Linux设备树(dts/dtsi/dtb、设备树概念，设备树解析，驱动匹配)

设备树

I 设备树基本概念

1.设备树的作用

• 设备树 (Device Tree) 是描述硬件资源的数据结构，实现硬件配置与内核分离
• 核心作用：向内核驱动程序提供硬件信息
• 系统启动时，会先运行 uboot，uboot 加载内核和设备树到内存，启动内核并传递设备树内存地址给内核，内核解析设备树获取硬件信息

2.为什么需要设备树

• 在传统嵌入式开发中，硬件信息（如外设地址、中断号等）通常硬编码到内核源码中。当硬件发生微小变化（如同一型号外设的地址偏移），就需要重新修改并编译内核，极大增加了内核适配不同硬件的复杂度。
• 设备树将所有硬件信息从内核中剥离，以独立的设备树文件（.dts）描述，内核通过解析设备树动态获取硬件信息，实现了 “一份内核适配多份硬件”，大幅简化了嵌入式系统的移植与维护。

3.设备树基本结构

一个简单的设备树文件包含版本声明、根节点及若干子节点，每个节点都包含各种属性信息。

    /dts-v1/;  // 版本声明，固定格式#include "xxx.dtsi"  // 可引用其他设备树片段（.dtsi为通用片段文件）/ {       // 根节点，唯一的顶级节点#address-cells = <1>;  // 地址字段长度（单位：32位），用于子节点reg属性#size-cells = <1>;     // 大小字段长度（单位：32位），用于子节点reg属性node1: device@12340000 {  // 子节点，命名格式："设备类型@地址"（地址用于区分同类型设备）compatible = "vendor,node1-v1";  // 兼容属性，用于驱动匹配reg = <0x12340000 0x1000>;  // 地址范围：起始地址 长度status = "okay";  // 设备状态：启用};node2 {compatible = "vendor,node2-v2";pinctrl-names = "default";  // 引脚配置名称pinctrl-0 = <&pinctrl_node2>;  // 引用引脚配置节点interrupt-parent = <&intc>;  // 中断父节点（通常为中断控制器）interrupts = <5 0x04>;  // 中断号 触发方式（0x04为高电平触发）};};

节点命名规则：

节点名通常采用device-type@address格式。其中：

• device-type：描述设备类型（如 uart、led、i2c 等）；

• address：设备在父总线中的地址（如寄存器起始地址），用于区分同一总线上的同类型设备（如uart@12340000和uart@12350000）。

4.常用节点类型

（1）根节点: /

  所有设备树的顶级节点，必须包含#address-cells和#size-cells属性，用于定义子节点reg属性的地址和大小字段长度。

    / {#address-cells = <2>;  // 地址由2个32位字段组成（如高32位+低32位）#size-cells = <1>;     // 大小由1个32位字段组成};

（2）CPU 节点: cpus

  描述系统中的 CPU 核心信息，包含cpu子节点（每个核心一个）。

    cpus {#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;  // CPU地址无大小，设为0cpu@0 {  // 第一个CPU核心compatible = "arm,cortex-a7";  // CPU型号reg = <0>;  // CPU编号clocks = <&cpu_clk>;  // CPU时钟源operating-points-v2 = <&cpu_opp_table>;  // 工作点（频率/电压）表};};

（3）内存节点: memory

  描述系统物理内存，必须包含reg属性定义内存地址范围。

    memory@80000000 {device_type = "memory";  // 固定属性，标识为内存节点reg = <0x80000000 0x20000000>;  // 内存范围：起始地址0x80000000，大小512MB（0x20000000）};

