【Linux驱动开发】第11天：设备树（Device Tree）超详细全解：从诞生背景到工作原理

一、设备树的诞生背景传统驱动的致命痛点在设备树出现之前Linux 3.0之前Linux内核采用硬编码的方式描述所有硬件信息。这意味着每一个开发板的寄存器地址、中断号、GPIO号都直接写死在驱动代码里换一个开发板哪怕只是GPIO号变了也要修改驱动代码重新编译为了支持不同的开发板内核里充斥着大量重复的、针对特定硬件的代码最直观的例子ARM内核的灾难ARM架构有上百种不同的芯片、上千种不同的开发板。在设备树出现之前每一个开发板都需要在内核里添加一份自己的硬件描述代码内核代码量爆炸式增长变得无比臃肿维护成本极高每一个新开发板都需要内核开发者手动添加支持一个内核镜像只能支持一个开发板无法做到一个镜像跑遍所有开发板设备树的诞生2011年Linux 3.1内核正式引入设备树机制彻底解决了这个问题。设备树的核心思想非常简单把硬件描述信息从内核代码中完全抽离出来用一个独立的、通用的文件来描述硬件。内核只需要一份通用的驱动代码通过读取这个文件来识别不同的硬件。二、设备树的核心定义设备树Device Tree简称DT是一种描述硬件资源的数据结构它用树形结构来描述一个计算机系统的所有硬件设备包括CPU内存总线控制器I2C、SPI、USB等外设LED、按键、传感器、显示屏等中断、时钟、电源等硬件资源设备树的本质设备树本质上是一个硬件的清单它告诉内核这个板子上有哪些硬件它们的地址在哪里它们用了哪个中断它们的工作频率是多少注意设备树不是驱动它只描述硬件是什么不描述怎么操作硬件。操作硬件的逻辑仍然在驱动代码里。三、设备树的三大核心组件DTS、DTB、DTC设备树体系由三个核心部分组成三者分工明确缺一不可。1. DTS设备树源文件Device Tree Source文件后缀.dts主文件、.dtsi头文件文件类型纯文本文件人类可读可编辑作用用C语言风格的语法描述硬件的所有信息编辑方式任何文本编辑器都可以编辑什么是.dtsi文件.dtsi是设备树头文件相当于C语言的.h头文件用于存放多个DTS文件共享的公共硬件信息。比如同一个芯片的所有开发板芯片内部的外设CPU、内存、UART、I2C控制器等是完全相同的这些公共信息可以放在一个.dtsi文件中如stm32mp157.dtsi每个开发板自己的.dts文件只需要#include这个.dtsi然后添加自己独有的硬件信息如LED、按键、外接传感器等大大提高了代码复用性减少了重复代码2. DTC设备树编译器Device Tree Compiler文件类型可执行程序作用将人类可读的DTS文本文件编译成内核能够识别和解析的二进制DTB文件同时也可以将DTB二进制文件反编译成DTS文本文件用于调试3. DTB设备树二进制文件Device Tree Blob文件后缀.dtb文件类型二进制文件人类不可读作用内核启动时加载并解析的最终文件特点体积小、解析速度快适合嵌入式系统使用三者的关系和编译流程开发者编写DTS源文件#include 公共.dtsi头文件DTC编译器编译生成DTB二进制文件烧录到开发板bootloader加载DTB到内存内核解析DTB识别硬件四、设备树的树形结构设备树采用树形结构来描述硬件和计算机的文件系统结构非常相似。4.1 基本结构/ 根节点 ├── cpu0 CPU节点 ├── memory80000000 内存节点 ├── soc0 片上系统节点 │ ├── uart12340000 串口节点 │ ├── i2c12341000 I2C控制器节点 │ │ ├── sensor48 I2C传感器节点 │ │ └── eeprom50 I2C EEPROM节点 │ └── gpio12342000 GPIO控制器节点 └── led12343000 LED节点4.2 核心概念节点Node每个硬件设备对应设备树中的一个节点节点格式节点名地址 { ... };节点名描述设备的类型如cpu、memory、uart、led地址设备的寄存器基地址用于区分同类型的不同设备如uart12340000和uart12341000是两个不同的串口4.3 核心概念属性Property每个节点包含多个属性用于描述设备的具体信息属性格式属性名 