ハードウェア機能をカスタマイズする

本章では、Armadillo-640を例として、ハードウェア機能をカスタマイズするために必要なDeviceTreeの記述方法と、カーネルへのデバイスドライバの有効化方法について述べます。

Linuxカーネルに含まれているデバイスドライバの一覧は付録A Linux カーネルサポートデバイス情報をご覧ください。

次章からは、いくつかのデバイスを例に、具体的なデバイスの追加方法を示します。

使用するソフトウェアのバージョンは以下のとおりです。

ブートローダー: U-Boot 2018.03-at4 以降
Linuxカーネル: linux-4.14-at9 以降
ユーザーランド: Debian GNU/Linux 9（stretch）v20181128 以降

3.1. Device Treeのカスタマイズ

3.1.1. Device Treeとは

Device Treeとは、ハードウェア情報を記述したデータ構造体です。ハードウェアの差分をDevice Treeに記述することによって、1つのLinuxカーネルイメージを複数のハードウェアで利用することができるようになります。

Device Treeに対応しているメリットの1つは、ハードウェアの変更に対するソフトウェアの変更が容易になることです。例えば、CON9(拡張インターフェース)に接続する拡張基板を作成した場合、主にC言語で記述されたLinuxカーネルのソースコードを変更する必要はなく、やりたいことをより直感的に記述できるDTS(Device Tree Source)の変更で対応できます。

ただし、Device Treeは「データ構造体」であるため、ハードウェアの制御方法などの「処理」を記述することができない点に注意してください。Device Treeには、CPUアーキテクチャ、RAMの容量、各種デバイスのベースアドレスや割り込み番号などのハードウェアの構成情報のみが記述されます。

Device Treeのより詳細な情報については、Linuxカーネルのソースコードに含まれているドキュメント(Documentation/devicetree/)、devicetree.orgで公開されている「Device Tree Specification」を参照してください。

Linuxカーネルのソースコードに含まれている初期出荷状態でのDTS、及び関連するファイルを次に示します。

初期出荷状態でのDTS、及び関連するファイル

arch/arm/boot/dts/armadillo-640.dts
arch/arm/boot/dts/imx6ull.dtsi
arch/arm/boot/dts/imx6ul.dtsi
armadillo-640-default-console.dtsi
armadillo-640-uart5.dtsi
armadillo-640-lcd70ext-l00.dtsi

3.1.2. Device Treeの記述

ここではI²Cを使用するための設定を例に説明します。新規に作成するファイルは".armadillo-640-i2c4.dtsi"とし、次の3つのノードを作成します。

iomuxcノード
I²Cバスノード
I²Cスレーブデバイスノード

iomuxcノードの記述

I2C4のSCLを例に、iomuxcの記述方法を説明します。

&iomuxc {
        pinctrl_i2c4: i2c4grp {                   // 他のiomuxcノードと重複しない名前
                fsl,pins= <
                //      MX6UL_PAD_AAAAAAAAAAAAA__BBBBBBBB 0xCCCCCCCC  // 説明のため
                        MX6UL_PAD_UART2_TX_DATA__I2C4_SCL 0x40010808  // SCLピンの設定
                        MX6UL_PAD_UART2_RX_DATA__I2C4_SDA 0x40010808  // SDAピンの設定
                >;
        };
};

図3.1 armadillo-640-i2c4.dtsi (I²C使用ピン設定部分)

AAA と BBB の部分はピンのマルチプレクサ(接続先を切り替える機能)の設定です。

「マルチプレクス表」を参照し、I2C4のSCLで使用できるピンを調べます。

列「I2C4」を見ると、CON14-3とCON11-16が使用できることがわかります。今回はCON14-3を使用することにします。 CON14-3の行の「ピン名」を見ると UART2_TX_DATA と書かれています。これが AAA の部分に入ります。 _(アンダースコア)を二つ挟み、列「マルチプレクス機能-I2C4」の I2C4_SCL が BBB の部分に入ります。 AAA と BBB の記述により、下図のように入出力のMUXが選択され、太線部分が接続されます。

図3.3 MUXの内部構成

CCC の部分はPAD(各ピンの入出力特性等の設定)の設定値です。 PADの内部は下図のようになっています。

図3.4 PADの内部構成

出力バッファーの設定は、信号の周波数等にあわせて調整できます。入力バッファーのヒステリシス(シュミットトリガー)や、内部プルアップ等の設定も可能です。

I²Cの場合は下記の点を考慮します。

最高400kHz程度と低速 → ノイズ低減のため、低速な設定を選択
ピンは双方向で使用 → 入力バッファーを強制的に有効化
オープンドレイン出力 → オープンドレインを選択
遅い信号の立ち上がり → ヒステリシス有りを選択

