[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）是一种描述硬件资源的数据结构，它通过一种树状结构来描述系统硬件配置，包括CPU、内存、总线、外设等硬件信息。设备树最初在PowerPC架构中使用，后来被ARM等架构广泛采用，成为Linux内核中描述非可发现硬件(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，它起源于Open Firmware标准（IEEE 1275），主要用于PowerPC和SPARC架构。随着ARM架构在嵌入式领域的普及，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的标准硬件描述方式。设备树的采用解决了以下问题：

• 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
• 简化了硬件描述的维护工作

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：

1. 硬件描述与内核分离：硬件配置信息不再硬编码在内核中，而是通过外部文件描述
2. 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
3. 可维护性提高：硬件变更只需修改设备树文件，无需重新编译内核
4. 可读性好：设备树源文件(dts)采用文本格式，易于理解和修改
5. 层次化结构：可以复用公共部分，减少冗余描述

二、设备树原理

2.1 设备树的基本结构

设备树采用树状结构描述硬件，主要包含以下组成部分：

1. 节点(Node)：设备树的基本构建块，表示一个设备或总线
2. 属性(Property)：节点的特征描述，是键值对的形式
3. 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

设备树源文件主要有两种格式：

1. .dts (Device Tree Source)：设备树源文件，人类可读的文本格式
2. .dtsi (Device Tree Source Include)：设备树包含文件，类似于C语言的头文件

这些源文件需要通过设备树编译器(DTC)编译成二进制格式：

1. .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：

1. 编写.dts和.dtsi文件
2. 使用DTC编译器将.dts文件编译为.dtb文件
3. Bootloader将.dtb文件和内核镜像一起加载到内存
4. 内核启动时解析设备树，初始化描述的硬件

编译命令示例：

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

2.4 设备树绑定(Bindings)

设备树绑定是描述特定设备节点应包含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。

绑定文档通常包含：

• 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

设备树节点是描述硬件的基本单位，语法如下：

[label:] node-name[@unit-address] {[properties][child-nodes]
};

• 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

1. compatible：最重要的属性之一，用于匹配驱动程序

   compatible = "manufacturer,model", "generic-model";
   

2. reg：描述设备寄存器或内存区域的地址和大小

   reg = <address1 length1 [address2 length2] ... >;
   

3. #address-cells和#size-cells：描述子节点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
   

4. interrupts：描述设备的中断号

   interrupts = <IRQ_NUM TRIGGER_TYPE>;
   

5. status：描述设备状态

   status = "okay";  // 或 "disabled", "fail", "fail-sss"
   

3.3 特殊节点

1. 根节点：设备树的起点，用/表示
2. aliases节点：为节点提供符号链接

   aliases {serial0 = &uart0;
   };
   

3. chosen节点：描述运行时参数，如bootargs

   chosen {bootargs = "console=ttyS0,115200";
   };
   

3.4 设备树包含机制

类似于C语言的#include，设备树使用/include/或#include指令包含其他文件：

#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：

1. Bootloader将设备树二进制(.dtb)加载到内存，并将指针传递给内核
2. 内核初始化阶段，OF(Open Firmware)子系统开始解析设备树
3. 内核将设备树转换为设备节点的链表结构
4. 驱动程序通过匹配compatible属性与设备节点绑定
5. 驱动程序从设备节点中获取硬件配置信息

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：

1. 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);
   

2. 获取中断号：

   int irq = platform_get_irq(pdev, 0);
   

3. 获取属性值：

   u32 value;
   of_property_read_u32(np, "property-name", &value);
   

4. 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术，主要用于支持运行时硬件配置变化，常见于嵌入式Linux系统：

1. 创建覆盖文件(.dtbo)
2. 在运行时加载覆盖：

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

3. 卸载覆盖：

   echo 0 > /sys/kernel/config/device-tree/overlays/0/status
   

五、设备树调试技巧

5.1 查看设备树

1. 查看/proc/device-tree：

   ls /proc/device-tree/
   

2. 使用dtc反编译：

   dtc -I fs /proc/device-tree
   

5.2 调试工具

1. 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
   

2. fdtdump：显示设备树二进制文件内容

   fdtdump myboard.dtb
   

3. ofdump：内核工具，显示设备树信息

5.3 常见问题排查

1. 设备未初始化：检查status属性是否为"okay"
2. 驱动未加载：检查compatible属性是否匹配
3. 资源冲突：检查reg、interrupts等属性是否正确
4. 语法错误：使用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

设备树描述：

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

设备树描述：

&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

1. 尽量复用：将公共部分提取到.dtsi文件中
2. 遵循绑定：严格按照内核文档中的绑定规范编写
3. 合理命名：节点和属性命名要清晰、一致
4. 充分注释：复杂部分添加详细注释
5. 验证修改：每次修改后都要验证功能
6. 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系统中描述硬件配置的标准方式，已经广泛应用于ARM、PowerPC等架构。它通过将硬件描述与内核分离，提高了系统的可移植性和可维护性。掌握设备树的原理和应用，对于嵌入式Linux开发者和内核驱动开发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足复杂嵌入式系统的需求。