📚 课程目录第2章设备树基础

2. 设备树基础：DTS 的起源、语法结构与核心概念

设备树（Device Tree）是嵌入式 Linux 驱动开发中用于描述硬件拓扑结构的一种数据结构。它解决了传统板级文件（board-*.c）中硬件信息硬编码、代码冗余、难以维护的问题，是驱动架构分层重构的基石。

2.1 设备树的起源与设计动机

在 Linux 内核早期，ARM 架构的每个开发板都需要在 arch/arm/mach-* 下编写大量板级文件，用于注册平台设备、定义内存地址、中断号等硬件信息。这种模式导致内核代码膨胀、不同板卡间代码重复率高、维护成本急剧上升。

  核心痛点： 硬件描述与驱动代码强耦合，每增加一个新板卡，就需要修改内核源码并重新编译。

设备树（Flattened Device Tree, FDT）最初源于 Open Firmware（IEEE 1275）规范，由 PowerPC 架构引入，后被 ARM、RISC-V、X86 等架构广泛采用。其核心思想是：将硬件描述从内核源码中剥离，以独立的数据结构（DTS）传递给内核，驱动通过解析设备树获取硬件资源，实现“一套内核镜像，支持多个板卡”。

2.2 DTS 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）描述硬件。每个节点代表一个硬件设备或总线，属性描述设备的配置参数。

2.2.1 基本语法规则

节点定义： node-name@unit-address { ... };，其中 unit-address 通常为寄存器基地址。
属性赋值： property-name = value;，支持多种数据类型。
标签（Label）： label: node-name@addr { ... };，用于在 DTS 中引用节点。
包含文件： #include "soc.dtsi"，复用通用硬件描述。
注释： 支持 C 风格 /* */ 和 C++ 风格 //。

提示： DTS 文件经过 DTC（Device Tree Compiler）编译生成二进制 DTB（Device Tree Blob），由 bootloader 传递给内核。

2.2.2 完整 DTS 示例

// 根节点
/ {
    model = "Embedded Board Rev 2.0";
    compatible = "vendor,board-rev2", "vendor,board";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;

    // CPU 节点
    cpu@0 {
        compatible = "arm,cortex-a7";
        reg = <0x0>;
        device_type = "cpu";
    };

    // 内存节点
    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x40000000>;  // 1GB RAM
    };

    // UART 控制器节点
    uart0: serial@1c090000 {
        compatible = "vendor,uart";
        reg = <0x1c090000 0x1000>;
        interrupts = <0 37 4>;
        clock-frequency = <24000000>;
        status = "okay";
    };

    // I2C 控制器及子设备
    i2c0: i2c@1c0a0000 {
        compatible = "vendor,i2c";
        reg = <0x1c0a0000 0x1000>;
        interrupts = <0 38 4>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        status = "okay";

        eeprom@50 {
            compatible = "atmel,24c02";
            reg = <0x50>;
            pagesize = <8>;
        };
    };
};

2.3 节点与属性的核心概念

2.3.1 节点（Node）

节点是设备树的基本组成单元，每个节点对应一个硬件设备、总线或功能模块。节点通过路径（path）唯一标识，例如 /soc/uart@1c090000。

节点类型	说明	示例
根节点	设备树的顶层节点，用 `/` 表示	`/ { ... };`
设备节点	描述具体外设或控制器	`uart0: serial@1c090000`
总线节点	描述总线控制器，可包含子节点	`i2c0: i2c@1c0a0000`
子节点	挂载在总线下的从设备	`eeprom@50`
别名节点	通过 `aliases` 提供快捷引用	`aliases { uart0 = &uart0; };`

2.3.2 属性（Property）

属性是节点的配置参数，驱动通过解析属性获取硬件资源。常用属性包括：

属性名	数据类型	说明	示例
`compatible`	字符串列表	设备兼容性标识，驱动匹配的关键	`"vendor,uart"`
`reg`	u32/u64 数组	寄存器地址和长度	`<0x1c090000 0x1000>`
`interrupts`	u32 数组	中断号、触发类型等	`<0 37 4>`
`status`	字符串	设备状态：`okay` / `disabled`	`"okay"`
`#address-cells`	u32	子节点 `reg` 中地址字段的 cell 数	`<1>`
`#size-cells`	u32	子节点 `reg` 中长度字段的 cell 数	`<1>`
`clock-frequency`	u32	时钟频率（Hz）	`<24000000>`

2.4 设备树层次结构与寻址

设备树的树形结构反映了硬件的物理拓扑。根节点下通常包含 cpus、memory、soc（片上系统）等顶层节点。soc 节点下再挂载各类外设控制器，形成层次化描述。

2.5 设备树在驱动架构中的角色

设备树是驱动架构分层重构的“硬件描述层”。它将硬件配置信息从驱动代码中解耦，驱动只需通过标准 API 读取设备树属性，即可获取寄存器地址、中断号、时钟频率等资源。

关键原则： 驱动代码中不应出现任何硬编码的寄存器地址或中断号。所有硬件资源必须通过设备树传递，这是分层重构的基本要求。

驱动与设备树的交互流程如下：

设备树编译： .dts 文件通过 DTC 编译为 .dtb 二进制文件。
Bootloader 传递： U-Boot 等 bootloader 将 DTB 加载到内存，并将地址传递给内核。
内核解析： 内核在启动时解析 DTB，构建 device_node 树结构。
驱动匹配： 驱动通过 compatible 属性与设备节点匹配，触发 probe 函数。
资源获取： 驱动使用 of_iomap()、irq_of_parse_and_map() 等 API 获取寄存器地址和中断号。

2.6 本章小结

设备树将硬件描述从内核源码中解耦，是驱动架构分层重构的硬件描述层。
DTS 采用树形结构，节点代表设备，属性描述配置参数。
compatible 属性是驱动匹配的关键，reg 和 interrupts 是获取硬件资源的核心属性。
驱动应通过 of_* API 读取设备树，禁止硬编码寄存器地址和中断号。