Device Tree DTB 부트로더 처리 — 로딩 시점과 fixup 메커니즘 추적

#한 줄 요약

“U-Boot은 두 개의 DTB를 다룹니다.” — 하나는 자기 자신의 driver model이 사용하는 control DTB, 다른 하나는 커널에 넘기는 OS DTB. 같은 .dtb일 수도 있고 다를 수도 있습니다. 런타임 fixup은 OS DTB만 대상입니다.

Device Tree는 Linux의 발명입니다만 U-Boot도 전적으로 차용합니다. U-Boot 2.0 시대(2014년경)부터 Driver Model이 DT 기반으로 동작하기 시작했고, 지금은 DT 없이 동작하는 U-Boot이 거의 없습니다. 동시에 U-Boot은 커널에 넘길 DT도 다뤄야 하므로 “두 개의 DTB”가 공존합니다.

#control DTB vs OS DTB

핵심 개념을 먼저 정리합니다.

control DTB

• U-Boot 자기 자신의 driver model이 사용
• U-Boot binary 내부에 embed되거나, 별도 binary
• U-Boot의 MMC, UART, GPIO 등을 정의

OS DTB

• 커널에 넘기는 DT
• 부트 미디어의 파일(예: imx8mp-evk.dtb)
• 커널의 모든 device를 정의
• U-Boot이 런타임에 fixup 가능

같은 .dtb일 수도 있고 서로 다른 .dtb일 수도 있습니다. NXP i.MX는 같은 dtb를 쓰는 경향이고, 일부 SoC는 U-Boot용 dtb를 별도로 빌드합니다.

#control DTB의 세 가지 방법

U-Boot은 control DTB를 어떻게 가져오는지에 따라 세 가지 옵션이 있습니다.

#CONFIG_OF_EMBED — U-Boot binary에 embed

1
CONFIG_OF_EMBED=y

U-Boot binary의 .data 섹션에 DTB를 직접 박아 넣습니다. 빌드 시점에 결정됩니다.

1
u-boot.bin (1.2 MB)
2
├── .text (코드)
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├── .data
4
│   └── (embedded DTB, 50 KB)
5
└── ...

장점: DTB가 분리된 파일이 아님. SPL이 적재할 게 적습니다. 단점: DTB 수정 시 U-Boot 재빌드.

#CONFIG_OF_SEPARATE — 별도 binary

1
CONFIG_OF_SEPARATE=y

U-Boot binary와 DTB가 별도 파일입니다. 빌드 후 concat합니다.

1
u-boot.bin (1.2 MB)
2
u-boot.dtb (50 KB)
3
u-boot-dtb.bin = u-boot.bin + u-boot.dtb  ← 이걸 부트 미디어에

장점: DTB만 수정해 교체 가능. 단점: 빌드 단계에서 concat 필요.

#CONFIG_OF_BOARD — 런타임에 가져옴

1
CONFIG_OF_BOARD=y

U-Boot이 부트 시점에 DTB를 어딘가에서 가져옵니다. 보통 전 단계가 메모리에 적재해 준 DTB.

1
/* 보드 코드가 정의해야 함 */
2
void *board_fdt_blob_setup(int *err)
3
{
4
    /* 0x40000000에 SPL이 적재해 둔 DTB */
5
    *err = 0;
6
    return (void *)0x40000000;
7
}

QEMU virt가 이 방식입니다. QEMU가 메모리에 DTB를 준비해 두고, U-Boot이 그 주소를 받아 갑니다.

#DTB가 언제 사용되는가

U-Boot이 control DTB를 읽는 시점은 board_init_f 매우 초반입니다.

1
/* common/board_f.c (간략화) */
2

3
static const init_fnc_t init_sequence_f[] = {
4
    setup_mon_len,
5
    fdtdec_setup,            /* ← DTB 위치 확정 */
6
    initf_malloc,
7
    arch_cpu_init,
8
    initf_dm,                /* ← Driver Model 초기화, DT 파싱 */
9
    ...
10
};

fdtdec_setup()이 DTB의 위치를 결정하고, initf_dm()이 DT를 파싱해 driver 인스턴스를 만듭니다.

