[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：

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
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：硬件变更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)采用文本格式，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：

节点(Node)：设备树的基本构建块，表示一个设备或总线
属性(Property)：节点的特征描述，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

设备树源文件主要有两种格式：

.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：

.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
使用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

compatible：最重要的属性之一，用于匹配驱动程序
```
compatible = "manufacturer,model", "generic-model";
```
reg：描述设备寄存器或内存区域的地址和大小
```
reg = <address1 length1 [address2 length2] ... >;
```

#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

interrupts：描述设备的中断号
```
interrupts = <IRQ_NUM TRIGGER_TYPE>;
```

status：描述设备状态

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：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：

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：

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：

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、设备树调试技巧

5.1 查看设备树

查看/proc/device-tree：
```
ls /proc/device-tree/
```
使用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：检查status属性是否为"okay"
驱动未加载：检查compatible属性是否匹配
资源冲突：检查reg、interrupts等属性是否正确
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);