4、设备树基础概念：设备树源文件（DTS）、编译（DTC）、扁平设备树（FDT）与绑定文档

设备树（Device Tree）是一种描述硬件资源的数据结构，用于将非可枚举的硬件信息从内核源码中剥离，传递给操作系统。在 ARM、RISC-V 等架构中，设备树已取代了传统的 board-*.c 硬编码方式。本节将深入剖析设备树的四个核心概念：DTS（源文件）、DTC（编译器）、FDT（扁平二进制）与绑定文档（Binding Documentation）。

4.1 设备树源文件（DTS）

DTS（Device Tree Source）是设备树的文本表示形式，采用树形结构描述硬件拓扑。每个硬件设备对应一个节点（node），节点包含属性（property），属性以键值对形式定义设备参数。

4.1.1 DTS 文件类型

4.1.2 DTS 基本语法

/dts-v1/;

#include "soc.dtsi"

/ {
    model = "Embedded Device Board v1.0";
    compatible = "vendor,board-v1", "vendor,board";

    chosen {
        bootargs = "console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2";
    };

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x0 0x80000000 0x0 0x20000000>;
    };

    uart0: serial@1c090000 {
        compatible = "vendor,uart-ip", "ns16550a";
        reg = <0x1c090000 0x1000>;
        interrupts = <0 37 4>;
        clock-frequency = <24000000>;
        status = "okay";
    };
};

4.2 DTC 编译器

DTC（Device Tree Compiler）将人类可读的 DTS 源文件编译为内核可解析的扁平设备树二进制（FDT）。DTC 也支持反编译（DTB → DTS）和叠加层编译。

4.2.1 编译流程

1. 预处理：通过 C 预处理器（cpp）展开 #include 和宏定义。
2. 语法解析：DTC 解析 DTS 的树形结构，构建内部节点树。
3. 属性合并：处理 /delete-node/、/delete-property/ 等覆盖操作。
4. 扁平化编码：将树形结构转换为 FDT 格式的二进制块。
5. 输出：生成 .dtb 文件，或通过 -@ 选项生成带符号的叠加层。

4.2.2 常用命令

# 编译 DTS → DTB
dtc -I dts -O dtb -o board.dtb board.dts

# 反编译 DTB → DTS
dtc -I dtb -O dts -o board.dts board.dtb

# 编译叠加层（带符号）
dtc -I dts -O dtb -@ -o overlay.dtbo overlay.dts

# 检查 DTB 格式
dtc -I dtb -O dts board.dtb | head -50

4.3 扁平设备树（FDT）

FDT（Flattened Device Tree）是设备树的运行时二进制格式，由 DTC 编译生成。FDT 是一个紧凑的、可线性遍历的二进制块，包含节点、属性、字符串表和内存保留映射。

4.3.1 FDT 二进制布局

4.3.2 FDT 在内核中的传递

Bootloader（如 U-Boot）将 FDT 二进制块加载到内存中，通过特定寄存器（ARM 的 r2、RISC-V 的 a1）将 FDT 地址传递给内核。内核启动早期调用 unflatten_device_tree() 将 FDT 展开为内存中的 struct device_node 树。

// 内核 FDT 解析核心函数（位于 drivers/of/fdt.c）
void __init unflatten_device_tree(void)
{
    // 从 boot_params 获取 FDT 基地址
    void *fdt = initial_boot_params;
    if (!fdt)
        return;

    // 校验 FDT 魔数
    if (fdt_check_header(fdt) != 0)
        panic("Invalid device tree blob");

    // 展开为 device_node 树
    of_fdt_unflatten_tree(fdt, NULL, &of_root);
}

4.4 绑定文档（Binding Documentation）

绑定文档是设备树的规范说明书，定义了每个 compatible 字符串对应的节点必须包含哪些属性、可选属性、属性类型和取值范围。绑定文档是驱动开发者与设备树编写者之间的契约。

4.4.1 绑定文档的演进

4.4.2 YAML 绑定文档示例

# SPDX-License-Identifier: (GPL-2.0-only OR BSD-2-Clause)
%YAML 1.2
---
$id: "http://devicetree.org/schemas/serial/vendor,uart.yaml#"
$schema: "http://devicetree.org/meta-schemas/core.yaml#"

title: Vendor UART Controller

maintainers:
  - Your Name <your@email.com>

properties:
  compatible:
    items:
      - enum:
          - vendor,uart-ip
          - vendor,uart-ip-v2
      - const: ns16550a

  reg:
    maxItems: 1

  interrupts:
    maxItems: 1

  clock-frequency:
    description: UART 参考时钟频率，单位 Hz
    $ref: /schemas/types.yaml#/definitions/uint32

  status:
    description: 设备状态
    enum: [okay, disabled, reserved]

required:
  - compatible
  - reg
  - interrupts

additionalProperties: false

4.5 本章小结

• DTS 是设备树的文本源文件，采用树形结构描述硬件，.dtsi 用于 SoC 级复用。
• DTC 将 DTS 编译为 FDT 二进制，支持预处理、覆盖、叠加层等高级功能。
• FDT 是内核运行时解析的紧凑二进制格式，Bootloader 通过寄存器传递 FDT 地址。
• 绑定文档 是设备树的“语法书”，YAML 格式支持自动化校验，确保 DTS 与驱动的一致性。
• 四者形成完整链路：绑定文档约束 DTS → DTC 编译为 FDT → 内核解析 FDT → 驱动匹配设备。