Linux 设备树

1 什么是设备树？

设备树(Device Tree)，将这个词分开就是“设备”和“树”，描述设备树的文件叫做 DTS(Device Tree Source)，这个 DTS 文件采用树形结构描述板级设备，也就是开发板上的设备信息，比如 CPU 数量、内存基地址、IIC 接口上接了哪些设备、SPI 接口上接了哪些设备等等

图中树的主干就是系统总线，IIC 控制器、GPIO 控制器、SPI 控制器等都是接到系统主线上的分支。IIC 控制器有分为 IIC1 和 IIC2 两种，其中 IIC1 上接了 FT5206 和 AT24C02 这两个 IIC 设备，IIC2 上只接了 MPU6050 这个设备。DTS 文件的主要功能就是按照图所示的结构来描述板子上的设备信息。以前的 Linux 内核中 ARM 架构并没有采用设备树。在没有设备树的时候 Linux 是如何描述 ARM 架构中的板级信息呢？在 Linux 内核源码中大量的 arch/arm/mach-xxx 和 arch/arm/plat-xxx 文件夹，这些文件夹里面的文件就是对应平台下的板级信息。比如在 arch/arm/mach-smdk2440.c 中

2、DTS、DTB 和 DTC

设备树源文件扩展名为.dts，但是我们在前面移植 Linux 的时候却一直在使用.dtb 文件，那么 DTS 和 DTB 这两个文件是什么关系呢？DTS 是设备树源码文件，DTB 是将 DTS 编译以后得到的二进制文件。将.c 文件编译为.o 需要用到 gcc 编译器，那么将.dts 编译为.dtb 需要什么工具呢？需要用到 DTC 工具！DTC 工具源码在 Linux 内核的 scripts/dtc 目录下， scripts/dtc/Makefile 文件内容如下：

1 hostprogs-y := dtc

2 always := $(hostprogs-y)

3

4 dtc-objs:= dtc.o flattree.o fstree.o data.o livetree.o treesource.o \

5 srcpos.o checks.o util.o

6 dtc-objs += dtc-lexer.lex.o dtc-parser.tab.o

......

可以看出，DTC 工具依赖于 dtc.c、flattree.c、fstree.c 等文件，最终编译并链接出 DTC 这个主机文件。如果要编译 DTS 文件的话只需要进入到 Linux 源码根目录下，然后执行如下命令： make all 或者 make dtbs

注意：“make all”命令是编译 Linux 源码中的所有东西，包括 zImage，.ko 驱动模块以及设备树，如果只是编译设备树的话建议使用“make dtbs”命令。

和C语言一样，设备树也支持头文件，设备树的头文件扩展名为.dtsi。在imx6ull-alientek-emmc.dts中有以下内容：

#include <dt-bindings/input/input.h> //引用了“input.h”这个.h头文件

#include "imx6ull.dtsi" //引用.dtsi头文件

通过以上代码可以看出在.dtsi文件中可以直接通过include来引用.h、.dtsi、.dts。一般的.dtsi用于描述SOC的内部外设信息，比如CPU架构、主频、外设寄存器地址范围，比如UART、IIC等等。

3、设备节点

设备树是采用树形结构来描述板子上的设备信息的文件，每个设备都是一个节点，叫做设备节点，每个节点都通过一些属性信息来描述节点信息，属性就是键—值对。以下是从 imx6ull.dtsi 文件中缩减出来的设备树文件内容：

1 / {
2 aliases {
3     can0 = &flexcan1;
4 };
5 
6 cpus {
7 #address-cells = <1>;
8 #size-cells = <0>;
9 
10 cpu0: cpu@0 {
11     compatible = "arm,cortex-a7";
12     device_type = "cpu";
13     reg = <0>;
14     };
15 };
16
17 intc: interrupt-controller@00a01000 {
18     compatible = "arm,cortex-a7-gic";
19     #interrupt-cells = <3>;
20     interrupt-controller;
21     reg = <0x00a01000 0x1000>,
22     <0x00a02000 0x100>;
23     };
24 }

3、设备树在系统中的体现

Linux 内核启动的时候会解析设备树中各个节点的信息，并且在根文件系统的/proc/devicetree 目录下根据节点名字创建不同文件夹。

4、设备树常用 OF 操作函数

设备树描述了设备的详细信息，这些信息包括数字类型的、字符串类型的、数组类型的，我们在编写驱动的时候需要获取到这些信息。比如设备树使用 reg 属性描述了某个外设的寄存器地址为 0X02005482，长度为 0X400，我们在编写驱动的时候需要获取到 reg 属性的0X02005482 和 0X400 这两个值，然后初始化外设。Linux 内核给我们提供了一系列的函数来获取设备树中的节点或者属性信息，这一系列的函数都有一个统一的前缀“of_”，所以在很多资料里面也被叫做 OF 函数。这些 OF 函数原型都定义在 include/linux/of.h 文件中。

