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）。

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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。

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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。

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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。

(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。

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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。