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设备树

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arashrun 2026-01-21 16:12:50
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设备树

在嵌入式 Linux 系统中，设备树（Device Tree, DT） 是一套用来描述硬件结构的数据结构。

背景：在早期的 Linux 内核中，硬件的细节（比如某个控制器的寄存器地址、中断号）都硬编码在 C 代码中。这导致内核代码非常臃肿，且不同型号的开发板需要重新编译内核。

作用：设备树实现了**“硬件描述”与“内核代码”的分离**。内核镜像（zImage）是通用的，通过加载不同的设备树文件（DTB），内核就能知道当前运行的硬件环境。

表现形式：

DTS (Device Tree Source)：人类可读的文本文件（类似 JSON 或 C 结构体）。

DTC (Device Tree Compiler)：编译器。

DTB (Device Tree Blob)：编译后的二进制文件，由引导程序（如 U-Boot）传递给内核。

工作流程

设备树是一种用来描述硬件配置的数据结构。它本质上是一棵“树”，由节点和属性组成，用来向操作系统（特别是 Linux）传递硬件的详细信息，从而实现硬件与操作的解耦。

设备树的框架可以从源码组织、逻辑结构和关键语法三个维度来理解：

1. 源码组织形式

在开发过程中，设备树源码（DTS, Device Tree Source）通常遵循以下文件组织框架：

  • .dts 文件：
    • 这是板级描述文件。每一块不同的开发板对应一个 .dts 文件。
    • 描述了该开发板特有的硬件配置（如内存大小、板载外设接口等）。
  • .dtsi 文件：
    • 这是头文件或包含文件（类似 C 语言的 .h）。
    • 通常描述 SoC（片上系统）级的通用硬件配置（如 CPU 核心数量、通用 GPIO 控制器、中断控制器等）。
    • 不同的开发板如果共用同一款 SoC，可以包含同一个 .dtsi 文件，避免代码重复。
  • 编译产物 .dtb (Device Tree Blob)：
    • .dts 文件经过编译器（dtc）编译后，生成二进制的 .dtb 文件。
    • Bootloader（如 U-Boot）在启动内核时，会将 .dtb 加载到内存，并将其地址传递给 Linux 内核。

2. 逻辑结构（树状图）

设备树在逻辑上是一个树状结构，有一个唯一的根节点（/），根节点下包含若干子节点，子节点还可以再包含子节点。

典型框架如下：

/ (根节点)
├── model = "My Board";          /* 板子名称 */
├── compatible = "vendor,board"; /* 兼容性字符串 */
├── #address-cells = <1>;        /* 地址编码格式 */
├── #size-cells = <1>;           /* 长度编码格式 */
│
├── cpus {                       /* CPU 节点 */
│   ├── cpu@0 { ... };
│   └── cpu@1 { ... };
│}
│
├── memory@40000000 {            /* 内存节点 */
│   reg = <0x40000000 0x80000000>;
│}
│
├── chosen {                     /* 系统启动参数 */
│   bootargs = "console=ttyS0,115200 root=/dev/ram";
│}
│
├── soc {                        /* SoC 节点（通常来自 .dtsi）*/
│   ├── compatible = "vendor,soc-name";
│   │
│   ├── serial@... {             /* 串口设备 */
│   │    status = "okay";
│   │    ...属性...
│   };
│   │
│   ├── i2c@... {                /* I2C 总线控制器 */
│   │    status = "okay";
│   │    /* I2C 总线下的从设备 */
│   │    sensor@50 {
│   │        compatible = "vendor,sensor";
│   │        reg = <0x50>;
│   │    };
│   │ };
│   │
│   ├── spi@... { ... };
│   └── gpio@... { ... };
│}

关键区域说明：

  1. 根节点 (/)：树的起点。
  2. CPU 节点 (cpus)：描述多核处理器的拓扑结构。
  3. 内存节点 (memory)：告诉内核物理内存的起始地址和大小。
  4. Chosen 节点 (chosen)：传递内核启动参数或引导加载程序的数据（如 bootargs）。
  5. SoC/Bus 节点 (soc, amba, pci)：作为总线节点，连接各种外设控制器。

3. 核心语法构成

设备树的“叶子”是节点，节点的内容是属性。

A. 节点

节点用名称标识，格式通常为 name@unit-address。

  • name：节点名称（如 serial, gpio, i2c）。
  • unit-address：该节点在寄存器总线上的地址。如果节点没有 reg 属性，通常省略 @unit-address。

B. 属性

属性是键值对，用于描述硬件的具体信息。主要有以下几种形式：

  1. 字符串属性

    • 最重要的是 compatible（兼容性）。
    • 格式："manufacturer,model"。
    • 作用：内核驱动通过匹配这个字符串来绑定驱动程序。
    • 示例：compatible = "arm,cortex-a9";

  2. 数组属性 (reg)

    • 描述寄存器地址或内存映射区域。
    • 格式：一组 address length。
    • 示例：reg = <0x101F2000 0x1000>; (起始地址 0x101F2000，长度 0x1000)。

  3. 逻辑属性

    • 只有属性名，没有值。如果属性存在，则表示“真/开启”；如果不存在，表示“假/关闭”。
    • 示例：status = "okay"; 或 status = "disabled"; (注意 status 也是字符串，但像 interrupts-extended 这种逻辑常用于开启某功能)。

  4. 引用属性 (phandle)

    • 用于节点之间的连接。例如，一个 GPIO 设备需要引用另一个 GPIO 控制器节点。
    • 使用 &label 的方式引用。
    • 示例：pinctrl-0 = <&uart0_pins>;

4. 设备树如何与内核交互（工作原理）

理解框架的最后，需要知道数据是怎么流动的：

  1. 解析：内核启动时，解析 .dtb 文件，将其在内存中展开为链表/树形结构。
  2. 匹配：内核初始化各个驱动时，驱动程序中定义的 of_match_table 会去遍历设备树中的 compatible 属性。
  3. 获取资源：一旦匹配成功，驱动通过 API（如 of_iomap, of_get_interrupt 等）读取节点中的 reg（寄存器地址）、interrupts（中断号）等属性，从而操作硬件。

总结

设备树的框架可以概括为：

  • 形式上：分层的源码（.dts 包含 .dtsi）编译成二进制（.dtb）。
  • 结构上：以 / 为根，向下分支出 CPU、内存、总线、外设。
  • 内容上：节点负责分类（是谁），属性负责描述（有什么、在哪、怎么配）。
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