深入解析 Linux Kernel 中的设备树：使用、修改与实际应用

什么是设备树？基础概念与结构

设备树（Device Tree，简称 DT）是一种数据结构，用于描述硬件配置，而非通过代码硬编码。它源于 OpenFirmware 标准，后来被 Linux Kernel 采用，尤其在 ARM、PowerPC 和 RISC-V 等架构中广泛使用。

核心组件

• 设备树源文件（.dts 文件）：这是人类可读的文本文件，使用类似 C 的语法描述硬件。每个节点代表一个设备或总线，属性（properties）定义其特性，如地址、引脚和兼容字符串。
• 设备树二进制文件（.dtb 文件）：通过编译 .dts 生成的二进制 blob，内核在启动时加载它。
• 设备树覆盖（.dtbo 文件）：用于动态修改设备树，常用于插件模块或运行时调整。

设备树的结构是一个树状层次：

• 根节点（/）：代表整个系统。
• 子节点：如 /cpus、/memory、/soc（System on Chip）。
• 属性示例：
  • compatible：字符串列表，定义设备兼容的驱动（如 “ti,am335x-bone-black”）。
  • reg：寄存器地址和大小。
  • interrupts：中断号。
  • phandle：节点引用，用于交叉链接。

例如，一个简单的 .dts 片段：

/ {model = "My Custom Board";compatible = "mycompany,mycustomboard";chosen {bootargs = "console=ttyO0,115200n8";};memory@0 {device_type = "memory";reg = <0x80000000 0x20000000>;  /* 512MB RAM at 0x80000000 */};
};

这定义了板子型号、兼容性、引导参数和内存布局。

设备树的使用：从加载到驱动绑定

加载过程

1. Bootloader 阶段：如 U-Boot，将 .dtb 加载到内存，并传递给内核（通过 ATAGS 或 DTB 指针）。
2. 内核初始化：Kernel 解析 DT，构建设备模型（device model）。函数如 of_find_node_by_path() 用于查找节点。
3. 驱动绑定：内核使用 compatible 属性匹配驱动。驱动通过 of_match_device() 获取配置。

实际使用场景

在嵌入式系统中，设备树简化了多板支持。例如，同一内核映像可通过不同 .dtb 运行在多种硬件上。调试时，用 dtc 工具反编译 .dtb：dtc -I dtb -O dts -o output.dts input.dtb。

设备树的修改：自定义硬件配置

修改设备树是嵌入式开发的常态，尤其是添加新设备或调整引脚。过程包括编辑 .dts、编译和测试。

修改步骤

1. 找到源文件：Kernel 源代码的 arch/arm/boot/dts/ 或 arch/arm64/boot/dts/ 目录下有 .dts 文件。复制一个相似的作为模板。
2. 编辑节点：
   • 添加设备：创建新节点，指定父总线（如 i2c@0）。
   • 修改属性：如更改 GPIO 引脚或时钟频率。
3. 编译：
   • 用 Device Tree Compiler（dtc）：dtc -I dts -O dtb -o output.dtb input.dts。
   • 在 Kernel 构建中：make dtbs 生成所有 .dtb。
4. 测试：烧写到设备，检查 /proc/device-tree/ 或用 dtc 验证。

注意：修改后需确保兼容性。使用 #include 包含通用 .dtsi 文件，以复用代码。

常见 pitfalls 与注意事项

• 兼容性实现：compatible 属性是关键。它允许多级回退，例如 “mycompany,custom-gpu”, “generic-gpu”。内核优先匹配最具体的驱动，如果失败则回退。这对于 GPU 等复杂设备尤为重要——如 NVIDIA GPU 的 Tegra 系列，使用 DT 定义 VRAM 和中断，避免硬编码。
• 引脚复用：许多 SoC 有 pinmux 系统，在 DT 中用 pinctrl 属性配置。
• 调试工具：用 fdt 命令在 U-Boot 中查看/修改 DT；内核日志（dmesg）显示解析错误。