（4）总线节点: amba, soc, i2c, spi

  描述系统总线（如 I2C、SPI、AMBA 总线），通常包含总线时钟、速率等属性。

    i2c@12360000 {compatible = "vendor,i2c-v3";reg = <0x12360000 0x1000>;clock-frequency = <100000>;  // I2C总线频率100kHz#address-cells = <1>;  // I2C设备地址长度（7位或10位）#size-cells = <0>;sensor@48 {  // I2C总线上的传感器设备（地址0x48）compatible = "vendor,temp-sensor";reg = <0x48>;  // I2C设备地址};};

（5）外设节点

  描述具体硬件设备（如 UART、LED、LCD 等）

    led@0 {compatible = "gpio-leds";label = "user-led";  // LED标签（用于用户空间识别）gpios = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_HIGH>;  // 引脚：GPIO控制器 引脚号 有效电平default-state = "off";  // 默认状态};

5.常用属性

（1）compatible

• 作用：用于驱动与设备的匹配（“设备找驱动”）。

• 格式：compatible = "厂商,设备型号", "通用型号";（从具体到通用，驱动匹配时优先匹配前面的）。

• 示例：

      compatible = "nvidia,tegra20-uart", "ns16550"; // 英伟达Tegra20的UART，兼容通用ns16550串口
  

（2）reg

• 作用：描述设备在父总线中的地址范围（如寄存器地址、内存地址）。

• 格式：reg = <address1 length1 [address2 length2 ...]>;（地址和长度的数量由父节点#address-cells和#size-cells定义）。

• 示例：

      reg = <0x12340000 0x1000>;  // 起始地址0x12340000，长度0x1000（4KB）
  

（3）status

• 作用：描述设备状态。

• 常用值：

  • "okay"：设备启用；

  • "disabled"：设备禁用（内核不解析）；

  • "fail"：设备存在但不可用。

（4）interrupts

• 作用：描述设备中断信息（依赖interrupt-parent指定中断控制器）。

• 格式：interrupts = <中断号 触发方式 [优先级]>;

• 触发方式常用值：

  • 0x01：上升沿触发；
  • 0x02：下降沿触发；
  • 0x04：高电平触发；
  • 0x08：低电平触发。

• 示例：

      interrupt-parent = <\&intc>;  // 中断控制器为intc节点interrupts = <5 0x04>;  // 中断号5，高电平触发
  

（5）clocks / clock-names

• 作用：描述设备使用的时钟源。

• 格式：clocks = <&clock_node1>, <&clock_node2>;；clock-names = "clk1", "clk2";（用于区分多个时钟）。

• 示例：

      clocks = <\&clk\_pll 0>, <\&clk\_ahb 2>;clock-names = "core-clk", "bus-clk";  // 核心时钟、总线时钟
  

（6）gpios

• 作用：描述设备使用的 GPIO 引脚。

• 格式：gpios = <&gpio_controller pin_number [flags]>;

• flags 常用值：

  • GPIO_ACTIVE_HIGH：高电平有效；
  • GPIO_ACTIVE_LOW：低电平有效。

（7）model

• 作用：描述设备 / 系统的型号（比 compatible 更简洁）。

• 示例：model = "raspberrypi,3-model-b";（树莓派 3B 型号）。

（8）phandle / 引用

• 作用：实现节点间的引用（如中断父节点、引脚配置节点等）。

• 用法：通过&节点标签引用（节点需先定义标签，如node1: uart@12340000，引用时用&node1）。

6.设备树的编译

（1）编译工具：dtc（Device Tree Compiler）

• 功能：将.dts（设备树源文件）编译为.dtb（设备树二进制文件，内核可解析）。

• 常用命令：

      dtc -I dts -O dtb -o output.dtb input.dts  # 编译：输入.dts，输出.dtbdtc -I dtb -O dts -o input.dts output.dtb  # 反编译：从.dtb还原为.dts
  