属性值;属性值可以是字符串、32位无符号整数、整数数组、字节数组等4.4 最常用的核心属性驱动开发每天都会用到属性名作用示例compatible最重要的属性用于和驱动匹配格式为厂商,设备名compatible st,stm32-uart;reg描述设备的寄存器地址范围格式为基地址 长度reg 0x12340000 0x1000;interrupts描述设备使用的中断号interrupts 5;status描述设备状态okay表示启用disabled表示禁用status okay;model设备的人类可读名称model STM32MP157 Development Board;五、设备树的完整工作流程设备树从编写到最终驱动硬件会经历以下6个完整阶段。阶段1编写设备树源文件开发者根据开发板的硬件原理图编写DTS文件描述所有硬件信息。阶段2编译生成DTB文件使用DTC编译器将DTS文件编译成DTB二进制文件。阶段3bootloader加载DTB系统启动时bootloader如U-Boot会将内核镜像zImage加载到内存将DTB文件加载到内存的另一个位置启动内核并将DTB的内存地址传递给内核阶段4内核解析DTB内核启动时根据bootloader传递的地址解析DTB文件遍历DTB中的所有节点为每个节点创建一个对应的platform_device结构体将platform_device注册到platform总线阶段5总线匹配设备和驱动platform总线会遍历所有已注册的platform_driver比较设备的compatible属性和驱动的of_device_id表如果字符串完全一致则匹配成功阶段6调用驱动的probe函数匹配成功后总线自动调用驱动的probe函数驱动从platform_device中获取硬件信息地址、中断号等初始化硬件注册字符设备/块设备/网络设备创建设备文件对外提供服务六、设备树的核心优势对比传统硬编码驱动设备树具有以下不可替代的优势1. 硬件描述与驱动代码完全分离驱动代码通用不需要针对特定开发板修改一个驱动可以支持所有符合compatible属性的设备新增硬件只需要修改设备树不需要修改驱动代码2. 一个内核镜像支持多个开发板内核镜像不再包含任何特定硬件的信息同一个内核镜像可以在所有支持设备树的开发板上运行只需要更换不同的DTB文件即可3. 大大降低内核维护成本内核不再需要包含大量针对特定开发板的硬编码代码内核代码量大幅减少更加简洁和通用新开发板的支持变得非常简单只需要添加一个DTS文件4. 支持热插拔设备树可以动态描述热插拔设备的信息设备插入时内核动态解析设备树节点创建设备并匹配驱动设备拔出时自动调用驱动的remove函数释放资源七、常见误区澄清❌ 误区1设备树可以代替驱动错误。设备树只描述硬件是什么不描述怎么操作硬件。操作硬件的逻辑仍然在驱动代码里。没有驱动设备树只是一个没用的文本文件。❌ 误区2设备树是ARM架构特有的错误。设备树最早用于PowerPC架构现在已经被所有主流架构采用包括ARM、x86、RISC-V、MIPS等。❌ 误区3设备树只能描述片上外设错误。设备树可以描述系统中的所有硬件包括CPU、内存、总线控制器、外接设备、甚至电源和时钟。❌ 误区4设备树的compatible属性可以随便写错误。compatible属性必须严格按照厂商,设备名的格式编写并且必须和驱动中的of_device_id表完全一致否则无法匹配。八、总结设备树是现代Linux驱动开发的基础它的核心价值在于实现了硬件描述与驱动代码的彻底分离解决了传统硬编码驱动的所有致命痛点。对于驱动开发者来说你只需要记住设备树是硬件的清单告诉内核有什么硬件驱动是硬件的操作手册告诉内核怎么操作硬件compatible属性是两者之间的配对暗号暗号对上了驱动才能工作面试必背考点什么是设备树它解决了什么问题DTS、DTB、DTC分别是什么三者的关系是什么什么是.dtsi文件它的作用是什么设备树的基本结构是什么什么是节点和属性compatible属性的作用是什么格式是什么内核解析设备树的完整流程是什么bootloader在设备树启动过程中起到什么作用设备树和platform驱动是怎么配合工作的