1. 设备树基础概念

1.1 什么是设备树（Device Tree）

设备树（Device Tree，DT）是一种描述硬件资源的数据结构，它使用节点（node）和属性（property）的树形层次来向操作系统内核传递平台硬件信息。在嵌入式 Linux 系统中，设备树文件通常以 .dts（Device Tree Source）为扩展名，经过编译生成 .dtb（Device Tree Blob）二进制文件，由 Bootloader 加载并传递给内核。

设备树的核心思想是：将硬件描述从内核代码中剥离出来，使同一份内核镜像可以支持多种硬件平台，而无需为每种板卡重新编译内核。

一个典型的设备树节点结构如下：

/dts-v1/;

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

    cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a8";
            device_type = "cpu";
            reg = <0x0>;
        };
    };

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x20000000>;  /* 512 MB */
    };

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

1.2 为什么需要设备树

在设备树出现之前（Linux 2.6 ~ 3.x 早期），ARM 架构的嵌入式平台采用 board file 方式描述硬件。每个板卡对应一个 arch/arm/mach-xxx/board-xxx.c 文件，其中硬编码了 GPIO、中断、时钟、I2C 设备等所有硬件信息。这种方式带来了严重的问题：

• 代码冗余：同一 SoC 的不同板卡需要大量重复的 board file，内核源码树中 board file 数量爆炸式增长。
• 维护困难：每次新增板卡都需要修改内核源码，无法做到内核镜像与硬件平台解耦。
• 社区分裂：ARM 架构的板级代码占用了内核维护者大量精力，导致主线内核对新硬件的支持滞后。
• 启动参数混乱：硬件资源（如 GPIO 编号、中断号）在 board file 中硬编码，不同板卡之间无法复用。

设备树解决了上述问题的核心路径：

1. 硬件描述与内核代码分离：硬件信息写在 .dts 文件中，内核只负责解析，不再硬编码板级细节。
2. 单一内核镜像支持多平台：Bootloader 根据实际硬件加载对应的 .dtb 文件，内核无需重新编译。
3. 社区统一规范：设备树规范由 ePAPR（Embedded Power Architecture Platform Requirements）标准定义，后被 Devicetree.org 接管，成为嵌入式 Linux 硬件描述的事实标准。
4. 驱动可移植性提升：驱动通过设备树中的 compatible 字符串匹配硬件，不再依赖板级代码中的静态定义。

1.3 设备树与 ACPI 的区别

ACPI（Advanced Configuration and Power Interface）是 x86/x86_64 平台广泛使用的硬件描述和电源管理标准。设备树与 ACPI 虽然都承担着向操作系统传递硬件信息的职责，但二者在设计哲学、使用场景和实现方式上有本质区别。

在实际工程中，选择设备树还是 ACPI 通常由平台架构决定：

• ARM 嵌入式（Cortex-A/M 系列）：几乎全部使用设备树，包括 NXP i.MX、TI AM335x、Rockchip RK3588、Allwinner 等。
• x86 桌面/服务器：强制使用 ACPI，设备树在 x86 平台极少使用。
• ARM64 服务器：部分平台（如 Ampere Altra、华为鲲鹏）同时支持 ACPI 和设备树，但 ACPI 是首选。
• RISC-V：目前以设备树为主，ACPI 支持正在推进中。

1.4 设备树在嵌入式 Linux 启动流程中的位置

理解设备树在整个系统启动流程中的角色，有助于把握其重要性。一个典型的嵌入式 Linux 启动流程如下：

1. ROM Bootloader：芯片上电后执行固化在 ROM 中的启动代码，加载 SPL（Secondary Program Loader）或第一阶段 Bootloader。
2. SPL / U-Boot SPL：初始化 DDR 时钟和基本外设，加载完整的 U-Boot。
3. U-Boot（或其它 Bootloader）：完成更复杂的硬件初始化，从存储介质（eMMC、SD 卡、NAND Flash）读取内核镜像（zImage 或 Image）和设备树文件（.dtb）。
4. 内核启动：U-Boot 将内核镜像和设备树加载到内存中，设置启动参数，跳转到内核入口点。
5. 内核解析设备树：内核在启动早期调用 unflatten_device_tree() 将 DTB 展开为内核内部的 device_node 树，然后遍历节点创建 platform_device、i2c_client、spi_device 等。
6. 驱动匹配与初始化：总线驱动根据设备树中的 compatible、reg、interrupts 等属性匹配对应的驱动，完成硬件初始化。

1.5 本章小结