1. 设备树基础：设备树(DTS)的起源、作用与基本语法结构

1.1 设备树的起源与背景

在早期的 Linux 内核中，板级硬件信息（如内存基址、中断号、GPIO 映射）被硬编码在 arch/arm/mach-xxx 目录下的 C 语言板文件中。这种“代码即配置”的方式导致内核源码充斥着大量重复的、与平台相关的硬件描述代码，每增加一款新硬件就需要修改内核源码并重新编译。

为解决上述问题，PowerPC 社区率先提出了 设备树（Device Tree） 概念，随后被 ARM、RISC-V、MIPS 等架构广泛采纳。设备树是一种描述硬件资源的、与操作系统无关的数据结构，它将硬件配置从内核代码中剥离出来，以 .dts（Device Tree Source）文本文件的形式独立存在，编译后生成 .dtb（Device Tree Blob）二进制文件，由 bootloader 传递给内核。

1.2 设备树的核心作用

设备树在 Linux 内核启动过程中扮演着“硬件翻译官”的角色，其核心作用可归纳为以下四点：

1. 硬件资源描述： 向内核传递 CPU 数量、内存布局、外设寄存器地址、中断号、DMA 通道、时钟频率等硬件参数。
2. 驱动匹配： 通过 compatible 属性将设备节点与对应的驱动程序绑定，实现“设备-驱动”的自动匹配。
3. 配置灵活性： 允许在不修改内核源码的前提下，通过修改 DTS 文件来调整引脚复用、中断触发方式、电源管理等板级参数。
4. 多平台统一： 同一份内核镜像可以加载不同的 DTB 文件，从而支持多种硬件平台，实现“一次编译，到处运行”。

1.3 设备树的基本语法结构

设备树源文件（.dts）采用树形层次结构，以节点（node）和属性（property）为核心元素。以下是一个典型的设备树片段：

/dts-v1/;

/ {
    model = "TI AM335x BeagleBone Black";
    compatible = "ti,am335x-bone-black", "ti,am335x-bone", "ti,am33xx";

    chosen {
        stdout-path = &uart0;
    };

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;  /* 512 MB */
    };

    leds {
        compatible = "gpio-leds";
        led0 {
            label = "beaglebone:green:usr0";
            gpios = <&gpio1 21 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
            linux,default-trigger = "heartbeat";
        };
    };

    uart0: serial@44e09000 {
        compatible = "ti,am3352-uart", "ti,omap3-uart";
        reg = <0x44e09000 0x2000>;
        interrupts = <72>;
        clocks = <&uart0_clk>;
    };
};

1.3.1 节点（Node）

节点是设备树的基本组成单元，每个节点代表一个硬件设备或一个逻辑功能块。节点名称格式为 node-name@unit-address，其中 unit-address 通常为设备寄存器基址，用于区分同一层级下的同名节点。

• 根节点： 用 / 表示，是整个设备树的起点，包含所有其他节点。
• 子节点： 在根节点内部通过缩进定义，可以嵌套多层。
• 标签（Label）： 如 uart0:，用于在 DTS 文件中引用节点，编译时会被替换为节点的路径。

1.3.2 属性（Property）

属性用于描述节点的特征，采用 key = value; 的形式。常见的属性类型包括：

1.3.3 标准属性详解

设备树规范定义了一系列标准属性，用于统一硬件描述方式：

• compatible： 最重要的属性，格式为 "厂商,设备型号"，内核通过该属性查找匹配的驱动程序。匹配顺序为从最具体到最通用。
• reg： 描述设备地址空间，格式为 <基址 长度>，可包含多组地址。
• interrupts： 描述设备使用的中断号，具体含义由父节点的 #interrupt-cells 决定。
• status： 设备状态，常用值包括 "okay"（启用）、"disabled"（禁用）、"fail"（故障）。
• device_type： 早期规范遗留属性，主要用于内存节点（device_type = "memory"），新设备建议避免使用。

1.4 设备树层次结构与寻址

设备树的树形结构通过父子节点关系来体现硬件的总线拓扑。每个节点可以包含 #address-cells 和 #size-cells 属性，用于定义子节点 reg 属性中地址和长度的编码位数。

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

    gpio0: gpio@44e07000 {
        compatible = "ti,omap4-gpio";
        reg = <0x44e07000 0x1000>;
        interrupts = <96>;
        #gpio-cells = <2>;
        gpio-controller;
    };

    i2c0: i2c@44e0b000 {
        compatible = "ti,omap4-i2c";
        reg = <0x44e0b000 0x1000>;
        interrupts = <70>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;

        eeprom@50 {
            compatible = "atmel,24c32";
            reg = <0x50>;
        };
    };
};

在上例中：

• soc 节点定义 #address-cells = <1> 和 #size-cells = <1>，因此其子节点（如 gpio0）的 reg 包含两个 32 位整数：基址和长度。
• i2c0 节点定义 #size-cells = <0>，因此其子节点（如 eeprom@50）的 reg 只包含一个 32 位整数：I2C 从设备地址。

1.5 设备树编译与使用流程

设备树的完整工作流程包括编写、编译、加载和解析四个阶段：

1. 编写 DTS： 开发者根据硬件原理图编写 .dts 源文件，或通过 #include 包含 .dtsi（设备树包含文件）来复用 SoC 公共定义。
2. 编译 DTB： 使用 dtc（Device Tree Compiler）工具将 .dts 编译为二进制 .dtb 文件。
3. 加载 DTB： Bootloader（如 U-Boot）从存储介质（eMMC、SD 卡、网络）读取 .dtb 文件，并将其加载到内存中，将地址传递给内核。
4. 内核解析： 内核启动早期调用 unflatten_device_tree() 函数，将 DTB 展开为 device_node 树结构，供驱动子系统使用。

# 编译设备树
dtc -I dts -O dtb -o am335x-boneblack.dtb am335x-boneblack.dts

# 反编译设备树（调试用）
dtc -I dtb -O dts -o am335x-boneblack.dts am335x-boneblack.dtb

1.6 设备树结构总览图

下图展示了设备树从源文件到内核解析的完整结构关系：

1.7 本章小结

设备树是嵌入式 Linux 开发中不可或缺的硬件描述语言，它将硬件配置从内核代码中解耦出来，极大地提高了代码的可移植性和可维护性。掌握 DTS 的基本语法——节点、属性、标准属性以及地址编码规则——是后续学习中断控制器、GPIO 配置、时钟管理等高级主题的基础。