32ビットで表される値のフォーマットは図3.5「PAD設定値のフォーマット」のようになっており、各ビットの動作は表3.1「PAD設定値の詳細」のようになります。

図3.5 PAD設定値のフォーマット

よって、下表で * が付いている設定にします。

表3.1 PAD設定値の詳細

設定	値	動作
NO_PAD_CTL PAD設定の要否	0 *	PAD設定を行う
NO_PAD_CTL PAD設定の要否	1	PAD設定を行わない
SION 入力バッファーを強制的に有効化 I²Cや1-Wire等の双方向ピンでは要有効化	0	出力ピンの場合は入力バッファー無効
SION 入力バッファーを強制的に有効化 I²Cや1-Wire等の双方向ピンでは要有効化	1 *	強制的に有効
HYS 入力バッファーのヒステリシス設定有りにすると耐ノイズ性向上	0	ヒステリシス無し
HYS 入力バッファーのヒステリシス設定有りにすると耐ノイズ性向上	1 *	ヒステリシス有り
PUS プルダウン / プルアップ選択	00 *	プルダウン 100KΩ
	01	プルアップ 47KΩ
	10	プルアップ 100KΩ
	11	プルアップ 22KΩ
PUE キーパー / プル選択	0 *	キーパー
PUE キーパー / プル選択	1	プル
PKE キーパー / プル設定	0 *	キーパー/プル無効
PKE キーパー / プル設定	1	キーパー/プル有効
ODE 出力バッファーのオープンドレイン選択	0	プッシュプル
ODE 出力バッファーのオープンドレイン選択	1 *	オープンドレイン
SPEED 出力電流設定高周波設定にすると出力電流を増加低周波設定にするとスイッチングノイズを低減	00 *	最高出力周波数50MHz
	01	最高出力周波数100MHz
	10	最高出力周波数100MHz
	11	最高出力周波数200MHz
DSE ドライブストレングス調整出力インピーダンスを上げるとオーバーシュート小出力インピーダンスを下げると立ち上がり・立ち下がりが高速	000	出力バッファーがオフ
	001 *	出力インピーダンス最大
	010
	011
	100
	101
	110
	111	出力インピーダンス最小
SRE スルーレート設定低速にするとノイズ低減	0 *	低速
SRE スルーレート設定低速にするとノイズ低減	1	高速

SDAも同様に UART2_TX_DATA が AAA に、 I2C4_SDA が BBB に入り、CCC は同じ値を設定します。

詳しくは以下の資料をご覧ください。

カーネルのソースコードにも関連するドキュメントが付属しています。

Documentation/devicetree/bindings/pinctrl/fsl,imx-pinctrl.txt
Documentation/devicetree/bindings/pinctrl/fsl,imx6ul-pinctrl.txt

I²Cバスノードの記述
次章以降や、 arch/arm/boot/dts/ にある .dtsi .dts ファイルが参考になります。
関連するドキュメントは Documentation/devicetree/bindings/ 以下にあります。 I²Cの場合は、次に示すファイルとなります。
- Documentation/devicetree/bindings/i2c/i2c.txt
- Documentation/devicetree/bindings/i2c/i2c-imx.txt
100kHzの設定で記述した場合、次のようになります。このノードの中に、スレーブデバイスのノードも書きます。
```
&i2c4 {
        status = "okay";                // okayで上書きする
        clock-frequency = <100000>;    // クロック周波数(100kHz)
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c4>;    // 先ほど作成したiomuxcノード

        // ここにスレーブデバイスのノードを記述
};
```
図3.6 armadillo-640-i2c4.dtsi (I²Cバスノード部分)

I²Cスレーブデバイスノードの記述

ここではPCF8591を例に説明します。記述方法はデバイスによって異なります。

pcf8591@48 {                            // スレーブのデバイス名@デバイスアドレス
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        compatible = "nxp,pcf8591";     // 文字列が一致するデバイスドライバが使用される
        reg = <0x48>;                   // スレーブのデバイスアドレス

        input_mode = <0>;              // デバイス固有のプロパティー(あれば)
};

図3.7 armadillo-640-i2c4.dtsi (I²Cスレーブデバイスノード部分)

3つのノードを合わせると以下のようになります。これを"arch/arm/boot/dts/armadillo-640-i2c4.dtsi"として保存します(「サンプルソースコード」のページからダウンロードできます)。

&iomuxc {
        pinctrl_i2c4: i2c4grp {                 // 他のiomuxcノードと重複しない名前
                fsl,pins= <
                        MX6UL_PAD_UART2_TX_DATA__I2C4_SCL 0x40010808  // SCLピンの設定
                        MX6UL_PAD_UART2_RX_DATA__I2C4_SDA 0x40010808  // SDAピンの設定
                >;
        };
};

