1. 概述

在Linux中，设备树（Device Tree）是一种描述硬件配置的数据结构，它被用来将硬件的结构信息(包括CPU 架构和型号， 内存基址和大小， 总线控制器，外设设备， 中断控制器和中断线， GPIO 控制器和引脚， 时钟源 )传递给操作系统内核。这样，内核就可以在不依赖于硬编码的情况下，支持不同的硬件平台。

设备树最初是在Open Firmware（定义计算器固件接口的标准,以前由IEEE认可。起源于Sun Microsystems，最初被称为OpenBoot）中使用的，后来被广泛用于嵌入式Linux系统，特别是那些使用ARM、PowerPC等架构的系统。设备树的主要目的是提供一种不依赖于架构的方式来描述硬件，使得同一个内核镜像能够支持多个不同的硬件平台。

设备树由以下几个部分组成：

1. 设备树源文件（.dts）：这些是文本文件，用于描述硬件设备。它们通常由硬件厂商或板级支持包（BSP）提供。

2. 设备树编译器（dtc）：这是一个工具，用于将设备树源文件（.dts）编译成设备树二进制文件（.dtb）。

3. 设备树二进制文件（.dtb）：这是由设备树编译器生成的二进制文件，它包含了硬件设备的描述信息。这个文件通常在启动时由引导程序（如U-Boot）加载到内存中，并传递给Linux内核。

4. 设备树绑定（Bindings）：这些是文档，描述了如何为特定设备编写设备树节点。它们通常位于Linux内核源码的Documentation/devicetree/bindings目录下。

设备树的基本语法类似于树形结构，由节点（node）和属性（property）组成。每个节点可以包含子节点，属性则是键值对，用于描述节点的特性。

一个简单的设备树示例：

/dts-v1/;

/ {
    model = "My Board";
    compatible = "my,board";

    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            device_type = "cpu";
            reg = <0>;
        };
    };

    memory@0 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x00000000 0x40000000>;
    };

    uart0: serial@101f0000 {
        compatible = "ns16550a";
        reg = <0x101f0000 0x1000>;
        interrupts = <0x0 0x2 0x0>;
    };
};

在这个例子中：

• 根节点（/）有两个属性：model和compatible。

• cpus节点有一个子节点cpu@0，描述了CPU的信息。

• memory@0节点描述了内存的起始地址和大小。

• uart0节点描述了一个串口设备，包括其寄存器地址和中断信息。

设备树在Linux内核启动时被解析，内核会根据设备树中的信息来初始化和配置硬件设备。这样，内核就可以在不重新编译的情况下，适应不同的硬件平台。

在嵌入式开发中，经常需要修改设备树来添加或修改硬件设备。修改后，需要重新编译设备树生成新的.dtb文件，并将该文件用于启动内核。

总结一下，设备树在Linux中的作用是：

• 描述硬件配置，使得内核能够动态地识别和初始化硬件。

• 减少内核为支持不同硬件平台所需的代码量。

• 提供一种标准化的方式来表示硬件，便于维护和移植。

在 Linux 中，设备树（Device Tree）是一种描述硬件配置的数据结构，它已经成为嵌入式 Linux 系统中描述硬件的标准方式。

2. 设备树编译和使用

# 编译 .dts 为 .dtb
dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts

# 反编译 .dtb 为 .dts
dtc -I dtb -O dts -o myboard.dts myboard.dtb

# 查看当前设备树
ls /proc/device-tree/

# 查看特定属性
cat /proc/device-tree/model

# 在启动时加载设备树
# 在 bootloader 中指定：
bootz kernel_addr initrd_addr dtb_addr

3. 示例

GPIO 控制器

gpio0: gpio@1000000 {

gpio0：节点标签，其他节点可以通过 &gpio0 引用这个 GPIO 控制器;
gpio@1000000：节点名称，表示这是一个 GPIO 控制器，位于地址 0x1000000
    compatible = "vendor,gpio-controller";//用于绑定设备驱动 

"vendor,gpio-controller" 表示这个设备与名为 "vendor,gpio-controller" 的驱动程序兼容,实际中 vendor 会被替换为具体的厂商名，如 "ti,gpio-controller"
    reg = <0x1000000 0x1000>;

• 定义 GPIO 控制器的内存映射区域

• 0x1000000：起始物理地址

• 0x1000：地址空间大小（4KB）

    #gpio-cells = <2>;
    gpio-controller;

• #gpio-cells = <2>：定义引用 GPIO 时需要多少个参数

  • 通常第一个参数是 GPIO 编号

  • 第二个参数是标志（如 GPIO_ACTIVE_HIGH/LOW）

• gpio-controller：声明这是一个 GPIO 控制器

    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <2>;

• interrupt-controller：声明这是一个中断控制器

• #interrupt-cells = <2>：定义引用中断时需要多少个参数

  • 通常第一个参数是中断号

  • 第二个参数是中断类型（如边沿触发、电平触发）

}

I2C 设备

i2c0: i2c@2000000 {
    compatible = "vendor,i2c-controller";
    reg = <0x2000000 0x1000>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    clock-frequency = <100000>;
    
    eeprom@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;
        pagesize = <16>;
    };
};

中断控制器

intc: interrupt-controller@3000000 {
    compatible = "arm,gic-400";
    #interrupt-cells = <3>;
    interrupt-controller;
    reg = <0x3000000 0x1000>,
          <0x3002000 0x2000>;
};

设备树绑定（Bindings）

设备树绑定定义了特定设备所需的属性和格式：

// LED 设备绑定示例
leds {
    compatible = "gpio-leds";
    
    led0 {
        label = "heartbeat";
        gpios = <&gpio0 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        linux,default-trigger = "heartbeat";
    };
    
    led1 {
        label = "mmc0";
        gpios = <&gpio0 16 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        linux,default-trigger = "mmc0";
    };
};

4. 调试技巧

查看设备树

# 查看完整设备树
dtc -I fs /sys/firmware/devicetree/base

# 查看特定节点
find /sys/firmware/devicetree/base -name "*uart*"

# 内核启动参数添加设备树调试
dracut --add "dts" ...

常用调试工具

# 设备树编译器
dtc --version

# 查看设备树 overlay
fdtoverlay --help

# 设备树实用工具
apt-get install device-tree-compiler

注：设备树使得 Linux 内核可以支持多种硬件平台而无需重新编译，大大提高了嵌入式系统的灵活性和可维护性。