【Linux驱动开发】Linux设备树详解

一、设备树基础

1、概念

设备树(Device Tree)，将这个词分开就是“设备”和“树”，描述设备树的文件叫做 DTS(Device Tree Source)，这个 DTS 文件采用树形结构描述板级设备，也就是开发板上的设备信息，比如 CPU 数量、 内存基地址、IIC 接口上接了哪些设备、SPI 接口上接了哪些设备等等。如图所示。

树的主干就是系统总线，IIC 控制器、GPIO 控制器、SPI 控制器等都是接 到系统主线上的分支。IIC 控制器有分为 IIC1 和 IIC2 两种，其中 IIC1 上接了 FT5206 和 AT24C02 这两个 IIC 设备，IIC2 上只接了 MPU6050 这个设备。DTS 文件的主要功能就是按图所示的结构来描述板子上的设备信息。

 2、文件格式

DTS（.dts）	设备树源文件（描述板级信息：开发板上有哪些 IIC 设备、SPI 设备等）
DTB（.dtb）	设备树编译文件
.dtsi	设备树头文件（描述SOC级信息：CPU 架构、主频、外设寄存器地址范围等）

设备树相关文件均在 arch/arm/boot/dts/ 文件夹，如图： 

 

3、编译工具

DTC	将.dts 编译为.dtb

DTC 工具源码在 Linux 内核的 scripts/dtc 目录下。

DTC 工具依赖于 dtc.c、flattree.c、fstree.c 等文件，最终编译并链接出 DTC 这个主机文件。

在 arch/arm/boot/dts/Makefile 中新增需要编译的DTS文件。

如果要编译 DTS 文件的话只需要进入到 Linux 源码根目录下，然后执行如下命令：

make all	编译 Linux 源码中的所有东西，包括 zImage，.ko 驱动模块以及设备 树
make dtbs	仅编译设备树

 

二、DTS语法

1、.dtsi 头文件

在 .dts 设备树文件中，可以通过“#include ”来引用 .h 、 .dtsi 和 .dts 文件。

.dtsi 文件用于描述 SOC 的内部外设信息，比如 CPU 架构、主频、外设寄存器地址范围，比如 UART 、 IIC 等等。

 

2、 设备节点

设备树是采用树形结构来描述板子上的设备信息的文件，每个设备都是一个节点，叫做设备节点，每个节点都通过一些属性信息来描述节点信息，属性就是 键值对。每个节点都有不同属性，不同的属性又有不同的内容，属性都是键值对，值可以为空或任意的字节流。

imx6ull.dtsi 文件节选设备树文件内容：

/ { 
    aliases { 
        can0 = &flexcan1; 
    };

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

        cpu0: cpu@0 {
        compatible = "arm,cortex-a7";
        device_type = "cpu";
        reg = <0>;
        };
    };

    intc: interrupt-controller@00a01000 {
        compatible = "arm,cortex-a7-gic";
        #interrupt-cells = <3>;
        interrupt-controller;
        reg = <0x00a01000 0x1000>,
        <0x00a02000 0x100>;
    };
}

“/”是根节点，每个设备树文件只有一个根节点。

（1）设备树中节点命名格式：

节点标签：节点名@设备的地址或寄存器首地址

label: node-name@unit-address ​​​

例如：cpu0:cpu@0 

（2）设备树源码中常用的几种数据形式如下所示：

①字符串

compatible ="arm,cortex-a7";

上述代码设置 compatible 属性的值为字符串“arm,cortex-a7”。

②32 位无符号整数

reg =<0>;

上述代码设置 reg 属性的值为 0，reg 的值也可以设置为一组值，比如： reg =<0 0x123456 100>;

③字符串列表

属性值也可以为字符串列表，字符串和字符串之间采用“,”隔开，如下所示：

compatible ="fsl,imx6ull-gpmi-nand", "fsl, imx6ul-gpmi-nand";

上述代码设置属性 compatible 的值为“fsl,imx6ull-gpmi-nand”和“fsl, imx6ul-gpmi-nand”。

 