&i2c4 {
        status = "okay";                // okayで上書きする
        clock-frequency = <100000>;    // クロック周波数(100kHz)
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c4>;    // 先ほど作成したiomuxcノード

        pcf8591@48 {                            // スレーブのデバイス名@デバイスアドレス
                #address-cells = <1>;
                #size-cells = <0>;
                compatible = "nxp,pcf8591";     // 文字列が一致するデバイスドライバが使用される
                reg = <0x48>;                   // スレーブのデバイスアドレス

                input_mode = <0>;              // デバイス固有のプロパティー(あれば)
        };
};

図3.8 armadillo-640-i2c4.dtsi (全体)

さきほどのファイルへのincludeを"arch/arm/boot/dts/armadillo-640.dts"に追加します。

#include "armadillo-640-lcd70ext-l00.dtsi"
#endif
#include "armadillo-640-i2c4.dtsi"              //追加行

/ {
        model = "Atmark Techno Armadillo-640";

図3.9 armadillo-640.dts

このように、新たにデバイス等を追加する場合は、dtsiファイルを追加する形式にすると管理しやすいでしょう。

3.2. カーネルイメージのカスタマイズ

menuconfigを使用してカーネルコンフィギュレーションを変更します。なお、すでにカスタマイズしたソースコードを元に行う場合、手順5から行います。

Linuxカーネルのソースコードアーカイブを準備カレントディレクトリにソースコードアーカイブがあることを確認します。
```
[ATDE ~]$ ls
initramfs_a600-[version].cpio.gz linux-v4.14-at[version].tar.gz
```

Linuxカーネルのソースコードアーカイブを展開

[ATDE ~]$ tar xf linux-v4.14-at[version].tar.gz
[ATDE ~]$ ls
initramfs_a600-[version].cpio.gz linux-v4.14-at[version]  linux-v4.14-at[version].tar.gz

initramfs アーカイブへのシンボリックリンク作成

[ATDE ~]$ cd linux-v4.14-at[version]
[ATDE ~/linux-v4.14-at[version]]$ \
> ln -s ../initramfs_a600-[version].cpio.gz initramfs_a600.cpio.gz

コンフィギュレーションの初期化

[ATDE ~/linux-v4.14-at[version]]$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- armadillo-640_defconfig

menuconfigの実行

[ATDE ~/linux-v4.14-at[version]]$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

カーネルコンフィギュレーションを変更

変更後、"Exit"を選択して"Do you wish to save your new configuration? (Press <ESC><ESC> to continue kernel configuration.)"で"Yes"を選択し、カーネルコンフィギュレーションを確定します。

 .config - Linux/arm 4.14-at11 Kernel Configuration
 ------------------------------------------------------------------------------
  ---------------- Linux/arm 4.14-at11 Kernel Configuration -----------------
     Arrow keys navigate the menu.  <Enter> selects submenus ---> (or empty
     submenus ----).  Highlighted letters are hotkeys.  Pressing <Y>
     includes, <N> excludes, <M> modularizes features.  Press <Esc><Esc> to
     exit, <?> for Help, </> for Search.  Legend: [*] built-in  [ ]
    -----------------------------------------------------------------------
             General setup  --->
         [ ] Enable loadable module support  ----
         [*] Enable the block layer  --->
             System Type  --->
             Bus support  --->
             Kernel Features  --->
             Boot options  --->
             CPU Power Management  --->
             Floating point emulation  --->
             Userspace binary formats  --->
             Power management options  --->
         [*] Networking support  --->
             Device Drivers  --->
             Firmware Drivers  --->
             File systems  --->
             Kernel hacking  --->
             Security options  --->
         -*- Cryptographic API  --->
             Library routines  --->
         [ ] Virtualization  ----
    -----------------------------------------------------------------------
  ---------------------------------------------------------------------------
           <Select>    < Exit >    < Help >    < Save >    < Load >
  ---------------------------------------------------------------------------


	Linux Kernel Configurationメニューで"/"キーを押下すると、カーネルコンフィギュレーションの検索を行うことができます。カーネルコンフィギュレーションのシンボル名(の一部)を入力して"Ok"を選択すると、部分一致するシンボル名を持つカーネルコンフィギュレーションの情報が一覧されます。

3.3. DTB・イメージをビルドする

ビルド

[ATDE ~/linux-v4.14-at[version]]$ \
> make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- LOADADDR=0x82000000 uImage
[ATDE ~/linux-v4.14-at[version]]$ \
> make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

イメージファイルの生成確認
ビルドが終了すると、arch/arm/boot/ディレクトリと、arch/arm/boot/dts/以下にイメージファイル(LinuxカーネルとDTB)が作成されています。
```
[ATDE ~/linux-v4.14-at[version]]$ ls arch/arm/boot/uImage
arch/arm/boot/uImage
[ATDE ~/linux-v4.14-at[version]]$ ls arch/arm/boot/dts/armadillo-640.dtb
arch/arm/boot/dts/armadillo-640.dtb
```


第2章注意事項	PDF version	第4章 UART(シリアルインターフェース)の活用