1
int fdtdec_setup(void)
2
{
3
#if CONFIG_IS_ENABLED(OF_EMBED)
4
    gd->fdt_blob = __dtb_dt_begin;
5
#elif CONFIG_IS_ENABLED(OF_SEPARATE)
6
    gd->fdt_blob = &_end;
7
#elif CONFIG_IS_ENABLED(OF_BOARD)
8
    gd->fdt_blob = board_fdt_blob_setup(&err);
9
#endif
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    return 0;
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}

gd->fdt_blob이 control DTB의 메모리 주소입니다. 이 시점부터 모든 코드가 DT를 읽을 수 있습니다.

#fdt 명령

U-Boot의 명령 인터프리터는 런타임에 DTB를 조작할 수 있는 fdt 명령군을 제공합니다.

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=> help fdt
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fdt - flattened device tree utility commands
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Usage:
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fdt addr <addr>          - Set the fdt location to <addr>
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fdt move <fdt> <newaddr> - Copy the fdt to <newaddr>
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fdt resize [<extrasize>] - Resize fdt to size + padding
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fdt print  <path>        - Recursive print starting at <path>
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fdt list   <path>        - Print one level starting at <path>
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fdt get value <var> <path> <prop>
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fdt set <path> <prop> [<val>]
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fdt mknode <path> <node>
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fdt rm     <path> [<prop>]
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fdt chosen [<start> [<end>]]
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fdt fixup

#기본 사용

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=> load mmc 0:1 0x43000000 imx8mp-evk.dtb
2
26580 bytes read in 9 ms (2.8 MiB/s)
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=> fdt addr 0x43000000
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=> fdt print /
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/ {
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    compatible = "fsl,imx8mp-evk", "fsl,imx8mp";
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    model = "NXP i.MX8MPlus EVK";
9
    #address-cells = <0x02>;
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    #size-cells = <0x02>;
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    aliases { ... };
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    chosen { ... };
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    cpus { ... };
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    memory@40000000 { ... };
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    ...
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};
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=> fdt print /chosen
20
chosen {
21
    stdout-path = "serial0:115200n8";
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    bootargs = "";
23
};
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=> fdt set /chosen bootargs "console=ttymxc1,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw"
26
=> fdt print /chosen
27
chosen {
28
    stdout-path = "serial0:115200n8";
29
    bootargs = "console=ttymxc1,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw";
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};

bootargs는 chosen 노드에 들어갑니다. 커널이 이 값을 commandline으로 읽습니다.

#노드 추가

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=> fdt mknode /soc my-extra-device
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=> fdt set /soc/my-extra-device compatible "vendor,my-driver"
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=> fdt set /soc/my-extra-device reg "<0x30890000 0x1000>"
4
=> fdt set /soc/my-extra-device status "okay"

이렇게 만든 DT를 커널에 넘기면, 커널이 해당 device를 인식합니다.

#런타임 fixup

DTB의 특정 필드는 부트 시점에 확정되어야 합니다. 빌드 시점에 미리 적어 두기 어렵습니다.

U-Boot이 런타임에 이 필드들을 DT에 주입합니다. 이 과정이 fixup입니다.

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int arch_fixup_fdt(void *blob)
2
{
3
    int ret;
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5
    /* 메모리 크기 fixup */
6
    ret = fdt_fixup_memory_banks(blob,
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        gd->bd->bi_dram[0].start,
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        gd->bd->bi_dram[0].size,
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        CONFIG_NR_DRAM_BANKS);
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    if (ret)
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        return ret;
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    /* PSCI 노드 fixup */
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    fdt_psci(blob);
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    return 0;
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}

fdt_fixup_memory_banks()가 DT의 /memory@xxx 노드에 실제 DDR 크기를 씁니다.

1
[Build-time DTB]
2
memory@40000000 {
3
    device_type = "memory";
4
    reg = <0 0x40000000 0 0x80000000>;  ← 2GB로 박혀 있음
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};
6

7
[Runtime fixup 후]
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memory@40000000 {
9
    device_type = "memory";
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    reg = <0 0x40000000 0 0x100000000>; ← 4GB로 수정됨 (실제 RAM)
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};

#MAC 주소 fixup

이더넷 MAC 주소는 공장 fuse 또는 EEPROM에서 읽어 DT에 주입합니다.

