📚 课程目录第1章设备树概述

1. 设备树概述：DTS 的起源、作用与基本概念

1.1 为什么 Linux 内核需要设备树？

在早期的 Linux 内核（2.6 及之前版本）中，嵌入式平台的硬件描述信息被直接硬编码在 arch/arm/ 或 arch/powerpc/ 等目录下的 C 语言源文件中。这种“硬编码”方式带来了严重的维护问题：

代码膨胀：每增加一款开发板，就需要新增或修改大量 board-*.c 文件。
内核与硬件耦合：更换外设或调整内存映射必须重新编译内核。
碎片化：不同厂商的板级代码风格各异，社区难以统一维护。

为了解决上述痛点，Linux 社区从 PowerPC 架构引入并推广了 设备树（Device Tree） 机制。设备树将硬件描述从内核源码中剥离，形成一份独立的数据结构，由 bootloader 传递给内核。内核在启动时解析设备树，动态识别硬件拓扑、寄存器地址、中断号、时钟频率等关键信息。

  核心思想：“描述硬件，而非编写硬件代码”。设备树让同一份内核镜像可以支持多种硬件平台，只需更换不同的 .dts 文件即可。

1.2 设备树的起源与发展

时间	里程碑	说明
2005 年	PowerPC 率先采用	Open Firmware 的 FDT（Flattened Device Tree）概念被引入 Linux PowerPC 架构。
2011 年	ARM 架构开始迁移	Linux 3.x 系列内核中，ARM 社区启动“设备树化”改造，逐步淘汰 board 文件。
2014 年	ARM64 强制要求	从 Linux 3.19 开始，ARM64（AArch64）平台必须使用设备树启动。
至今	全架构普及	RISC-V、MIPS、X86（ACPI 为主）等架构也支持或兼容设备树。

1.3 设备树的基本概念

设备树由三个层次的文件组成，它们共同描述硬件：

.dts（Device Tree Source）：设备树源文件，人类可读的文本格式，使用 C 风格的预处理器宏。
.dtsi（Device Tree Source Include）：设备树头文件/包含文件，通常存放 SoC 公共硬件描述，可被多个 .dts 引用。
.dtb（Device Tree Blob）：设备树二进制文件，由 dtc（Device Tree Compiler）编译 .dts 生成，是内核实际解析的格式。

编译流程：
.dts + .dtsi → dtc 编译器 → .dtb → bootloader 加载 → 内核解析

1.4 设备树的核心数据结构

设备树在内存中以“扁平化”的树形结构存在，每个节点代表一个硬件设备或总线。关键数据结构包括：

概念	语法表示	作用
节点（Node）	`device_name@address { };`	描述一个硬件设备或总线控制器。
属性（Property）	`reg = <0x10000000 0x1000>;`	描述设备的寄存器地址、中断号、时钟等参数。
兼容性（compatible）	`compatible = "vendor,device";`	用于内核匹配驱动，是设备树与驱动绑定的关键。
中断（interrupts）	`interrupts = <0 29 4>;`	指定设备使用的中断控制器、中断号和触发类型。

1.5 设备树与 Linux 驱动的绑定关系

设备树是驱动与硬件之间的“桥梁”。驱动通过 of_match_table 匹配设备树中的 compatible 属性，从而获得硬件资源：

// 驱动侧：定义匹配表
static const struct of_device_id my_driver_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,my-device", },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_driver_of_match);

// 驱动侧：在 probe 中读取设备树资源
static int my_probe(struct platform_device *pdev) {
    struct resource *res;
    void __iomem *base;

    res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
    // ... 初始化硬件
    return 0;
}

注意：设备树只描述硬件“有什么”和“在哪里”，不描述硬件“怎么用”。驱动仍然需要实现具体的寄存器操作逻辑。

1.6 设备树整体架构图

1.7 设备树带来的核心价值

维度	传统硬编码方式	设备树方式
硬件变更	需修改 C 代码，重新编译内核	只需修改 .dts，重新编译 DTB
内核镜像	每个板子一个专属镜像	同一镜像支持多板，通过 DTB 区分
社区维护	board 文件大量重复，难以合并	设备树文件独立，易于审查和复用
驱动开发	驱动需硬编码地址和中断号	驱动通过 API 读取设备树，自动适配

1.8 一个简单的设备树示例

// 文件：myboard.dts
/dts-v1/;

#include "soc-common.dtsi"

/ {
    model = "MyBoard v1.0";
    compatible = "vendor,myboard", "vendor,soc";

    chosen {
        stdout-path = &uart0;
    };

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

    uart0: serial@10000000 {
        compatible = "vendor,uart";
        reg = <0x10000000 0x1000>;
        interrupts = <0 33 4>;
        clock-frequency = <24000000>;
    };

    gpio0: gpio@10001000 {
        compatible = "vendor,gpio";
        reg = <0x10001000 0x100>;
        interrupts = <0 34 4>;
        gpio-controller;
        #gpio-cells = <2>;
    };
};

关键点解析：

/dts-v1/; 声明设备树版本，必须位于文件开头。
#include "soc-common.dtsi" 引入 SoC 公共描述，避免重复。
compatible 属性是驱动匹配的核心标识，格式通常为 "厂商,设备型号"。
reg 属性描述地址空间，格式为 <起始地址长度>。
interrupts 属性描述中断控制器、中断号和触发类型。

1.9 设备树在 Linux 启动流程中的位置

1.10 本章小结

设备树解决了 Linux 内核硬件描述与代码耦合的历史问题，是嵌入式 Linux 开发的基石。
设备树由 .dts / .dtsi 源文件通过 dtc 编译为 .dtb 二进制，由 bootloader 加载并传递给内核。
设备树的核心是“节点 + 属性”的树形结构，compatible 属性是驱动匹配的关键。
掌握设备树语法和绑定规则，是编写高质量 Linux 驱动的必备技能。