📚 课程目录第1章设备树基础概念

1. 设备树基础概念：DTS 的起源、作用与基本语法结构

1.1 设备树的起源：从“硬编码”到“描述式”的演进

在早期的嵌入式 Linux 系统中，板级硬件信息（如内存地址、外设寄存器基址、中断号、GPIO 引脚分配）被直接硬编码在 arch/arm/mach-xxx 下的 C 语言板级文件中。每更换一款硬件平台，就必须修改内核源码并重新编译，导致内核镜像与硬件高度耦合，维护成本急剧上升。

为了解决这一问题，PowerPC 社区率先提出了 设备树（Device Tree） 的概念，随后被 ARM、RISC-V、x86 等架构广泛采纳。设备树的核心思想是：将硬件描述从内核代码中剥离出来，以结构化数据的形式独立存在，内核在启动时解析该数据，动态构建设备模型。

对比维度	传统板级文件方式	设备树方式
硬件描述位置	内核源码 `arch/arm/mach-xxx`	独立的 `.dts` / `.dtsi` 文件
硬件变更影响	需修改内核源码并重新编译	仅修改设备树文件，内核无需重编译
多板支持	每个板子一个内核镜像	同一内核镜像 + 不同设备树文件
驱动与硬件耦合度	高（驱动直接引用板级宏定义）	低（驱动通过设备树节点匹配）

关键理解： 设备树不是“驱动”，而是硬件的“数据清单”。驱动代码通过设备树节点中的属性值来获取硬件参数，实现“数据与逻辑分离”。

1.2 设备树的作用：硬件资源的“结构化清单”

设备树在嵌入式 Linux 启动流程中扮演着 硬件信息传递者 的角色。Bootloader（如 U-Boot）将设备树二进制文件（.dtb）加载到内存，并将首地址传递给内核。内核通过 unflatten_device_tree() 函数将其解析为树状数据结构，供驱动子系统使用。

设备树主要描述以下硬件资源：

CPU 信息：核心数量、架构、时钟频率、缓存大小。
内存布局：物理内存起始地址与大小。
总线与外设：I2C、SPI、UART、MMC、USB 等控制器及其从设备。
中断控制器：中断控制器类型、中断号映射、中断触发方式。
GPIO 控制器与引脚复用：GPIO 控制器基址、引脚功能配置。
时钟与复位：时钟源、分频系数、复位信号连接。
电源管理：电压调节器、电源域、唤醒源。

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。每个节点代表一个硬件设备或总线，属性描述该设备的配置参数。

1.3.1 节点定义与层次关系

/dts-v1/;

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

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

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;  /* 256 MB */
    };

    soc {
        compatible = "simple-bus";
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
        ranges;

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

        i2c0: i2c@10001000 {
            compatible = "vendor,i2c";
            reg = <0x10001000 0x1000>;
            interrupts = <0 34 4>;
            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;
            status = "okay";

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

1.3.2 核心语法要素

语法元素	格式	说明
根节点	`/ { ... };`	设备树的顶层容器，所有设备节点都位于其下
子节点	`node-name@unit-address`	`node-name` 为节点名称，`unit-address` 为设备基址（可选）
标签（label）	`uart0: serial@10000000`	为节点定义别名，便于在其它地方引用或覆盖
属性	`property-name = value;`	描述节点特性，值可以是字符串、整数、数组、二进制数据等
reg 属性	`reg = <address size>;`	描述设备地址空间，由 `#address-cells` 和 `#size-cells` 决定单元长度
compatible 属性	`compatible = "vendor,device";`	驱动匹配的关键字符串，内核通过该属性查找对应驱动
interrupts 属性	`interrupts = <type irq flags>;`	描述中断连接，具体格式由中断控制器定义
status 属性	`status = "okay" / "disabled";`	控制设备是否启用，常用于覆盖机制中动态修改

1.3.3 属性值类型速查

字符串：compatible = "vendor,device";
32 位整数：reg = <0x10000000 0x1000>;
64 位整数：reg = <0x00000000 0x80000000 0x00000000 0x10000000>;（需配合 #address-cells = <2>）
字符串列表：compatible = "vendor,device", "generic,device";
二进制数据：mac-address = [00 11 22 33 44 55];
布尔值：dma-coherent;（仅存在即表示 true）

  实践要点： 编写设备树时，compatible 属性应遵循“具体在前，通用在后”的原则。例如 "vendor,board-v1", "vendor,board"，内核会按顺序匹配驱动，优先使用最具体的驱动。

1.4 设备树如何描述硬件资源：一个完整的实例

以下是一个典型的嵌入式 SoC 设备树片段，展示了如何描述 CPU、内存、中断控制器、GPIO 和 I2C 总线等核心硬件资源：

/dts-v1/;

/ {
    model = "Cortex-A7 Development Board";
    compatible = "myvendor,devboard";

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

    cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;

        cpu@0 {
            device_type = "cpu";
            compatible = "arm,cortex-a7";
            reg = <0x0>;
            clock-frequency = <1000000000>;
        };

        cpu@1 {
            device_type = "cpu";
            compatible = "arm,cortex-a7";
            reg = <0x1>;
            clock-frequency = <1000000000>;
        };
    };

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

    intc: interrupt-controller@1c00000 {
        compatible = "arm,cortex-a7-gic";
        #interrupt-cells = <3>;
        interrupt-controller;
        reg = <0x01c00000 0x1000>,
              <0x01c01000 0x1000>;
    };

    gpio0: gpio@1c20000 {
        compatible = "myvendor,gpio";
        reg = <0x1c20000 0x1000>;
        interrupts = <0 45 4>;
        #gpio-cells = <2>;
        gpio-controller;
    };

    i2c0: i2c@1c30000 {
        compatible = "myvendor,i2c";
        reg = <0x1c30000 0x1000>;
        interrupts = <0 46 4>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        clock-frequency = <100000>;
        status = "okay";

        temp_sensor: sensor@48 {
            compatible = "national,lm75";
            reg = <0x48>;
        };
    };
};

1.5 设备树覆盖机制的引入背景

在实际嵌入式项目中，经常遇到以下场景：

硬件变体：同一款 SoC 被用于多个不同外设配置的板卡。
扩展模块：通过接插件连接不同的子板（如摄像头、显示屏、传感器模块）。
运行时配置：系统启动后根据硬件检测结果动态启用或禁用某些设备。

如果为每种组合都维护一份完整的 .dts 文件，会导致文件数量爆炸式增长，且维护困难。设备树覆盖（Device Tree Overlay） 机制应运而生：它允许在基础设备树（base DTB）之上，动态加载或卸载增量修改片段（.dtbo），实现硬件描述的模块化与运行时灵活性。