3、标准属性

节点是由一堆的属性组成，节点都是具体的设备，不同的设备需要的属性不同，用户可以自定义属性。除了用户自定义属性，有很多属性是标准属性，Linux 下的很多外设驱动都会使用这些标准属性。

compatible 属性	compatible 属性也叫做“兼容性”属性。 用于将设备和驱动绑定起来。 值是一个字符串列表，用于选择设备所要使用的驱动程序。
model 属性	值是字符串，一般描述设备模块信息，例如名字。
status 属性	值是字符串，设备的状态信息。
#address - cells #size - cells 属性	值是无符号 32 位整形。可以用在任何拥有子节点的设备中，用于描述子节点的地址信息。 #address-cells 属性值决定了子节点 reg 属性中地址信息所占用的字长(32 位 )， #size-cells 属性值决定了子节点 reg 属性中长度信息所占的 字长 (32 位 )。
reg 属性	值一般是(address，length)对。用于描述设备地址空间资源信息，一般都是某个外设的寄存器地址范围信息
ranges 属性	ranges 是一个地址映射/ 转换表， ranges 属性每个项目由子地址、父地址和地址空间长度 这三部分组成。 如果 ranges 属性值为空值，说明子地址空间和父地址空间完全相同，不需要进行地址转换。
name 属性	值是字符串，name 属性用于记录节点名字。 name 属性已经被弃用，不推荐使用 name 属性，一些老的设备树文件可能会使用此属性。
device_type 属性	值是字符串，IEEE 1275 会用到此属性，用于描述设备的 FCode ，但是设 备树没有 FCode ，所以此属性也被抛弃了。此属性只能用于 cpu 节点或者 memory 节点。

 

 

4、compatible 属性详解

（1）根节点“/”也有 compatible 属性。

  imx6ull-iot-emmc.dts 文件中根节点的 compatible 属性如图： 

 

（2）arch/arm/mach-imx/mach-imx6ul.c 文件最后有设备兼容属性：

static const char *imx6ul_dt_compat[] __initconst = {
	"fsl,imx6ul",
	"fsl,imx6ull",
	NULL,
};

DT_MACHINE_START(IMX6UL, "Freescale i.MX6 Ultralite (Device Tree)")
	.map_io		= imx6ul_map_io,
	.init_irq	= imx6ul_init_irq,
	.init_machine	= imx6ul_init_machine,
	.init_late	= imx6ul_init_late,
	.dt_compat	= imx6ul_dt_compat,
MACHINE_END

设备 ( 板子 ) 根节点“ / ”的 compatible 属性值与 imx6ul_dt_compat 表中的任何一个值相等，那么就表示 Linux 内核支持此设备。

例如：imx6ull-iot-emmc.dts 文件根节点的 compatible 属性值如下：

compatible = "fsl,imx6ull-14x14-evk", "fsl,imx6ull";

有匹配的节点属性“fsl,imx6ull”，则Linux内核支持此设备，可正常启动。

如果匹配不到对应属性，Linux 内核找不到对应的设备，则无法启动。在 uboot 输出就卡在 Starting kernel…

 

（3）Linux 内核通过根节点 compatible 属性找到对应的设备的函数调用过程：

5、修改设备树文件，增加或修改节点 

例如 arch/arm/boot/dts/imx6ull-iot-emmc.dts 文件i2c1节点：

&i2c1 {
	clock-frequency = <100000>;
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;
	status = "okay";

	mag3110@0e {
		compatible = "fsl,mag3110";
		reg = <0x0e>;
		position = <2>;
	};

	fxls8471@1e {
		compatible = "fsl,fxls8471";
		reg = <0x1e>;
		position = <0>;
		interrupt-parent = <&gpio5>;
		interrupts = <0 8>;
	};
};

• &i2c1 表示要访问 i2c1 这个 label 所对应的节点。
• “clock-frequency”为新添加的属性，表示 i2c1 时钟为 100KHz。
• 将 status 属性的值由原来的 disabled 改为 okay。
• i2c1 子节点 mag3110，NXP 官方开发板在 I2C1 上接了一个磁力计芯片 mag3110。
• i2c1 子节点 fxls8471，NXP 官方开发板在 I2C1 上接了 fxls8471六轴芯片。

 

三、设备树在系统中的体现

Linux 内核启动的时候会解析设备树中各个节点的信息，并且在根文件系统的 /proc/device-tree 目录下根据节点名字创建不同文件夹

/proc/device-tree 目录就是设备树在根文件系统中的体现。 

（1）输入以下命令，会进入/sys/firmware/devicetree/base ： 

cd proc/device-tree/

如图，为根节点“/”的所有属性和子节点： 

根节点的属性	#address-cells、#size-cells、compatible、model、name
根节点的子节点	aliases、 backlight 、 chosen 、 clocks...