查找节点的 OF 函数

设备都是以节点的形式“挂”到设备树上的，因此要想获取这个设备的其他属性信息，必须先获取到这个设备的节点。Linux 内核使用 device_node 结构体来描述一个节点，此结构体定义在文件 include/linux/of.h 中，定义如下：

struct device_node {
     const char *name; /* 节点名字 */
     const char *type; /* 设备类型 */
     phandle phandle;
     const char *full_name; /* 节点全名 */
     struct fwnode_handle fwnode;
    
     struct property *properties; /* 属性 */
     struct property *deadprops; /* removed 属性 */
     struct device_node *parent; /* 父节点 */
     struct device_node *child; /* 子节点 */
     struct device_node *sibling;
     struct kobject kobj;
     unsigned long _flags;
     void *data;
     #if defined(CONFIG_SPARC)
     const char *path_component_name;
     unsigned int unique_id;
     struct of_irq_controller *irq_trans;
 #endif
 };

与查找节点有关的 OF 函数有 5 个：

1、of_find_node_by_name 函数

of_find_node_by_name 函数通过节点名字查找指定的节点，函数原型如下：

struct device_node *of_find_node_by_name(struct device_node *from,
const char *name);

/*
函数参数和返回值含义如下：
from：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。
name：要查找的节点名字。
返回值：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败。
*/

2、of_find_node_by_type 函数

of_find_node_by_type 函数通过 device_type 属性查找指定的节点，函数原型如下：

struct device_node *of_find_node_by_type(struct device_node *from, const char *type)

/*
函数参数和返回值含义如下：
from：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。
type：要查找的节点对应的 type 字符串，也就是 device_type 属性值。
返回值：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败。
*/

3、of_find_compatible_node 函数

of_find_compatible_node 函数根据 device_type 和 compatible 这两个属性查找指定的节点，函数原型如下：

struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from,
const char *type, 
const char *compatible)

/*
函数参数和返回值含义如下：
from：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。
type：要查找的节点对应的 type 字符串，也就是 device_type 属性值，可以为 NULL，表示
忽略掉 device_type 属性。
compatible：要查找的节点所对应的 compatible 属性列表。
返回值：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败
*/

4、of_find_matching_node_and_match 函数

of_find_matching_node_and_match 函数通过 of_device_id 匹配表来查找指定的节点，函数原型如下：

struct device_node *of_find_matching_node_and_match(struct device_node *from,
 const struct of_device_id *matches,
 const struct of_device_id **match)

/*
函数参数和返回值含义如下：
from：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。
matches：of_device_id 匹配表，也就是在此匹配表里面查找节点。
match：找到的匹配的 of_device_id。
返回值：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败
*/

5、of_find_node_by_path 函数

of_find_node_by_path 函数通过路径来查找指定的节点，函数原型如下：

inline struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)

/*
函数参数和返回值含义如下：
path：带有全路径的节点名，可以使用节点的别名，比如“/backlight”就是 backlight 这个
节点的全路径。
返回值：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失
*/

6、查找父/子节点的 OF 函数

Linux 内核提供了几个查找节点对应的父节点或子节点的 OF 函数，

1、of_get_parent 函数

of_get_parent 函数用于获取指定节点的父节点(如果有父节点的话)，函数原型如下：

struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node)

/*
函数参数和返回值含义如下：
node：要查找的父节点的节点。
返回值：找到的父节点。
*/

2、of_get_next_child 函数

of_get_next_child 函数用迭代的方式查找子节点，函数原型如下：

struct device_node *of_get_next_child(const struct device_node *node,
 struct device_node *prev)

/*
函数参数和返回值含义如下：
node：父节点。
prev：前一个子节点，也就是从哪一个子节点开始迭代的查找下一个子节点。可以设置为
NULL，表示从第一个子节点开始。
返回值：找到的下一个子节点。
*/

7、提取属性值的 OF 函数

节点的属性信息里面保存了驱动所需要的内容，因此对于属性值的提取非常重要，Linux 内核中使用结构体 property 表示属性，此结构体同样定义在文件 include/linux/of.h 中，内容如下：

struct property {
    char *name; /* 属性名字 */
     int length; /* 属性长度 */
     void *value; /* 属性值 */
     struct property *next; /* 下一个属性 */
     unsigned long _flags;
     unsigned int unique_id;
     struct bin_attribute attr;
 };

Linux 内核也提供了提取属性值的 OF 函数

1、of_find_property 函数

of_find_property 函数用于查找指定的属性，函数原型如下：

property *of_find_property(const struct device_node *np,
 const char *name,
 int *lenp)

/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
name： 属性名字。
lenp：属性值的字节数
返回值：找到的属性。*/

2、of_property_count_elems_of_size 函数

of_property_count_elems_of_size 函数用于获取属性中元素的数量，比如 reg 属性值是一个数组，那么使用此函数可以获取到这个数组的大小，此函数原型如下：

int of_property_count_elems_of_size(const struct device_node *np,
 const char *propname,nt elem_size)