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/* board/<vendor>/<board>/<board>.c */
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int ft_board_setup(void *blob, struct bd_info *bd)
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{
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    u8 mac[6];
6
    int offset;
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    /* fuse 또는 EEPROM에서 MAC 읽기 */
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    read_mac_from_fuse(mac);
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    /* DT의 ethernet 노드 찾기 */
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    offset = fdt_path_offset(blob, "/soc/ethernet@30be0000");
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    if (offset < 0)
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        return offset;
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    /* mac-address 프로퍼티 설정 */
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    fdt_setprop(blob, offset, "mac-address", mac, 6);
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    return 0;
20
}

ft_board_setup()은 U-Boot이 커널로 점프 직전에 호출하는 훅 함수입니다. 보드 코드에서 원하는 fixup을 자유롭게 합니다.

#chosen 노드 — bootargs와 stdout

/chosen 노드는 커널에 전달하는 명령줄과 console 정보가 들어갑니다.

1
/ {
2
    chosen {
3
        bootargs = "console=ttymxc1,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw";
4
        stdout-path = "serial0:115200n8";
5
        linux,initrd-start = <0x46000000>;
6
        linux,initrd-end = <0x46f00000>;
7
    };
8
};

bootargs는 U-Boot의 환경 변수 bootargs가 부트 직전에 여기에 복사됩니다.

1
void fdt_chosen(void *fdt)
2
{
3
    int nodeoffset;
4
    const char *bootargs;
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6
    nodeoffset = fdt_find_or_add_subnode(fdt, 0, "chosen");
7

8
    bootargs = env_get("bootargs");
9
    if (bootargs)
10
        fdt_setprop(fdt, nodeoffset, "bootargs", bootargs,
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                    strlen(bootargs) + 1);
12
}

booti와 bootm 명령이 내부적으로 fdt_chosen()을 호출합니다.

#부트 흐름에서의 DTB

전체 부트에서 DTB가 어떻게 전파되는지 봅니다.

control DTB와 OS DTB는 다른 메모리 위치에 있습니다.

1
0x40080000  - U-Boot Proper의 control DTB (embed인 경우 binary 끝에)
2
0x43000000  - OS DTB (mmc에서 load한 곳)

#같은 DT를 양쪽에 쓰기

NXP의 i.MX 8M Plus EVK처럼 같은 imx8mp-evk.dtb를 U-Boot 자기 자신용과 커널용 양쪽에 쓰는 경우가 흔합니다. arch/arm/dts/imx8mp-evk.dts가 kernel과 U-Boot의 정의를 모두 포함하도록 작성됩니다.

1
/* arch/arm/dts/imx8mp-evk.dts (U-Boot의 dts) */
2

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#include "imx8mp.dtsi"      /* 커널과 공유 */
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/ {
6
    model = "NXP i.MX8MPlus EVK";
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    compatible = "fsl,imx8mp-evk", "fsl,imx8mp";
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    /* 커널이 모르는 U-Boot 전용 노드 */
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    binman: binman { ... };
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};
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&uart2 {
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    pinctrl-names = "default";
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    pinctrl-0 = <&pinctrl_uart2>;
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    status = "okay";
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};

binman 같은 U-Boot 전용 노드는 커널이 무시합니다. status를 okay/disabled로 양쪽이 각자 사용하는 device만 활성화하는 패턴도 일반적입니다.

#U-Boot의 device tree overlay

U-Boot은 device tree overlay(.dtbo)도 지원합니다. 부트 시점에 base DT에 overlay를 합쳐 최종 DT를 만들 수 있습니다.

1
=> load mmc 0:1 0x43000000 imx8mp-evk.dtb
2
=> load mmc 0:1 0x44000000 my-overlay.dtbo
3
=> fdt addr 0x43000000
4
=> fdt resize 8192
5
=> fdt apply 0x44000000
6
=> booti 0x40480000 - 0x43000000

fdt apply가 overlay를 base에 merge합니다. 같은 하드웨어 base + 다른 페리페럴을 가진 변종 보드에 유용합니다.

#fdtoverlay 도구

호스트에서 미리 overlay를 적용한 결과 .dtb를 만들 수도 있습니다.

1
fdtoverlay -i imx8mp-evk.dtb \
2
           -o imx8mp-evk-with-camera.dtb \
3
           camera-overlay.dtbo
4

5
# imx8mp-evk-with-camera.dtb를 부트 미디어에 굽기

런타임 overlay는 부트 시간을 늘리므로 양산용은 호스트에서 미리 합쳐 굽는 것이 일반적입니다.

