[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：

1. /dts-v1/;
3. / {
4.     model = "My Board";
5.     compatible = "myvendor,myboard";
6.    
7.     cpus {
8.         #address-cells = <1>;
9.         #size-cells = <0>;
10.         
11.         cpu@0 {
12.             compatible = "arm,cortex-a9";
13.             reg = <0>;
14.         };
15.     };
16.    
17.     memory@80000000 {
18.         device_type = "memory";
19.         reg = <0x80000000 0x10000000>;
20.     };
21.    
22.     serial@101f0000 {
23.         compatible = "arm,pl011";
24.         reg = <0x101f0000 0x1000>;
25.         interrupts = <0 12 4>;
26.     };
27. };

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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：

1. dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts

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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：

1. [label:] node-name[@unit-address] {
2.     [properties]
3.     [child-nodes]
4. };

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• 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
  
  1. compatible = "manufacturer,model", "generic-model";

  复制代码
• reg：形貌设备寄存器或内存区域的地址和大小
  
  1. reg = <address1 length1 [address2 length2] ... >;

  复制代码
• #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
  
  1. #address-cells = <1>;  // 地址用1个32位数表示
  2. #size-cells = <1>;     // 大小用1个32位数表示

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• interrupts：形貌设备的中断号
  
  1. interrupts = <IRQ_NUM TRIGGER_TYPE>;

  复制代码
• status：形貌设备状态
  
  1. status = "okay";  // 或 "disabled", "fail", "fail-sss"

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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
  1. aliases {
  2.     serial0 = &uart0;
  3. };

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• chosen节点：形貌运行时参数，如bootargs
  1. chosen {
  2.     bootargs = "console=ttyS0,115200";
  3. };

  复制代码

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：

1. #include "common.dtsi"

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或者

1. /include/ "common.dtsi"

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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：

1. static const struct of_device_id my_driver_ids[] = {
2.     { .compatible = "vendor,device" },
3.     { /* sentinel */ }
4. };
5. MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_driver_ids);
7. static struct platform_driver my_driver = {
8.     .probe = my_probe,
9.     .driver = {
10.         .name = "my-device",
11.         .of_match_table = my_driver_ids,
12.     },
13. };

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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：
  
  1. struct resource *res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
  2. void __iomem *base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);

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• 获取中断号：
  
  1. int irq = platform_get_irq(pdev, 0);

  复制代码
• 获取属性值：
  
  1. u32 value;
  2. of_property_read_u32(np, "property-name", &value);

  复制代码
• 获取GPIO：
  
  1. int gpio = of_get_named_gpio(np, "gpio-name", 0);

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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：
  1. echo overlay.dtbo > /sys/kernel/config/device-tree/overlays/0/path

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• 卸载覆盖：
  1. echo 0 > /sys/kernel/config/device-tree/overlays/0/status

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五、设备树调试本领

5.1 检察设备树

• 检察/proc/device-tree：
  
  1. ls /proc/device-tree/

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• 利用dtc反编译：
  
  1. dtc -I fs /proc/device-tree

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5.2 调试工具

• dtc：设备树编译器，可用于反编译和验证
  
  1. dtc -I dtb -O dts -o myboard.dts myboard.dtb

  复制代码
• fdtdump：显示设备树二进制文件内容
  
  1. fdtdump myboard.dtb

  复制代码
• 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：

1. gpio_keys {
2.     compatible = "gpio-keys";
3.     button {
4.         label = "User Button";
5.         gpios = <&gpio0 23 GPIO_ACTIVE_LOW>;
6.         linux,code = <KEY_ENTER>;
7.     };
8. };

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驱动程序：

1. static int gpio_keys_probe(struct platform_device *pdev)
2. {
3.     struct device *dev = &pdev->dev;
4.     struct gpio_keys_button *button;
5.    
6.     button = devm_kzalloc(dev, sizeof(*button), GFP_KERNEL);
7.     if (!button)
8.         return -ENOMEM;
9.    
10.     button->gpio = of_get_named_gpio(dev->of_node, "gpios", 0);
11.     button->code = KEY_ENTER;
12.    
13.     // 注册输入设备...
14.     return 0;
15. }

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6.2 添加一个I2C设备

设备树形貌：

1. &i2c1 {
2.     status = "okay";
3.     clock-frequency = <100000>;
4.    
5.     temperature-sensor@48 {
6.         compatible = "ti,tmp75";
7.         reg = <0x48>;
8.     };
9. };

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驱动程序：

1. static int tmp75_probe(struct i2c_client *client,
2.                       const struct i2c_device_id *id)
3. {
4.     struct device *dev = &client->dev;
5.     // 初始化温度传感器...
6.     return 0;
7. }
9. static const struct of_device_id tmp75_of_match[] = {
10.     { .compatible = "ti,tmp75" },
11.     { }
12. };
13. MODULE_DEVICE_TABLE(of, tmp75_of_match);

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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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