[Linux实战] Linux设备树原理与应用详解
Linux设备树原理与应用详解一、设备树概述
1.1 什么是设备树
设备树（Device Tree，简称DT）是一种形貌硬件资源的数据结构，它通过一种树状结构来形貌系统硬件设置，包罗CPU、内存、总线、外设等硬件信息。设备树最初在PowerPC架构中利用，厥后被ARM等架构广泛接纳，成为Linux内核中形貌非可发现硬件(non-discoverable hardware)的标准方式。
1.2 设备树的发展历史
设备树的概念并非Linux首创，它劈头于Open Firmware标准（IEEE 1275），重要用于PowerPC和SPARC架构。随着ARM架构在嵌入式范畴的普及，Linux社区面临着大量ARM芯片和板级的支持需求。传统的"board file"方式导致内核中充斥着大量板级特定代码，维护困难。
2006年，设备树被引入到ARM架构的Linux支持中，并逐渐成为ARM Linux的标准硬件形貌方式。设备树的接纳解决了以下问题：
[*]减少了内核中板级特定代码的数量
[*]提高了内核的通用性
[*]使单个内核镜像能够支持多种硬件平台
[*]简化了硬件形貌的维护工作
1.3 设备树的优势
与传统硬编码硬件信息的方式相比，设备树具有以下优势：
[*]硬件形貌与内核分离：硬件设置信息不再硬编码在内核中，而是通过外部文件形貌
[*]可移植性增强：同一内核可以支持不同硬件，只需加载不同的设备树文件
[*]可维护性提高：硬件变动只需修改设备树文件，无需重新编译内核
[*]可读性好：设备树源文件(dts)接纳文本格式，易于理解和修改
[*]层次化结构：可以复用公共部分，减少冗余形貌
二、设备树原理
2.1 设备树的基本结构
设备树接纳树状结构形貌硬件，重要包罗以下组成部分：
[*]节点(Node)：设备树的基本构建块，表示一个设备或总线
[*]属性(Property)：节点的特征形貌，是键值对的形式
[*]值(Value)：属性的具体内容，可以是字符串、数字、数组或phandle等
一个简单的设备树示例：
/dts-v1/;
/ {
model = "My Board";
compatible = "myvendor,myboard";
cpus {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
cpu@0 {
compatible = "arm,cortex-a9";
reg = <0>;
};
};
memory@80000000 {
device_type = "memory";
reg = <0x80000000 0x10000000>;
};
serial@101f0000 {
compatible = "arm,pl011";
reg = <0x101f0000 0x1000>;
interrupts = <0 12 4>;
};
};
2.2 设备树源文件格式
设备树源文件重要有两种格式：
[*].dts (Device Tree Source)：设备树源文件，人类可读的文本格式
[*].dtsi (Device Tree Source Include)：设备树包罗文件，类似于C语言的头文件
这些源文件必要通过设备树编译器(DTC)编译成二进制格式：
[*].dtb (Device Tree Blob)：编译后的设备树二进制文件，由Bootloader加载并传递给内核
2.3 设备树编译流程
设备树的编译流程如下：
[*]编写.dts和.dtsi文件
[*]利用DTC编译器将.dts文件编译为.dtb文件
[*]Bootloader将.dtb文件和内核镜像一起加载到内存
[*]内核启动时解析设备树，初始化形貌的硬件
编译下令示例：
dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts
2.4 设备树绑定(Bindings)
设备树绑定是形貌特定设备节点应包罗哪些属性和值的规范文档。这些绑定文档通常位于内核源码的Documentation/devicetree/bindings目录下，为设备树编写者提供指导。
绑定文档通常包罗：
[*]设备兼容性字符串(compatible)
[*]必需的属性
[*]可选的属性
[*]子节点的要求
[*]示例
三、设备树语法详解
3.1 设备树节点
设备树节点是形貌硬件的基本单位，语法如下：
node-name[@unit-address] {
};
[*]label：可选，节点的标签，用于在其他地方引用
[*]node-name：节点名称，通常表示设备类型
[*]unit-address：可选，设备的地址，通常与reg属性中的第一个地址相同
3.2 常用属性
[*] compatible：最重要的属性之一，用于匹配驱动程序
compatible = "manufacturer,model", "generic-model";
[*] reg：形貌设备寄存器或内存区域的地址和大小
reg = <address1 length1 ... >;
[*] #address-cells和#size-cells：形貌子节点reg属性的地址和大小字段的单元格数量
#address-cells = <1>;// 地址用1个32位数表示
#size-cells = <1>; // 大小用1个32位数表示
[*] interrupts：形貌设备的中断号
interrupts = <IRQ_NUM TRIGGER_TYPE>;
[*] status：形貌设备状态
status = "okay";// 或 "disabled", "fail", "fail-sss"
3.3 特殊节点
[*]根节点：设备树的起点，用/表示
[*]aliases节点：为节点提供符号链接aliases {
serial0 = &uart0;
};
[*]chosen节点：形貌运行时参数，如bootargschosen {
bootargs = "console=ttyS0,115200";
};
3.4 设备树包罗机制
类似于C语言的#include，设备树利用/include/或#include指令包罗其他文件：
#include "common.dtsi"
或者
/include/ "common.dtsi"
四、设备树在Linux中的应用
4.1 内核如何解析设备树
Linux内核在启动过程中解析设备树的流程：
[*]Bootloader将设备树二进制(.dtb)加载到内存，并将指针传递给内核
[*]内核初始化阶段，OF(Open Firmware)子系统开始解析设备树
[*]内核将设备树转换为设备节点的链表结构