/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
proname： 需要统计元素数量的属性名字。
elem_size：元素长度。
返回值：得到的属性元素数量。
*/

3、of_property_read_u32_index 函数

of_property_read_u32_index 函数用于从属性中获取指定标号的 u32 类型数据值(无符号 32 位)，比如某个属性有多个 u32 类型的值，那么就可以使用此函数来获取指定标号的数据值，此函数原型如下：

int of_property_read_u32_index(const struct device_node *np,
 const char *propname,
 u32 index, 
 u32 *out_value)


/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
proname： 要读取的属性名字。
index：要读取的值标号。
out_value：读取到的值
返回值：0 读取成功，负值，读取失败，-EINVAL 表示属性不存在，-ENODATA 表示没有
要读取的数据，-EOVERFLOW 表示属性值列表太小。

*/

4、 of_property_read_u8_array 函数

of_property_read_u16_array 函数

of_property_read_u32_array 函数

of_property_read_u64_array 函数

这 4 个函数分别是读取属性中 u8、u16、u32 和 u64 类型的数组数据，比如大多数的 reg 属性都是数组数据，可以使用这 4 个函数一次读取出 reg 属性中的所有数据。这四个函数的原型如下：

int of_property_read_u8_array(const struct device_node *np,
const char *propname, 
u8 *out_values, 
size_t sz)
int of_property_read_u16_array(const struct device_node *np,
 const char *propname, 
 u16 *out_values, 
 size_t sz)
int of_property_read_u32_array(const struct device_node *np,
 const char *propname, 
 u32 *out_values,
 size_t sz)
int of_property_read_u64_array(const struct device_node *np,
 const char *propname, 
 u64 *out_values，size_t sz)


/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
proname： 要读取的属性名字。
out_value：读取到的数组值，分别为 u8、u16、u32 和 u64。
sz：要读取的数组元素数量。
返回值：0，读取成功，负值，读取失败，-EINVAL 表示属性不存在，-ENODATA 表示没
有要读取的数据，-EOVERFLOW 表示属性值列表太小。
*/

5、of_property_read_u8 函数

of_property_read_u16 函数

of_property_read_u32 函数

of_property_read_u64 函数

有些属性只有一个整形值，这四个函数就是用于读取这种只有一个整形值的属性，分别用于读取 u8、u16、u32 和 u64 类型属性值，函数原型如下：

int of_property_read_u8(const struct device_node *np, 
const char *propname,
u8 *out_value)
int of_property_read_u16(const struct device_node *np, 
const char *propname,
u16 *out_value)
int of_property_read_u32(const struct device_node *np, 
const char *propname,
u32 *out_value)
int of_property_read_u64(const struct device_node *np, 
const char *propname,
u64 *out_value)

/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
proname： 要读取的属性名字。
out_value：读取到的数组值。
返回值：0，读取成功，负值，读取失败，-EINVAL 表示属性不存在，-ENODATA 表示没
有要读取的数据，-EOVERFLOW 表示属性值列表太小。
*/

6、of_property_read_string 函数

of_property_read_string 函数用于读取属性中字符串值，函数原型如下：

int of_property_read_string(struct device_node *np, 
 const char *propname,
 const char **out_string)


/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
proname： 要读取的属性名字。
out_string：读取到的字符串值。
返回值：0，读取成功，负值，读取失败。
*/

7、of_n_addr_cells 函数

of_n_addr_cells 函数用于获取#address-cells 属性值，函数原型如下：

int of_n_addr_cells(struct device_node *np)


/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
返回值：获取到的#address-cells 属性值。

*/

8、of_n_size_cells 函数

of_size_cells 函数用于获取#size-cells 属性值，函数原型如下：

int of_n_size_cells(struct device_node *np)


/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
返回值：获取到的#size-cells 属性值。

*/

9、of_iomap 函数

of_iomap 函数用于直接内存映射，以前我们会通过 ioremap 函数来完成物理地址到虚拟地址的映射，采用设备树以后就可以直接通过 of_iomap 函数来获取内存地址所对应的虚拟地址，不需要使用 ioremap 函数了。当然了，你也可以使用 ioremap 函数来完成物理地址到虚拟地址的内存映射，只是在采用设备树以后，大部分的驱动都使用 of_iomap 函数了。of_iomap 函数本质上也是将 reg 属性中地址信息转换为虚拟地址，如果 reg 属性有多段的话，可以通过 index 参数指定要完成内存映射的是哪一段，of_iomap 函数原型如下：

void __iomem *of_iomap(struct device_node *np, 
int index)

/*
函数参数和返回值含义如下：
np：设备节点。
index：reg 属性中要完成内存映射的段，如果 reg 属性只有一段的话 index 就设置为 0。
返回值：经过内存映射后的虚拟内存首地址，如果为 NULL 的话表示内存映射失败。

*/