#자주 하는 실수

#fdt addr 안 하고 fdt 명령

1
=> fdt print /
2
fdt is not set

fdt addr <주소>로 작업 대상 DTB의 위치를 먼저 지정해야 합니다.

#fdt resize 안 하고 큰 fixup

DTB는 내부 공간이 빠듯하게 잡혀 있습니다. 노드/프로퍼티를 추가하면 공간 부족으로 fixup이 조용히 실패합니다.

1
=> fdt resize 4096    ← 4KB 여유 공간 추가
2
=> fdt set /chosen bootargs "..."

#control DTB와 OS DTB 혼동

U-Boot 명령 인터프리터에서 fdt set을 할 때 어느 DTB를 수정하는지 헷갈리기 쉽습니다. fdt addr <주소>로 명시해야 안전.

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[control DTB 수정 — 비추천, U-Boot이 동작 중 사용]
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=> fdt addr ${fdtcontroladdr}
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[OS DTB 수정 — 정상]
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=> load mmc 0:1 0x43000000 imx8mp-evk.dtb
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=> fdt addr 0x43000000
7
=> fdt set ...

#booti의 3번째 인자에 - 잊음

booti <kernel_addr> [<initrd>] <fdt_addr>. initrd가 없으면 *그 자리에 -*를 써야 합니다.

1
=> booti 0x40480000 0x43000000     ← 잘못. fdt가 initrd로 해석됨
2

3
=> booti 0x40480000 - 0x43000000   ← OK

#MAC 주소 fixup이 bootcmd 안에서 실행 안 됨

ft_board_setup()은 bootm/booti 직전에 호출됩니다. 그 이전에 fdt print로 본 DTB에는 MAC fixup이 아직 안 들어가 있을 수 있습니다.

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=> fdt print /soc/ethernet@30be0000
2
ethernet@30be0000 {
3
    mac-address = [00 00 00 00 00 00];   # 아직 fixup 전
4
};
5
=> booti ...
6
# 부팅 후 ip a → 실제 MAC이 들어가 있음

#fdt_get_property() vs fdt_getprop()

U-Boot 코드에서 둘 다 보이지만 반환 타입이 다름. fdt_getprop()이 데이터 포인터를 반환합니다. 새 코드는 fdt_getprop() 권장.

#빌드 시 dtc not found

1
HOSTCC scripts/dtc/dtc.c
2
make: dtc: Command not found

Ubuntu/Debian: sudo apt install device-tree-compiler. U-Boot이 호스트 dtc도 빌드해 두지만 일부 환경에서는 시스템 dtc를 요구합니다.

#정리

• U-Boot은 control DTB(자기 자신용)와 OS DTB(커널용)의 두 DT를 다룹니다.
• control DTB는 CONFIG_OF_EMBED(embed), CONFIG_OF_SEPARATE(별도 binary), CONFIG_OF_BOARD(런타임) 중 한 방식으로 얻습니다.
• gd->fdt_blob이 control DTB의 메모리 주소입니다. fdtdec_setup()이 board_init_f 초반에 확정.
• fdt 명령군은 런타임에 DTB를 조작합니다. fdt addr로 대상 DTB를 지정한 뒤 fdt set, fdt mknode 등 사용.
• 런타임 fixup은 빌드 시점에 모를 정보(메모리 크기, MAC, serial)를 DT에 주입합니다. ft_board_setup()이 보드 훅.
• /chosen 노드는 bootargs와 stdout-path가 들어갑니다. 환경 변수 bootargs가 자동으로 복사됩니다.
• fdt apply로 device tree overlay를 런타임에 합칠 수 있습니다. 양산은 호스트에서 미리 합치는 편이 일반적.
• booti <kernel> - <fdt>처럼 *initrd 자리에 -*를 꼭 넣습니다.

#다음 편

Ch 7: Driver Model — uclass, driver, device에서는 U-Boot의 driver model을 정리합니다. control DTB가 어떻게 driver 인스턴스로 변환되는지, uclass·driver·udevice 삼각 구조와 compatible 기반 binding을 봅니다.

#관련 항목

• Ch 3: 빌드 시스템
• Ch 5: Falcon Mode
• Ch 7: Driver Model
• Ch 8: board_init_f vs board_init_r
• Ch 15: FIT Image
• Ch 19: Kernel 인계
• BSP Ch 6: U-Boot 보드 포팅
• 원문 — Device Tree Specification
• 원문 — U-Boot Device Tree Control