 

（2）cat 命令来查看 model 和 compatible 这两个文件的内容：

（3）查看soc节点

soc 节点的所有子节点：

（4） 特殊节点

• aliases 子节点：主要功能就是定义别名，定义别名的目的就是为了方便访问节点。
• chosen 子节点：主要是为了 uboot 向 Linux 内核传递数据，重点是 bootargs 参数。

进入  /proc/device-tree/chosen 目录查看：

bootargs 环境变量的值是在uboot 中设置的，而 uboot 中的 fdt_chosen 函数在设备树的 chosen 节点中加入了 bootargs 属性，并且还设置了 bootargs 属性值。

bootz 80800000 – 83000000

输入以上命令并执行以后，do_bootz 函数就会执行 。

调用关系如下：

 

四、Linux 内核解析 DTB 文件流程

Linux 内核在启动的时候会解析 DTB 文件，然后在/proc/device-tree 目录下生成相应的设备树节点文件。

解析流程如下：

 

五、绑定信息文档

Linux 内核源码中有详细的 .txt 文档描述了如何添加节点，这些 .txt 文档叫做绑定文档。

路径在Linux 源码目录： /Documentation/devicetree/bindings

 

六、设备树常用 OF 操作函数

Linux 内核给我们提供了一系列函数来获取设备树中的节点或者属性信息，这一系列函数都有统一的前缀“of_ ”，也叫做 OF 函数。

OF 函数原型都定义在 include/linux/of.h 文件。

（1）查找节点的 OF 函数

设备都是以节点的形式“挂”到设备树上的，因此要想获取这个设备的其他属性信息，必须先获取到这个设备的节点。Linux 内核使用 device_node 结构体来描述一个节点，此结构体定义在文件 include/linux/of.h 中。

通过节点名字查找指定的节点	struct device_node * of_find_node_by_name (struct device_node *from, const char *name) from ：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。 name ：要查找的节点名字。 返回值 ：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败。
通过 device_type 属性 查找指定的节点	struct device_node * of_find_node_by_type (struct device_node *from, const char *type) from ：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。 type ：要查找的节点对应的 type 字符串，也就是 device_type 属性值。 返回值 ：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败。
根据 device_type 和 compatible 两个属性查找指定的节点	struct device_node * of_find_compatible_node (struct device_node *from, const char *type, const char *compatible) from ：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。 type ：要查找的节点对应的 device_type 属性值，可以为 NULL ，表示忽略 device_type 属性。 compatible ： 要查找的节点所对应的 compatible 属性列表。 返回值 ：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败
通过 of_device_id 匹配表 查找指定的节点	struct device_node * of_find_matching_node_and_match (struct device_node *from, const struct of_device_id *matches, const struct of_device_id **match) from ：开始查找的节点，如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。 matches ： of_device_id 匹配表，也就是在此匹配表里面查找节点。 match ： 找到的匹配的 of_device_id。 返回值 ：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败
通过路径来查找指定的节点	inline struct device_node * of_find_node_by_path (const char *path) path ：全路径的节点名，可以使用节点的别名，比如“ /backlight ”就是 backlight 这个 节点的全路径。 返回值 ：找到的节点，如果为 NULL 表示查找失败

 

（2）查找父/子节点的 OF 函数

用于获取指定节点的父节点	struct device_node * of_get_parent (const struct device_node *node) node ：要查找的父节点的节点。 返回值 ：找到的父节点。
用迭代的查找子节点	struct device_node * of_get_next_child (const struct device_node *node, struct device_node *prev) node ：父节点。 prev ：前一个子节点，从此开始迭代的查找下一个子节点。NULL，表示从第一个子节点开始。 返回值 ：找到的下一个子节点。

 

