设备树详解

设备树（Device Tree）基本概念及作用

设备树（Device Tree）基本概念

在内核源码中，存在大量对板级细节信息描述的代码。这些代码充斥在/arch/arm/plat-xxx和/arch/arm/mach-xxx目录，对内核而言这些platform设备、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各种硬件的platform_data绝大多数纯属垃圾冗余代码。为了解决这一问题，ARM内核版本3.x之后引入了原先在Power PC等其他体系架构已经使用的Flattened Device Tree。

“A data structure by which bootloaders pass hardware layout to Linux in a device-independent manner, simplifying hardware probing.”开源文档中对设备树的描述是，一种描述硬件资源的数据结构，它通过bootloader将硬件资源传给内核，使得内核和硬件资源描述相对独立(也就是说*.dtb文件由Bootloader读入内存，之后由内核来解析)。

Device Tree由一系列被命名的结点（node）和属性（property）组成，而结点本身可包含子结点。所谓属性，其实就是成对出现的name和value。在Device Tree中，可描述的信息包括（原先这些信息大多被hard code到kernel中）：

CPU的数量和类别
内存基地址和大小
总线和桥
外设连接
中断控制器和中断使用情况
GPIO控制器和GPIO使用情况
Clock控制器和Clock使用情况
它基本上就是画一棵电路板上CPU、总线、设备组成的树，Bootloader会将这棵树传递给内核，然后内核可以识别这棵树，并根据它展开出Linux内核中的platform_device、i2c_client、spi_device等设备，而这些设备用到的内存、IRQ等资源，也被传递给了内核，内核会将这些资源绑定给展开的相应的设备。

另外，设备树对于可热插拔的热备不进行具体描述，它只描述用于控制该热插拔设备的控制器。

设备树的主要优势：对于同一SOC的不同主板，只需更换设备树文件.dtb即可实现不同主板的无差异支持，而无需更换内核文件。

注：要使得3.x之后的内核支持使用设备树，除了内核编译时需要打开相对应的选项外，bootloader也需要支持将设备树的数据结构传给内核。

设备树的组成和使用

设备树包含DTC（device tree compiler），DTS（device tree source和DTB（device tree blob）。

DTS(device tree source)

.dts文件是一种对Device Tree的ASCII文本描述，一个dts文件对应一个ARM架构的machine。但是一个SOC板可能对应多个产品。这些产品的dts文件会存在大量冗余。为了简化，Device Tree将这些冗余提炼为.dtsi文件，dtsi文件相当于C语言的头文件，dts文件需要include引入dtsi文件。当然，dtsi本身也支持include 另一个dtsi文件。

DTC(编译工具)

DTC为编译工具，它可以将.dts文件编译成.dtb文件。DTC的源码位于内核的scripts/dtc目录，内核选中CONFIG_OF，编译内核的时候，主机可执行程序DTC就会被编译出来。即scripts/dtc/Makefile中

hostprogs-y := dtc

always := $(hostprogs-y)

在内核的arch/arm/boot/dts/Makefile中，若选中某种SOC，则与其对应相关的所有dtb文件都将编译出来。在linux下，make dtbs可单独编译dtb。

以下截取了TEGRA平台的一部分。

ifeq ($(CONFIG_OF),y)

dtb-$(CONFIG_ARCH_TEGRA) += tegra20-harmony.dtb \

tegra30-beaver.dtb \

tegra114-dalmore.dtb \

tegra124-ardbeg.dtb

DTB(二进制文件)

DTC编译.dts生成的二进制文件(.dtb),bootloader在引到内核时，会预先读取.dtb到内存，进而由内核解析。

BootLoader(bootloader支持）

Bootloader需要将设备树在内存中的地址传给内核。在ARM中通过bootm或bootz命令来进行传递。bootm [kernel_addr] [initrd_address] [dtb_address]，其中kernel_addr为内核镜像的地址，initrd为initrd的地址，dtb_address为dtb所在的地址。若initrd_address为空，则用“-”来代替。