[*]驱动程序通过匹配compatible属性与设备节点绑定
[*]驱动程序从设备节点中获取硬件设置信息
4.2 设备树与驱动程序的匹配
驱动程序通过of_match_table声明支持的设备树兼容性字符串：
static const struct of_device_id my_driver_ids[] = {
{ .compatible = "vendor,device" },
{ /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_driver_ids);
static struct platform_driver my_driver = {
.probe = my_probe,
.driver = {
.name = "my-device",
.of_match_table = my_driver_ids,
},
};
当设备树节点的compatible属性与驱动程序的of_match_table中的条目匹配时，内核会调用驱动程序的probe函数。
4.3 从设备树获取硬件信息
驱动程序可以从设备树节点中获取各种硬件信息：
[*] 获取寄存器地址和大小：
struct resource *res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
void __iomem *base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
[*] 获取中断号：
int irq = platform_get_irq(pdev, 0);
[*] 获取属性值：
u32 value;
of_property_read_u32(np, "property-name", &value);
[*] 获取GPIO：
int gpio = of_get_named_gpio(np, "gpio-name", 0);
4.4 设备树覆盖(Overlay)
设备树覆盖是一种动态修改设备树的技能，重要用于支持运行时硬件设置变化，常见于嵌入式Linux系统：
[*]创建覆盖文件(.dtbo)
[*]在运行时加载覆盖：echo overlay.dtbo > /sys/kernel/config/device-tree/overlays/0/path
[*]卸载覆盖：echo 0 > /sys/kernel/config/device-tree/overlays/0/status
五、设备树调试本领
5.1 检察设备树
[*] 检察/proc/device-tree：
ls /proc/device-tree/
[*] 利用dtc反编译：
dtc -I fs /proc/device-tree
5.2 调试工具
[*] dtc：设备树编译器，可用于反编译和验证
dtc -I dtb -O dts -o myboard.dts myboard.dtb
[*] fdtdump：显示设备树二进制文件内容
fdtdump myboard.dtb
[*] ofdump：内核工具，显示设备树信息
5.3 常见问题排查
[*]设备未初始化：查抄status属性是否为"okay"
[*]驱动未加载：查抄compatible属性是否匹配
[*]资源辩说：查抄reg、interrupts等属性是否精确
[*]语法错误：利用dtc验证设备树源文件
六、设备树实践示例
6.1 添加一个GPIO设备
设备树形貌：
gpio_keys {
compatible = "gpio-keys";
button {
label = "User Button";
gpios = <&gpio0 23 GPIO_ACTIVE_LOW>;
linux,code = <KEY_ENTER>;
};
};
驱动程序：
static int gpio_keys_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct device *dev = &pdev->dev;
struct gpio_keys_button *button;
button = devm_kzalloc(dev, sizeof(*button), GFP_KERNEL);
if (!button)
return -ENOMEM;
button->gpio = of_get_named_gpio(dev->of_node, "gpios", 0);
button->code = KEY_ENTER;
// 注册输入设备...
return 0;
}
6.2 添加一个I2C设备
设备树形貌：
&i2c1 {
status = "okay";
clock-frequency = <100000>;
temperature-sensor@48 {
compatible = "ti,tmp75";
reg = <0x48>;
};
};
驱动程序：
static int tmp75_probe(struct i2c_client *client,
const struct i2c_device_id *id)
{
struct device *dev = &client->dev;
// 初始化温度传感器...
return 0;
}
static const struct of_device_id tmp75_of_match[] = {
{ .compatible = "ti,tmp75" },
{ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, tmp75_of_match);
七、设备树最佳实践
[*]尽量复用：将公共部分提取到.dtsi文件中
[*]遵循绑定：严格按照内核文档中的绑定规范编写
[*]合理命名：节点和属性命名要清晰、一致
[*]充分注释：复杂部分添加详细注释
[*]验证修改：每次修改后都要验证功能
[*]版本控制：将设备树文件纳入版本控制系统
八、总结
设备树作为现代Linux系统中形貌硬件设置的标准方式，已经广泛应用于ARM、PowerPC等架构。它通过将硬件形貌与内核分离，提高了系统的可移植性和可维护性。把握设备树的原理和应用，对于嵌入式Linux开辟者和内核驱动开辟者来说是一项必备技能。
随着Linux内核和设备树标准的不断发展，设备树的功能也在不断增强，如动态设备树覆盖、设备树单元测试等新特性的加入，使得设备树能够更好地满意复杂嵌入式系统的需求。
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