3. 设备树(DTB)二进制格式：FDT结构、魔数、结构块、字符串块

设备树从文本格式（DTS/DSI）经过编译后，生成扁平的二进制文件——DTB (Device Tree Blob)。DTB 遵循 扁平设备树 (Flattened Device Tree, FDT) 规范，这是一种紧凑、可线性扫描的二进制布局。ARM64 启动时，引导加载程序（如 U-Boot）或内核自身需要精确解析此格式，以提取硬件拓扑、内存布局和驱动配置。

3.1 FDT 总体布局

一个合法的 DTB 文件在内存中由四个主要区域顺序组成，每个区域以 4 字节对齐。整体结构如下：

内核或引导程序通过 fdt_header 中的偏移字段定位后三个块。这种设计使得 DTB 可以被原地解析，无需额外的重定位表。

3.2 魔数 (Magic Number) 与头部字段

DTB 头部固定为 40 字节（v16 及以下）或 48 字节（v17+）。解析器首先检查魔数，以确认这是一个有效的 FDT 格式。魔数值为 0xD00DFEED（大端序）。

3.3 结构块 (Structure Block)

结构块是 DTB 的核心，以令牌流（token stream）的形式编码了设备树的节点（node）和属性（property）。每个令牌是一个 4 字节的大端整数，后跟令牌特定的数据。解析器通过扫描令牌流来重建树形结构。

3.3.1 令牌类型

3.3.2 结构块解析示例

以下是一个简化的 DTS 片段及其对应的结构块令牌流：

// DTS 片段
/ {
    model = "ARM64 Board";
    chosen { };
};

编译后的结构块令牌流（大端序，十六进制）：

偏移 0x00: 00 00 00 01  // FDT_BEGIN_NODE (根节点)
偏移 0x04: 00 00 00 00  // 节点名 "" (空字符串，根节点)
偏移 0x08: 00 00 00 03  // FDT_PROP (属性)
偏移 0x0C: 00 00 00 0C  // 属性值长度 = 12 字节 ("ARM64 Board\0")
偏移 0x10: 00 00 00 00  // 属性名在字符串块中的偏移 (指向 "model")
偏移 0x14: 41 52 4D 36  // "ARM"
偏移 0x18: 34 20 42 6F  // "64 B"
偏移 0x1C: 61 72 64 00  // "ard\0"
偏移 0x20: 00 00 00 01  // FDT_BEGIN_NODE (chosen 节点)
偏移 0x24: 63 68 6F 73  // "chos"
偏移 0x28: 65 6E 00 00  // "en\0\0" (4字节对齐填充)
偏移 0x2C: 00 00 00 02  // FDT_END_NODE (chosen 结束)
偏移 0x30: 00 00 00 02  // FDT_END_NODE (根节点结束)
偏移 0x34: 00 00 00 09  // FDT_END (结构块结束)

3.4 字符串块 (Strings Block)

字符串块是一个紧凑的字符串池，存储了所有属性名（property name）。结构块中的 FDT_PROP 令牌并不直接包含属性名字符串，而是包含一个 偏移量，指向字符串块中的某个位置。这种设计避免了属性名在结构块中的重复存储，显著减小了 DTB 体积。

3.4.1 字符串块布局

• 起始位置： 由 fdt_header.off_dt_strings 指定。
• 大小： 由 fdt_header.size_dt_strings 指定。
• 内容： 连续的、以 null 结尾的字符串，每个字符串对应一个属性名。字符串之间没有分隔符，解析器通过 null 终止符区分。

例如，字符串块可能包含以下内容（十六进制）：

偏移 0x00: 6D 6F 64 65 6C 00  // "model\0"
偏移 0x06: 63 6F 6D 70 61 74 69 62 6C 65 00  // "compatible\0"
偏移 0x12: 73 74 61 74 75 73 00  // "status\0"
偏移 0x19: 6D 65 6D 6F 72 79 00  // "memory\0"

如果结构块中某个 FDT_PROP 令牌的字符串偏移字段值为 0x06，则解析器会从字符串块偏移 0x06 处读取字符串，得到 "compatible"。

3.5 内存预留块 (Memory Reservation Block)

内存预留块用于告知内核：某些物理内存区域已被保留（例如用于固件、安全监控或引导加载程序），内核不应将其纳入伙伴系统管理。每个预留条目是一个 16 字节的结构体：

预留块以 address = 0 且 size = 0 的条目结束。ARM64 启动时，内核会解析此块，并在建立页表时将这些区域标记为 reserved。

3.6 编译后的布局验证

使用 dtc 工具可以反编译 DTB 并查看其二进制布局。以下命令将 DTB 转换为可读的 DTS 格式，并输出详细的统计信息：

# 反编译 DTB 为 DTS
dtc -I dtb -O dts -o output.dts boot.dtb

# 查看 DTB 头部信息
dtc -I dtb -O dts -H -o /dev/null boot.dtb 2>&1 | head -20

# 使用 fdtdump 工具直接打印 DTB 结构
fdtdump boot.dtb

输出示例：

// fdtdump 输出片段
/dts-v1/;
// magic:               0xd00dfeed
// totalsize:           0x1234 (4660)
// off_dt_struct:       0x48
// off_dt_strings:      0x1000
// off_mem_rsvmap:      0x28
// version:             17
// last_comp_version:   16
// boot_cpuid_phys:     0x0
// size_dt_strings:     0x234
// size_dt_struct:      0xfb8

/ {
    model = "ARM64 Board";
    compatible = "arm,arm64-board";
    #address-cells = <0x2>;
    #size-cells = <0x2>;
    ...
};

3.7 本章小结

• FDT 布局： 头部 → 预留块 → 结构块 → 字符串块，每个块通过头部偏移字段定位。
• 魔数 0xD00DFEED： 解析器首先检查此值，确认 DTB 有效性。
• 结构块： 使用令牌流（BEGIN_NODE、END_NODE、PROP、END）编码树形结构，属性值直接内联。
• 字符串块： 集中存储属性名，结构块中的属性通过偏移引用，节省空间。
• 内存预留块： 告知内核保留特定物理内存区域，避免被覆盖。