（3）提取属性值的 OF 函数

用于查找指定的属性	property * of_find_property (const struct device_node *np, const char *name, int *lenp) np ：设备节点； name ： 属性名字； lenp ：属性值的字节数； 返回值：找到的属性。
用于获取属性中元素的数量 （获取到属性数组的大小）	int of_property_count_elems_of_size (const struct device_node *np, const char *propname,int elem_size) np ：设备节点； proname： 属性名； elem_size：元素长度； 返回值 ：得到的属性元素数量。
用于从属性中获取指定标号的 u32 类型数据值	int of_property_read_u32_index (const struct device_node *np, const char *propname, u32 index, u32 *out_value) np ：设备节点。 proname ： 要读取的属性名字。 index ：要读取的值标号。 out_value ：读取到的值 返回值 ：0 读取成功，负值，读取失败， -EINVAL 表示属性不存在， -ENODATA 表示没有要读取的数据，-EOVERFLOW 表示属性值列表太小。
读取属性中 u8 、 u16 、 u32 和 u64 类型的数组数据	int of_property_read_u8_array (const struct device_node *np, const char *propname, u8 *out_values, size_t sz) of_property_read_u16_array of_property_read_u32_array of_property_read_u64_array np ：设备节点。 proname ： 要读取的属性名字。 out_value ：读取到的数组值，分别为 u8 、 u16 、 u32 和 u64。 sz ：要读取的数组元素数量。
用于读取这种只有一个整形值的属性	int of_property_read_u8(const struct device_node *np, const char *propname, u8 *out_value) of_property_read_u16 of_property_read_u32 of_property_read_u64 np ：设备节点。 proname ： 要读取的属性名字。 out_value ：读取到的数组值。 返回值 ：0 ：读取成功，负值：读取失败， -EINVAL ：属性不存在， -ENODATA：没 有要读取的数据，-EOVERFLOW：属性值列表太小。
用于读取属性中字符串值	int of_property_read_string(struct device_node *np, const char *propname,const char **out_string) np ：设备节点。 proname ： 要读取的属性名字。 out_string ：读取到的字符串值。 返回值 ：0：读取成功，负值：读取失败。
用于获取 #address-cells 属性值	int of_n_addr_cells(struct device_node *np) np ：设备节点。 返回值 ：获取到的 #address-cells 属性值。
用于获取 #size-cells 属性值	int of_n_size_cells (struct device_node *np) np ：设备节点。 返回值 ：获取到的 #size-cells 属性值。

 

（4）其他常用的 OF 函数

用于查看节点的 compatible 属性是否有包含 compat 指定的字 符串，也就是检查设备节点的兼容性	int of_device_is_compatible (const struct device_node *device, const char *compat) device ：设备节点。 compat ：要查看的字符串。 返回值 ：0 ：节点的 compatible 属性中不包含 compat 指定的字符串； 正数：节点的 compatible 属性中包含 compat 指定的字符串。
用于获取地址相关属性， 主要是“ reg ”或者 “assigned-addresses”属性值	const __be32 * of_get_address (struct device_node *dev, int index, u64 *size, unsigned int *flags) dev ：设备节点。 index ：要读取的地址标号。 size ：地址长度。 flags ：参数，比如 IORESOURCE_IO 、 IORESOURCE_MEM 等 返回值 ：读取到的地址数据首地址，为 NULL 的话表示读取失败。
将从设备树读取到的地址转换为物理地址	u64 of_translate_address (struct device_node *dev, const __be32 *in_addr) dev ：设备节点。 in_addr ：要转换的地址。 返回值 ：得到的物理地址，如果为 OF_BAD_ADDR 的话表示转换失败。
从设备树里面提取资源值， 将 reg 属性值转换为 resource 结构体类型	int of_address_to_resource(struct device_node *dev, int index, struct resource *r) dev ：设备节点。 index ：地址资源标号。 r ：得到的 resource 类型的资源值。 返回值 ：0，成功；负值，失败。
将 reg 属性中地址信息转换为 虚拟地址	void __iomem * of_iomap (struct device_node *np, int index) np ：设备节点。 index ： reg 属性中要完成内存映射的段，如果 reg 属性只有一段的话 index 就设置为 0。 返回值 ：经过内存映射后的虚拟内存首地址，如果为 NULL 的话表示内存映射失败。