深入理解Linux设备树

引言

在嵌入式Linux开发中，设备树（Device Tree）是一个非常重要的概念。它提供了一种描述硬件设备的方式，使得内核可以在不同的硬件平台上运行，而无需为每个平台编写特定的代码。本文将详细介绍设备树的基础知识、语法、编译过程以及如何在驱动中使用设备树。

1. 设备树概述

1.1 什么是设备树？

设备树（Device Tree）是一种描述硬件设备的数据结构，通常用于嵌入式系统中。它通过一种树形结构来描述系统中的硬件设备及其连接关系。设备树的主要目的是将硬件的描述与操作系统的代码分离，从而提高代码的可移植性和可维护性。

1.2 设备树的组成部分

设备树主要由以下几个部分组成：

• DTS（Device Tree Source）：设备树源文件，通常以.dts为后缀。它是一个文本文件，描述了硬件设备的结构和属性。
• DTB（Device Tree Blob）：设备树二进制文件，通常以.dtb为后缀。它是DTS文件编译后生成的二进制文件，供内核使用。
• DTC（Device Tree Compiler）：设备树编译器，用于将DTS文件编译为DTB文件。

2. DTS、DTB 和 DTC 的区别与编译过程

2.1 DTS、DTB 和 DTC 的区别

• DTS：设备树源文件，是文本文件，便于人类阅读和编辑。
• DTB：设备树二进制文件，是DTS文件编译后生成的二进制文件，供内核使用。
• DTC：设备树编译器，用于将DTS文件编译为DTB文件。

2.2 如何将.dts 文件编译为.dtb 文件

要将DTS文件编译为DTB文件，可以使用DTC编译器。以下是一个简单的编译命令：

dtc -I dts -O dtb -o output.dtb input.dts

• -I dts：指定输入文件格式为DTS。
• -O dtb：指定输出文件格式为DTB。
• -o output.dtb：指定输出文件名。
• input.dts：输入的DTS文件。

2.3 示例

假设我们有一个名为example.dts的设备树源文件，内容如下：

/dts-v1/;

/ {
    model = "Example Board";
    compatible = "example,board";

    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            device_type = "cpu";
            reg = <0>;
        };
    };

    memory {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;
    };
};

我们可以使用以下命令将其编译为DTB文件：

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

编译完成后，将生成一个名为example.dtb的二进制文件。

3. 设备树语法

设备树语法是设备树描述的基础，掌握设备树语法对于理解和修改设备树至关重要。以下是设备树语法的详细介绍。

3.1 设备树的基本结构

设备树的基本结构是一个树形结构，由节点（Node）和属性（Property）组成。每个节点可以包含子节点和属性。

3.1.1 节点

节点是设备树的基本组成单位，通常表示一个硬件设备或一个功能模块。节点的定义格式如下：

node-name {
    property1 = value1;
    property2 = value2;
    ...
    child-node {
        ...
    };
};

• node-name：节点的名称。
• property1, property2：节点的属性。
• child-node：子节点。

3.1.2 属性

属性是节点的键值对，用于描述节点的特性。属性的定义格式如下：

property-name = value;

• property-name：属性的名称。
• value：属性的值，可以是字符串、整数、数组等。

3.2 设备树的常用属性

以下是一些常用的设备树属性：

• compatible：用于匹配驱动程序的字符串列表。
• reg：表示设备的寄存器地址和大小。
• interrupts：表示设备的中断号。
• gpio：表示设备的GPIO引脚。
• clock-frequency：表示设备的时钟频率。

3.3 设备树的特殊节点

设备树中有一些特殊的节点，它们在设备树中具有特殊的意义。

3.3.1 / 根节点

根节点是设备树的顶级节点，所有其他节点都是根节点的子节点。根节点通常包含一些全局属性，如model和compatible。

/ {
    model = "Example Board";
    compatible = "example,board";
    ...
};

3.3.2 aliases 节点

aliases节点用于定义节点的别名，方便在设备树中引用。

aliases {
    serial0 = &uart0;
    ethernet0 = &eth0;
};

3.3.3 chosen 节点

chosen节点用于传递内核启动参数或指定根文件系统。

chosen {
    bootargs = "console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 rootwait";
};

