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Linux 驱动开发基础(1)—— 设备树详解

  • 2026-09-10 12:41:13
Linux 驱动开发基础(1)—— 设备树详解

Linux 驱动开发基础(1)—— 设备树详解

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掌握设备树是 Linux 驱动开发人员的必备技能。本节我们将深入了解设备树的起源、语法规则、常用属性以及内核操作函数(OF 函数)。


01 学习重点

在进入代码之前,我们需要明确本节的核心目标:

  1. 理解概念:DTS、DTB、DTC 的区别与联系。
  2. 掌握语法:节点、属性、标准属性(compatible, reg, ranges 等)的含义。
  3. 修改设备树:如何在不修改原厂文件的情况下,向节点追加或修改内容。
  4. 内核接口:熟练使用 Linux 内核提供的 OF 操作函数 获取设备树信息。

02 设备树概念与文件体系

设备树(Device Tree) 是一种描述硬件信息的数据结构。它采用树形结构描述板级设备(如 CPU、内存、IIC/SPI 设备、中断控制器等),将硬件描述从内核源码中分离出来。

树形结构图解

  • 树的主干:系统总线。
  • 分支:IIC 控制器、GPIO 控制器、SPI 控制器等。
  • 叶子:具体的设备(如 IIC1 上的 FT5206 和 AT24C02,IIC2 上的 MPU6050)。

DTS、DTB 与 DTC

在 Linux 移植与开发中,必须区分以下三个概念:

缩写
全称
说明
DTS
Device Tree Source
源码文件
 (.dts)。文本格式,用于描述设备信息,类似 C 语言的 .c 文件。
DTC
Device Tree Compiler
编译工具
。将 DTS 编译为 DTB 的工具,源码位于内核 scripts/dtc 目录下。
DTB
Device Tree Blob
二进制文件
 (.dtb)。DTS 编译后的产物,由内核启动时解析。

03 设备树语法详解

1. 头文件与引用 (.dtsi)

设备树支持头文件引用,扩展名为 **.dtsi**。

  • **.dtsi**:一般用于描述 SoC 内部外设信息(如 CPU 架构、主频、控制器寄存器地址),相当于通用的父类。
  • **.dts**:描述具体 板级信息,可以引用 .h、.dtsi 甚至 .dts。
#include<dt-bindings/input/input.h> // 引用 C 头文件
#include"imx6ull.dtsi"// 引用 SoC 通用描述
#include"imx6ull-14x14-evk.dts"// 引用其他 dts

2. 节点 (Node) 与 命名

设备树由根节点 / 开始,包含多个子节点。

/ {
    aliases {
        can0 = &flexcan1;
    };

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

        /* 节点命名格式:label: node-name@unit-address */
        cpu0: cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a7";
            device_type = "cpu";
            reg = <0>;
        };
    };

    intc: interrupt-controller@00a01000 { ... };
};

命名格式:label: node-name@unit-address

  • **label (标签)**:方便访问节点。例如通过 &cpu0 即可访问 cpu@0,无需写全名。
  • **node-name (名称)**:直观描述设备功能。
  • **unit-address (地址)**:通常是寄存器基地址或总线地址。

3. 节点常用标准属性

节点由属性(Key-Value)组成。以下是 Linux 驱动中常用的标准属性:

(1) compatible 属性 —— 兼容性(最重要)

作用:将设备与驱动绑定。值是一个字符串列表。格式:"厂商,芯片型号", "厂商,通用型号"

compatible = "fsl,imx6ul-evk-wm8960", "fsl,imx-audio-wm8960";
  • 匹配机制:内核会先查找第一个值,若无匹配驱动,再查找第二个。
  • 驱动侧代码:驱动中通过 of_device_id 表来匹配:
/* 驱动中的匹配表 */
staticconststructof_device_idimx_wm8960_dt_ids[] = {
    { .compatible = "fsl,imx-audio-wm8960", }, /* 必须与 DTS 一致 */
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, imx_wm8960_dt_ids);

(2) model 属性

作用:描述设备模块信息(如名字)。

model = "wm8960-audio";

(3) status 属性

作用:描述设备状态。

值
描述
"okay"
设备可操作(开启)。
"disabled"
设备不可操作(关闭)。常用于 .dtsi 中默认关闭,在 .dts 中按需开启。
"fail"
设备检测到错误,不可用。

(4) #address-cells 和 #size-cells

作用:描述子节点的 reg 属性中,地址和长度各占多少个字长(32位)。

  • #address-cells:起始地址占用字长。
  • #size-cells:地址长度占用字长。

示例:

spi4 {
    compatible = "spi-gpio";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;

    gpio_spi: gpio_spi@0 {
        compatible = "fairchild,74hc595";
        reg = <0>; // address=0, length无(因为 size-cells=0)
    };
};

(5) reg 属性

作用:描述设备地址资源(寄存器地址)。格式:reg = <address1 length1 address2 length2 ...>

/* 起始地址 0x4600,长度 0x100 */
reg = <0x4600 0x100>; 

(6) ranges 属性

作用:地址映射/转换表。格式:<child-bus-addr parent-bus-addr length>

  • **为空 (ranges;)**:表示子地址空间与父地址空间完全相同(1:1 映射)。
  • 非空:需要进行地址转换。
/* 映射示例 */
soc {
    /* 子地址 0x0 映射到 父地址 0xe0000000,长度 0x00100000 */
    ranges = <0x0 0xe0000000 0x00100000>;

    serial {
        reg = <0x4600 0x100>; 
        /* 实际物理地址 = 0xe0000000 + 0x4600 = 0xe0004600 */
    };
};