实际示例：常见设备的设备树配置

让我们通过具体例子讲解，如 GPIO、CLK、I2C，以及 MPU6050、Flash、SD 卡和 RGB 屏（假设 RGB40 指 RGB LCD 显示屏）。

示例 1: GPIO（通用输入输出）

GPIO 用于控制 LED、按钮等。

gpio-leds {compatible = "gpio-leds";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&led_pins>;status-led {label = "status";gpios = <&gpio1 12 GPIO_ACTIVE_HIGH>;default-state = "on";};
};

• 修改：更改 gpios 的引脚号，编译后 LED 会自动点亮。
• 驱动：内核的 gpio-leds 驱动自动绑定。

示例 2: CLK（时钟）

时钟管理确保设备同步。

clocks {#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;osc: oscillator {compatible = "fixed-clock";#clock-cells = <0>;clock-frequency = <24000000>;};
};

• 修改：调整 clock-frequency 以匹配晶振。
• 使用：其他节点引用它，如 clocks = <&osc>;。

示例 3: I2C（总线）

I2C 用于连接传感器。

i2c@7000c000 {compatible = "ti,omap4-i2c";reg = <0x7000c000 0x100>;interrupts = <56>;#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;clock-frequency = <400000>;mpu6050@68 {compatible = "invensense,mpu6050";reg = <0x68>;interrupt-parent = <&gpio1>;interrupts = <18 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;};
};

• MPU6050（IMU 传感器）：添加此节点，定义地址和中断。修改：调整中断引脚以适配你的板子。
• 驱动修改：如果需要自定义，编辑 drivers/iio/imu/mpu6050.c，使用 of_property_read_*() 读取 DT 属性。

示例 4: Flash（NAND 或 SPI Flash）

用于存储固件。

spi0 {flash@0 {compatible = "jedec,spi-nor";reg = <0>;spi-max-frequency = <40000000>;m25p,fast-read;partition@0 {label = "boot";reg = <0x00000000 0x00040000>;};};
};

• 修改：更改分区大小，编译后用 mtd-utils 访问。

示例 5: SD 卡（MMC/SD）

mmc1 {compatible = "ti,omap4-hsmmc";reg = <0x4809c000 0x400>;interrupts = <83>;ti,needs-special-reset;dmas = <&sdma 61>, <&sdma 62>;dma-names = "tx", "rx";bus-width = <4>;cd-gpios = <&gpio6 27 GPIO_ACTIVE_LOW>;  /* Card detect */
};

• 修改：调整 bus-width 为 8 以支持更快速度。

示例 6: RGB 屏（LCD 显示，如 RGB40 接口）

假设是一个并行 RGB 接口的 LCD。

panel {compatible = "simple-panel";power-supply = <&vcc_lcd>;backlight = <&backlight>;port {panel_in: endpoint {remote-endpoint = <&dpi_out>;};};
};dpi: dpi@0 {compatible = "ti,dpi";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&dpi_pins>;
};

• 修改：定义分辨率如 display-timings { ... };。对于 GPU 兼容：如果使用 DRM 驱动，确保 compatible 匹配如 “rockchip,rk3288-mali”，DT 中添加 VRAM 分配。
• 注意：GPU 如 Mali 或 Adreno，需要 DT 定义时钟、电源域和中断，以实现无缝集成。

这些示例基于常见 SoC 如 TI OMAP 或 Rockchip。实际中，从板子供应商的 .dts 开始修改。

高级话题：兼容性与最佳实践

• 兼容性实现（如 GPU）：DT 的 compatible 允许多厂商支持。例如，GPU 节点可有 “arm,mali-400”, “generic-gpu”，内核驱动使用列表匹配。修改时，优先添加具体字符串，避免破坏上游兼容。
• 最佳实践：
  • 用 .dtsi 抽象通用部分。
  • 验证：用 dtc -W 检查警告。
  • 版本控制：Kernel 5.x+ 支持更多绑定（如 YAML schema 检查）。
  • 安全：启用 DT 签名以防篡改。