3.4 设备树的示例

以下是一个完整的设备树示例：

/dts-v1/;

/ {
    model = "Example Board";
    compatible = "example,board";

    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            device_type = "cpu";
            reg = <0>;
        };
    };

    memory {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;
    };

    uart0: serial@101f1000 {
        compatible = "ns16550a";
        reg = <0x101f1000 0x1000>;
        interrupts = <0 0 4>;
        clock-frequency = <1843200>;
    };

    eth0: ethernet@101f2000 {
        compatible = "smc911x";
        reg = <0x101f2000 0x1000>;
        interrupts = <0 0 5>;
    };
};

4. 设备树的OF操作函数

设备树最终是被驱动文件所使用的，驱动文件需要读取设备树中的属性信息，如内存信息、GPIO信息、中断信息等。为了在驱动中读取设备树的属性值，Linux内核提供了一系列的OF（Open Firmware）操作函数。

4.1 OF操作函数概述

OF操作函数是Linux内核提供的一组用于操作设备树的API。这些函数定义在include/linux/of.h头文件中，常用的函数包括：

• of_find_node_by_name：根据节点名称查找节点。
• of_find_node_by_path：根据路径查找节点。
• of_property_read_u32：读取32位整数属性。
• of_property_read_string：读取字符串属性。
• of_get_named_gpio：获取GPIO引脚号。

4.2 OF操作函数的使用示例

以下是一个简单的驱动示例，展示了如何使用OF操作函数读取设备树中的属性。

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_gpio.h>

static int example_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device_node *np = pdev->dev.of_node;
    int gpio;
    u32 value;
    const char *str;

    if (!np) {
        dev_err(&pdev->dev, "No device tree node found\n");
        return -EINVAL;
    }

    /* 读取整数属性 */
    if (of_property_read_u32(np, "example-value", &value)) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to read 'example-value'\n");
        return -EINVAL;
    }
    dev_info(&pdev->dev, "example-value = %d\n", value);

    /* 读取字符串属性 */
    if (of_property_read_string(np, "example-string", &str)) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to read 'example-string'\n");
        return -EINVAL;
    }
    dev_info(&pdev->dev, "example-string = %s\n", str);

    /* 获取GPIO引脚号 */
    gpio = of_get_named_gpio(np, "example-gpio", 0);
    if (gpio < 0) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to get 'example-gpio'\n");
        return gpio;
    }
    dev_info(&pdev->dev, "example-gpio = %d\n", gpio);

    return 0;
}

static int example_remove(struct platform_device *pdev)
{
    dev_info(&pdev->dev, "Example device removed\n");
    return 0;
}

static const struct of_device_id example_of_match[] = {
    { .compatible = "example,device", },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, example_of_match);

static struct platform_driver example_driver = {
    .probe = example_probe,
    .remove = example_remove,
    .driver = {
        .name = "example",
        .of_match_table = example_of_match,
    },
};

module_platform_driver(example_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Example Device Tree Driver");

4.3 设备树中的属性

假设我们有一个设备树节点如下：

example_device: example@101f3000 {
    compatible = "example,device";
    example-value = <1234>;
    example-string = "Hello, World!";
    example-gpio = <&gpio0 5 0>;
};

在驱动中，我们可以使用OF操作函数读取这些属性：

• example-value：32位整数属性。
• example-string：字符串属性。
• example-gpio：GPIO引脚号。

4.4 编译和加载驱动

编译并加载上述驱动后，内核日志中将输出以下信息：

example-value = 1234
example-string = Hello, World!
example-gpio = 5

5. 总结

本文详细介绍了Linux设备树的基础知识、语法、编译过程以及如何在驱动中使用设备树。通过掌握设备树的基本概念和OF操作函数的使用，开发者可以更好地理解和修改设备树，从而编写出更加灵活和可移植的驱动程序。

设备树在嵌入式Linux开发中扮演着至关重要的角色，理解设备树的工作原理和使用方法，对于嵌入式Linux开发者来说是必不可少的技能。希望本文能够帮助读者更好地理解和应用设备树。

参考文献

• Device Tree Specification
• Linux Kernel Documentation: Device Tree
• Understanding the Device Tree