04 常用节点操作:追加与特殊节点

1. 向节点追加/修改内容

在产品开发中,我们通常不修改 SoC 厂商提供的 .dtsi,而是在板级 .dts 中引用标签进行修改。

场景:在 I2C1 总线上挂载一个 fxls8471 芯片。

/* 在板级 dts 文件末尾追加 */
&i2c1 {
    /* 向 i2c1 节点添加子节点 */
    fxls8471@1e {
        compatible = "fsl,fxls8471";
        reg = <0x1e>;             // I2C 设备地址
        position = <0>;
        interrupt-parent = <&gpio5>;
        interrupts = <0 8>;
    };
};

2. 特殊节点

  • aliases:别名节点。
    • 目的:简化节点访问。例如定义 can0 = &flexcan1;,方便用户层或内核统一识别。
  • chosen:非真实设备。
    • 目的:U-Boot 向 Linux 内核传递参数(主要是 bootargs)。

05 核心:设备树 OF 操作函数

驱动程序需要获取 DTS 中的信息。Linux 内核在 include/linux/of.h 中提供了一系列以 of_ 开头的函数。

1. 基础结构体

内核使用 device_node 结构体描述一个节点:

structdevice_node {
constchar *name;              /* 节点名称,如 "cpu" */
constchar *type;              /* 设备类型,如 "cpu", "memory" */
    phandle phandle;               /* 句柄,用于节点间的引用(如 &label) */
constchar *full_name;         /* 节点全路径名称,如 "/cpus/cpu@0" */
structfwnode_handlefwnode;/* 固件节点句柄,用于统一 ACPI 和 DT */

structproperty *properties;/* 属性链表头指针 */
structproperty *deadprops;/* 已删除的属性(用于动态设备树) */
structdevice_node *parent;/* 指向父节点 */
structdevice_node *child;/* 指向第一个子节点 */
structdevice_node *sibling;/* 指向兄弟节点 */

#if defined(CONFIG_OF_KOBJ)
structkobjectkobj;/* 内核对象,用于 sysfs 目录体现 */
#endif
unsignedlong _flags;          /* 节点状态标志(如 OF_DYNAMIC, OF_DETACHED) */
void *data;                    /* 私有数据指针 */

#if defined(CONFIG_SPARC)
constchar *path_component_name;
unsignedint unique_id;
structof_irq_controller *irq_trans;
#endif
};
};

2. 查找节点的 OF 函数

在操作设备前,必须先获取到节点句柄。

/**
 * @brief 按名字查找节点
 * @param from: 开始查找的节点,NULL 表示从根节点开始
 * @param name: 节点名字
 */

struct device_node *of_find_node_by_name(struct device_node *from, constchar *name);

/**
 * @brief 按 device_type 查找
 */

struct device_node *of_find_node_by_type(struct device_node *from, constchar *type);

/**
 * @brief ★ 按 compatible 和 type 查找 (最常用)
 * @param type: 设备类型,可为 NULL
 * @param compatible: 兼容性字符串 (如 "fsl,imx6ull")
 */

struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from, 
constchar *type, 
constchar *compatible)
;

/**
 * @brief 按路径查找
 * @param path: 节点全路径 (如 "/backlight")
 */

struct device_node *of_find_node_by_path(constchar *path);

3. 提取属性值的 OF 函数

获取节点后,需要读取其中的属性(如 reg, status 等)。

/* 属性结构体 */
structproperty {
char *name;   /* 属性名 */
int length;   /* 属性长度 */
void *value;  /* 属性值 */
structproperty *next;
};

常用读取函数:

/**
 * @brief 查找属性
 * @return 找到的属性结构体指针
 */

struct property *of_find_property(const struct device_node *np,
constchar *name, int *lenp)
;

/**
 * @brief 读取 u32 数组
 * @param np: 设备节点
 * @param propname: 属性名
 * @param out_values: 输出缓冲区
 * @param sz: 元素数量
 */

intof_property_read_u32_array(const struct device_node *np,
constchar *propname, 
                               u32 *out_values, size_t sz)
;

/* 简化版:读取单个值 */
intof_property_read_u8(const struct device_node *np, constchar *propname, u8 *out_value);
intof_property_read_u32(const struct device_node *np, constchar *propname, u32 *out_value);

/**
 * @brief 读取字符串属性
 */

intof_property_read_string(struct device_node *np, 
constchar *propname, constchar **out_string)
;

4. 地址获取与内存映射 (IO)

驱动开发中,最关键的一步是获取 reg 属性并将其映射为虚拟地址。

/**
 * @brief 提取 reg 属性并转化为 resource 结构体
 * @param index: 地址资源标号 (通常为 0)
 * @param r: 输出 resource 结构体 (包含 start, end, flags)
 */

intof_address_to_resource(struct device_node *dev, int index, struct resource *r);

/**
 * @brief ★ 直接从设备树映射内存 (推荐)
 * 相当于 of_address_to_resource + ioremap 的组合
 * @param np: 设备节点
 * @param index: reg 属性的段索引
 * @return 映射后的虚拟地址 (void __iomem *)
 */

void __iomem *of_iomap(struct device_node *np, int index);

06 小结

本节我们系统地梳理了 Linux 设备树的基础知识,这对于后续的驱动开发至关重要。

核心知识点
关键内容
文件类型DTS
 (源码) -> DTC (编译器) -> DTB (二进制,内核解析)。
语法规范
熟练使用 compatible 绑定驱动,理解 #address-cells/reg 的地址描述机制。
修改技巧
善用 &label 引用,在板级文件中覆盖或追加硬件信息,避免修改 .dtsi。
OF 函数
掌握 of_find_compatible_node (找节点)、of_property_read_u32 (读数据)、of_iomap (映射内存)。
“

下节预告: 从下一节开始,我们将基于设备树,从最基本的“点灯”开始,一步步实现 LED 驱动、中断驱动、以及更复杂的平台总线驱动。

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