（2）设备树文件类型：

• .dts：针对具体板卡的设备树文件（包含板级特有信息）；*
• .dtsi：通用设备树片段（如 SOC 级通用硬件描述，可被多个.dts引用）。

II 内核对设备树文件的解析

1.内核启动时，从 uboot 获取.dtb的内存地址

• uboot 在引导内核启动时，通过特定寄存器（如 ARM 架构的 r2 寄存器）将.dtb 的物理内存地址传递给内核。例如在 ARM 平台中，内核启动入口函数会从 r2 寄存器读取该地址。

2.解析.dtb为内部数据结构（device_node）

• 内核会遍历.dtb 中的节点和属性，将其转换为device_node结构体链表

      struct device_node {const char *name;        // 节点名称（如"uart@12340000"）const char *type;        // 节点类型（由device_type属性指定）phandle phandle;         // 节点句柄（用于节点引用）struct device_node *parent;  // 父节点指针struct device_node *child;   // 子节点指针struct device_node *sibling; // 兄弟节点指针struct property *properties; // 属性链表};
  

• 每个节点的属性会被解析为property结构体，包含属性名、值长度和值数据

      struct property {const char *name;        // 属性名（如"compatible"）int length;              // 属性值长度void *value;             // 属性值数据（如"vendor,uart"的二进制表示）struct property *next;   // 下一个属性};
  

• 解析完成后，内核会构建以根节点（/）为起点的device_node树状结构，所有硬件信息都以节点和属性的形式保存在该结构中

3.根据compatible属性匹配驱动，创建platform_device等设备对象

• 设备对象创建：

  • 内核遍历device_node树，对每个具备硬件驱动需求的节点创建platform_device对象。
  • platform_device与device_node存在关联，前者的dev.of_node成员指向对应的device_node，便于驱动通过设备对象反向查询设备树信息。

• compatible属性驱动匹配：​

  • 驱动程序通过of_device_id结构体声明支持的设备类型，其中包含与设备树compatible属性对应的字符串

      static const struct of_device_id uart_of_match[] = {{ .compatible = "nvidia,tegra20-uart" },{ .compatible = "ns16550" },{ /* 终止符 */ }};MODULE_DEVICE_TABLE(of, uart_of_match);
  

  • 内核通过of_match_device函数比对设备节点的compatible属性与驱动的of_device_id列表，找到匹配的驱动​

4.驱动通过platform_device获取设备属性，完成硬件初始化

• 内核提供了一系列of_xxx接口函数，用于从device_node中读取属性值,​
  • 获取 compatible 属性：of_get_property(node, “compatible”, &len)​
  • 获取 reg 属性（地址信息）：of_address_to_resource(node, index, &res)，将 - reg 属性解析为resource结构体（包含起始地址和长度）。​
  • 获取中断属性：irq_of_parse_and_map(node, index)，返回中断号。​
  • 获取 GPIO 属性：of_get_named_gpio(node, “gpios”, index)，返回 GPIO 编号。

      static int uart_probe(struct platform_device *pdev) {struct device_node *node = pdev->dev.of_node;struct resource res;int irq;// 获取寄存器地址of_address_to_resource(node, 0, &res);void __iomem *base = ioremap(res.start, resource_size(&res));// 获取中断号irq = irq_of_parse_and_map(node, 0);// 初始化硬件（如设置波特率、中断使能等）uart_hw_init(base, irq);return 0;}
  

• 驱动获取寄存器地址、中断号、时钟频率等硬件参数后，调用驱动的probe函数完成初始化,例如内存映射（ioremap）、中断注册（request_irq）、时钟使能等操作，最终实现硬件设备的正常工作。

III 总结

• 设备树是嵌入式系统中连接硬件与内核的关键桥梁，通过结构化的节点和属性描述硬件信息，实现了 “硬件描述与内核解耦”。
• 设备树的结构、节点类型、核心属性及编译方法，是嵌入式开发中适配硬件、调试驱动的基础。
• 实际开发中，需结合具体 SOC 和板卡的 datasheet 编写设备树，并通过dtc工具验证语法正确性，最终实现内核对硬件的自动识别与驱动。