设备树是如何传递给内核的
在这里插入图片描述

设备树语法

设备树是一个包含节点和属性的简单树状结构。属性就是键－值对，而节点可以同时包含属性和子节点。

属性是简单的键－值对，它的值可以为空或者包含一个任意字节流。虽然数据类型并没有编码进数据结构，但在设备树源文件中任有几个基本的数据表示形式。

文本字符串（无结束符）可以用双引号表示：string-property = “a string”
‘Cells’是32位无符号整数，用尖括号限定：cell-property = <0xbeef 123 0xabcd1234>
二进制数据用方括号限定：binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67]
不同表示形式的数据可以使用逗号连在一起：mixed-property = “a string”, [0x01 0x23 0x45 0x67], <0x12345678>;
逗号也可用于创建字符串列表：string-list = “red fish”, “blue fish”;

dtsi 头文件

和 C 语言一样，设备树也支持头文件，设备树的头文件扩展名为 .dtsi；同时也可以像C 语言一样包含 .h头文件；例如：（代码来源 linux-4.15/arch/arm/boot/dts/s3c2416.dtsi）

#include <dt-bindings/clock/s3c2443.h>
#include "s3c24xx.dtsi"

注：.dtsi 文件一般用于描述 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。

设备节点

在设备树中节点命名格式如下：

node-name@unit-address

**node-name：**是设备节点的名称，为ASCII字符串，节点名字应该能够清晰的描述出节点的功能，比如“uart1”就表示这个节点是UART1外设；**unit-address：**一般表示设备的地址或寄存器首地址，如果某个节点没有地址或者寄存器的话 “unit-address” 可以不要；注：根节点没有node-name 或者 unit-address，它被定义为 /。

设备节点的例子如下图：
在这里插入图片描述

在上图中：cpu 和 ethernet依靠不同的unit-address 分辨不同的CPU；可见，node-name相同的情况下，可以通过不同的unit-address定义不同的设备节点。

设备节点的标准属性

compatible 属性

compatible 属性也叫做 “兼容性” 属性，这是非常重要的一个属性！compatible 属性的值是一个字符串列表， compatible 属性用于将设备和驱动绑定起来。字符串列表用于选择设备所要使用的驱动程序。compatible 属性值的推荐格式：

"manufacturer,model"

① manufacturer : 表示厂商；

② model : 一般是模块对应的驱动名字。

例如：

compatible = "fsl,mpc8641", "ns16550";

上面的compatible有两个属性，分别是 “fsl,mpc8641” 和 “ns16550”；其中 “fsl,mpc8641” 的厂商是 fsl；设备首先会使用第一个属性值在 Linux 内核里面查找，看看能不能找到与之匹配的驱动文件；

如果没找到，就使用第二个属性值查找，以此类推，直到查到到对应的驱动程序或者查找完整个 Linux 内核也没有对应的驱动程序为止。

注：一般驱动程序文件都会有一个 OF 匹配表，此 OF 匹配表保存着一些 compatible 值，如果设备节点的 compatible 属性值和 OF 匹配表中的任何一个值相等，那么就表示设备可以使用这个驱动。

model 属性

model 属性值也是一个字符串，一般 model 属性描述设备模块信息，比如名字什么的，例如：

model = "Samsung S3C2416 SoC";

phandle 属性

phandle属性为devicetree中唯一的节点指定一个数字标识符，节点中的phandle属性，它的取值必须是唯一的(不要跟其他的phandle值一样)，例如：

pic@10000000 {
    phandle = <1>;
    interrupt-controller;
};
another-device-node {
    interrupt-parent = <1>;   // 使用phandle值为1来引用上述节点
};

注：DTS中的大多数设备树将不包含显式的phandle属性，当DTS被编译成二进制DTB格式时，DTC工具会自动插入phandle属性。

status 属性

status 属性看名字就知道是和设备状态有关的， status 属性值也是字符串，字符串是设备的状态信息，可选的状态如下表所示：

status值	描述

#address-cells 和 #size-cells

#address-cells 和 #size-cells的值都是无符号 32 位整型，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)。#address-cells 和 #size-cells 表明了子节点应该如何编写 reg 属性值，一般 reg 属性都是和地址有关的内容，和地址相关的信息有两种：起始地址和地址长度，reg 属性的格式一为：

reg = <address1 length1 address2 length2 address3 length3……>

例如一个64位的处理器：

soc {
    #address-cells = <2>;
    #size-cells = <1>;
    serial {
        compatible = "xxx";
        reg = <0x4600 0x5000 0x100>;  /*地址信息是：0x00004600 00005000,长度信息是：0x100*/
        };
};

reg 属性

reg 属性的值一般是 (address， length) 对，reg 属性一般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。

