📚 课程目录第2章设备树基础

2. 设备树基础

2.1 设备树(DTS)概述

设备树(Device Tree)是一种描述硬件资源的数据结构，它使用树形节点来记录系统中所有可寻址设备的属性信息。在嵌入式Linux系统中，设备树源文件(.dts)经过编译生成设备树二进制文件(.dtb)，由bootloader传递给内核，内核解析后完成设备驱动与硬件资源的绑定。

  核心作用： 将硬件描述从内核代码中剥离，实现“同一内核镜像支持不同硬件平台”的目标。

设备树的基本语法遵循以下规则：

每个设备树文件以 /dts-v1/; 开头，表示使用DTS v1版本。
根节点使用 / { }; 表示，所有设备节点都挂在根节点下。
节点名称格式为 node-name@unit-address，其中 unit-address 通常为设备寄存器基地址。
属性使用 key = value; 的形式赋值，支持字符串、整数数组、二进制数据等类型。

提示： 设备树是驱动开发者与硬件工程师之间的“契约文档”，驱动通过设备树获取硬件资源，无需硬编码地址和中断号。

2.2 节点与属性结构

设备树的每个节点代表一个硬件设备或总线，节点内包含描述该设备的关键属性。下表列出了最常用的属性及其用途：

属性名	数据类型	用途说明	示例
`compatible`	字符串列表	设备驱动匹配的关键标识，格式为"厂商,型号"	`"ti,am335x-uart"`
`reg`	整数数组	描述设备寄存器地址空间，格式为(地址, 长度)对	`<0x48020000 0x1000>`
`interrupts`	整数数组	描述设备使用的中断号及触发类型	`<0 12 4>`
`interrupt-parent`	phandle	指定该设备连接的中断控制器	`<&gic>`
`clocks`	phandle列表	指定设备使用的时钟源	`<&clk_uart0>`
`status`	字符串	设备状态，"okay"表示启用，"disabled"表示禁用	`"okay"`

以下是一个典型的UART设备节点示例：

uart0: serial@48020000 {
    compatible = "ti,am335x-uart", "ns16550";
    reg = <0x48020000 0x1000>;
    interrupts = <0 72 4>;
    interrupt-parent = <&intc>;
    clocks = <&clk_uart0_fck>;
    clock-names = "fck";
    status = "okay";
};

2.3 compatible属性与驱动匹配机制

compatible 是设备树中最关键的属性，它建立了硬件节点与内核驱动之间的桥梁。驱动通过 of_match_table 声明自己支持的设备，内核在解析设备树时逐项比对。

匹配规则遵循以下优先级：

内核遍历设备节点的 compatible 字符串列表（从左到右）。
对每个字符串，在已注册驱动的 of_match_table 中查找完全匹配项。
找到匹配项后，调用该驱动的 probe 函数，并传入设备节点信息。

注意： compatible 字符串的命名规范为 "厂商名,设备型号"，例如 "fsl,imx6q-uart"。避免使用过于通用的名称（如 "uart"），防止驱动误匹配。

驱动侧匹配表声明示例：

static const struct of_device_id my_uart_of_match[] = {
    { .compatible = "ti,am335x-uart", },
    { .compatible = "ns16550", },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_uart_of_match);

2.4 reg属性与地址资源描述

reg 属性用于描述设备占用的地址空间，通常包含一个或多个(基地址, 长度)对。驱动通过 platform_get_resource() 系列函数从设备树中提取这些信息。

地址空间的解析依赖于父节点的 #address-cells 和 #size-cells 属性：

#address-cells：表示地址字段占用的32位整数个数，通常为1或2。
#size-cells：表示长度字段占用的32位整数个数，通常为1或2。

例如，对于32位系统：

#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;

spi@48030000 {
    reg = <0x48030000 0x1000>;  // 基址0x48030000，长度0x1000
};

对于64位系统：

#address-cells = <2>;
#size-cells = <2>;

dma@10000000 {
    reg = <0x0 0x10000000 0x0 0x1000>;  // 基址0x10000000，长度0x1000
};

2.5 interrupts属性与中断资源描述

interrupts 属性描述设备使用的中断资源，其格式由父节点（中断控制器）的 #interrupt-cells 决定。常见的中断描述格式如下：

中断控制器类型	#interrupt-cells	字段含义	示例
GIC (ARM通用中断控制器)	3	中断类型(0=SPI, 1=PPI)、中断号、触发类型	`<0 72 4>`
简单中断控制器	1	中断号	`<15>`
带触发类型	2	中断号、触发类型(1=上升沿, 2=下降沿, 4=高电平, 8=低电平)	`<15 4>`

中断触发类型常用宏定义：

IRQ_TYPE_EDGE_RISING = 1
IRQ_TYPE_EDGE_FALLING = 2
IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH = 4
IRQ_TYPE_LEVEL_LOW = 8

最佳实践： 在设备树中尽量使用 interrupt-names 属性为每个中断命名，驱动通过 platform_get_irq_byname() 获取，提高代码可读性。

2.6 设备树结构SVG图

下图展示了一个典型嵌入式系统的设备树层次结构，包含根节点、总线节点、设备节点以及关键属性的关联关系：

2.7 设备树编译与反编译

设备树源文件(.dts)需要编译为二进制文件(.dtb)才能被内核使用。常用工具命令如下：

操作	命令	说明
编译DTS	`dtc -I dts -O dtb -o output.dtb input.dts`	将.dts编译为.dtb
反编译DTB	`dtc -I dtb -O dts -o output.dts input.dtb`	将.dtb反编译为.dts，用于调试
查看设备树	`dtc -I fs -O dts /proc/device-tree`	从运行中的内核导出设备树

调试技巧： 在开发阶段，可以使用 fdtdump 工具快速查看DTB文件内容，或通过 ls /proc/device-tree/ 查看内核解析后的设备树结构。

2.8 设备树包含与复用

设备树支持通过 #include 指令引入头文件和公共片段，实现硬件描述的复用：

// 主设备树文件：board.dts
#include "soc.dtsi"          // 引入SoC公共定义
#include "pinmux.dtsi"       // 引入引脚复用配置
#include <dt-bindings/gpio/gpio.h>  // 引入GPIO宏定义

/ {
    model = "MyBoard v1.0";
    compatible = "mycompany,myboard", "mycompany,myboard-v1";

    &uart0 {
        status = "okay";
        pinctrl-0 = <&uart0_pins>;
        pinctrl-names = "default";
    };
};

通过 &uart0 语法，可以在根节点下引用并覆盖其他文件中定义的节点属性，这是设备树实现“SoC通用描述 + 板级定制”的核心机制。

常见错误： 忘记在设备树中设置 status = "okay" 是导致设备无法被驱动的常见原因。SoC级.dtsi文件通常将外设默认设为 disabled，板级文件需显式启用。

2.9 本章小结

设备树是嵌入式Linux驱动开发的基石，掌握以下要点即可顺利进入后续的Probe流程学习：

节点结构： 树形层次，每个节点代表一个硬件设备或总线。
compatible属性： 驱动匹配的唯一标识，格式为"厂商,型号"。
reg属性： 描述地址空间，配合 #address-cells 和 #size-cells 解析。
interrupts属性： 描述中断资源，格式由中断控制器定义。
包含与覆盖： 使用 #include 和 &node 语法实现硬件描述复用。