、属性列表、子节点列表，最后以OF_DT_END_NODE结束的序列，每个子节点自身也是类似的结构。
(3)Device tree string结构
为了节约空间，将一些属性名，尤其是那些重复冗余出现的属性名，提取出来单独存放到字符块。这个块中包含了很多有结束标志的属性名字符串。在设备树的结构块中存储了这些字符串的偏移地址，这样可以很容易地查找到属性名字符串。字符串块的引入节省了嵌入式的存储空间。
1.2 ppc_md 结构
全局变量ppc_md定义在arch/powerpc/kernel/setup-common.c。数据结构定义在include/asm-powerpc/machdep.h中。其中主要包括像setup_arch，init，init_IRQ，probe等。Linux PowerPC中probe_machine函数从machine.desc段中读取数据来填充ppc_md数据结构。Linux PowerPC首先通过宏define_machine，将各类PowerPC内核的ppc_md结构加入到machine.desc段中。图2描述了ppc_md的结构。
2 PowerPC linux初始化过程
即从BootLoader加载内核到执行/sbin/init程序之间的代码。
U-boot传递linux两个参数：r3指向OF Tree 结构的物理地址 r4指向Linux内核所在的物理地址。
2.1 跳入内核入口地址_start出，此处arch/powerpc/kernel/head_32.S
* bl machine_int
> early_init_devtree()解析dtb获取当前处理器系统的硬件信息。
> probe_machine()读取machine_desc段，调用其中.probe()钩子函数。每个.probe钩子函数回去检查设备树中描述平台信息是否被平台代码支持。通常，probe函数回去查看root节点的compatile属性。如mpc8313erdb平台判断root属性是否是MPC8313ERDB字符串。
2.2 调用start_kernel。
* setup_arch(&command_line)。对内存系统进行基本初始化，调用ppc_md->setup_arch对当前处理器进行一些基本的初始化。以mpc8313erdb为例，调用mpc8313_probe函数
* init_IRQ。调用ppc_md->init_IRQ。即mpc8313_rdb_init_IRQ()
* time_init。其中调用ppc_md->time_init。即mpc83xx_time_init。使能e300 time base unit。
* reset_init 将创建init线程。调用do_basic_setup完成linux系统其他模块初始化
* do_initcalls。执行.initcall.init段中注册的初始化函数。
3 添加网卡芯片
下面以为了使linux支持mpc8313erdb新添加ks8851网卡芯片为例，说明需要修改相关部分。
(1)由于bootloader传递给内核所需要的硬件信息是dtb文件，而dtb文件时通过dts文 件编译生成的。所以为给内核传递新添加的网卡硬件信息，所以需要修改过mpc8313erdb平台对应的dts文件。该文件为arch/powerpc/boot/dts/mpc8313erdb.dts，添加网卡硬件信息到dts文件中，网卡节点作为根节点的子节点，具体硬件属性信息如下：
ethernet0@17c00000 {
device_type = "network";
compatible = "ks8851";
model = "micrel";
reg = <17c00000 2 17c00002 2>;
local-mac-address = [ 00 00 00 00 00 00 ];
interrupts = <30 8>;
interrupt-parent = <&ipic>;
};
注：具体修改含义值参见[2]
(2)添加初始化函数ks8851_of_init。
* 通过设备树中网卡属性of_find_compatible_node找到ks8851的硬件信息的设备节点。
* 获取网卡寄存器地址以及中断号。使用内核提供相关接口of_address_to_resource和of_irq_to_resource。
* 注册平台设备。
* 使用宏arch_initcall(ks8851_of_init)。将初始化函数放入.initcall.init段。
4 结束语
本文介绍了PowerPC linux的发展过程，并且讲述了PowerPC linux启动流程，最后以为mpc8313erdb平台添加网卡设备为例，介绍了powerpc linux为例支持新添加的硬件设备，所需要添加的相关代码。
参考文献
[1] 刘邦运. PowerPC Linux 设备树 DTS移植，2009.
[2] Benjamin Herrenschmidt，Becky Bruce，MontaVista Software. Booting the Linux/ppc kernel without Open Firmware.
[3] 王齐. Linux PowerPC详解 机械工业出版社，2007.9.