例如：一个设备有两个寄存器块，一个的地址是0x3000，占据32字节；另一个的地址是0xFE00，占据256字节，表示如下：

reg = <0x3000 0x20 0xFE00 0x100>;

注：上述对应#address-cells = <1>; #size-cells = <1>;。

ranges 属性

ranges属性值可以为空或者按照 (child-bus-address,parent-bus-address,length) 格式编写的数字矩阵， 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：

child-bus-address：子总线地址空间的物理地址，由父节点的 #address-cells 确定此物理地址所占用的字长。

parent-bus-address：父总线地址空间的物理地址，同样由父节点的 #address-cells 确定此物理地址所占用的字长。

length：子地址空间的长度，由父节点的 #size-cells 确定此地址长度所占用的字长。

soc {
    compatible = "simple-bus";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    ranges = <0x0 0xe0000000 0x00100000>;
    serial {
        device_type = "serial";
        compatible = "ns16550";
        reg = <0x4600 0x100>;
        clock-frequency = <0>;
        interrupts = <0xA 0x8>;
        interrupt-parent = <&ipic>;
        };
};

节点 soc 定义的 ranges 属性，值为 <0x0 0xe0000000 0x00100000>，此属性值指定了一个 1024KB(0x00100000) 的地址范围，子地址空间的物理起始地址为 0x0，父地址空间的物理起始地址为 0xe0000000。

serial 是串口设备节点，

reg 属性定义了 serial 设备寄存器的起始地址为 0x4600，寄存器长度为 0x100。

经过地址转换， serial 设备可以从 0xe0004600 开始进行读写操作，0xe0004600=0x4600+0xe0000000。

name 属性

name 属性值为字符串， 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

device_type 属性值为字符串， 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。

memory@30000000 {
    device_type = "memory";
    reg =  <0x30000000 0x4000000>;
};

根节点

每个设备树文件只有一个根节点，其他所有的设备节点都是它的子节点，它的路径是 /。根节点有以下属性：

属性	属性值类型	描述

例如：compatible = “samsung,smdk2440”,“samsung,s3c24xx” ,内核会优先寻找支持smdk2440的machinedesc结构体，如果找不到才会继续寻找支持s3c24xx的machine_desc结构体(优先选择第一项，然后才是第二项，第三项……)

特殊节点

/aliases 子节点

aliases 节点的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。

例如：定义 flexcan1 和 flexcan2 的别名是 can0 和 can1。

aliases {
    can0 = &flexcan1;
    can1 = &flexcan2;
};

/memory 子节点

所有设备树都需要一个memory设备节点，它描述了系统的物理内存布局。如果系统有多个内存块，可以创建多个memory节点，或者可以在单个memory节点的reg属性中指定这些地址范围和内存空间大小。

例如：一个64位的系统有两块内存空间：RAM1：起始地址是0x0，地址空间是 0x80000000；RAM2：起始地址是0x10000000，地址空间也是0x80000000；同时根节点下的 #address-cells = <2>和#size-cells = <2>，这个memory节点描述为：

memory@0 {
    device_type = "memory";
    reg = <0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000
           0x00000000 0x10000000 0x00000000 0x80000000>;
};

或者：

memory@0 {
    device_type = "memory";
    reg = <0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x80000000>;
};
memory@10000000 {
    device_type = "memory";
    reg = <0x00000000 0x10000000 0x00000000 0x80000000>;
};

/chosen 子节点

chosen 并不是一个真实的设备， chosen 节点主要是为了 uboot 向 Linux 内核传递数据，重点是 bootargs 参数。例如：

chosen {
    bootargs = "root=/dev/nfs rw n