设备树是一种数据结构,它通过特有的语法格式描述片上片外的设备信息。由BootLoader传递给kernel,kernel进行解析后形成和驱动程序关联的dev结构供驱动代码使用。
描述设备树的文件叫做 DTS(DeviceTree 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。
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照图所示的结构来描述板子上的设备信息。
传统的总线设备驱动是将设备信息描述在C代码中,当需要修改驱动相关的硬件信息时,就得修改具体的代码文件,再全编译内核。整个操作繁琐且不利于代码的维护和移植。
设备树的方式将驱动和设备完全分离开。将驱动程序设计成硬件无关的类型,一切设备资源(比如memory,interrupt,clk,pinctrl)在设备树文件中定义。内核来适配驱动和设备信息。将有效的设备信息通过参数传递给驱动的probe函数,再进行具体硬件的初始化。这样当硬件出现变更时(各公司基于芯片公版单独设计PCB等情况),只需要去修改对应的设备树文件,而完全不用去更改驱动代码。驱动的通用性也会大大提供。这样多个系列芯片只需要共用同一套驱动代码,差分设备树文件就可以。
设备树的代码文件是dts文件和dtsi文件。
dts文件会被dtc(设备树编译器)编译为dtb(device tree block)的二进制文件。该文件会被烧写到内存的特定地址(由BootLoader指定,原则上随意,只要不覆盖了boot和kernel的内容就好)。再由BootLoader将地址通过参数传递给kernel。kernel根据dtb文件的特定格式解析出有效的设备信息,从而传递给驱动代码。
dtc 工具源码在 Linux 内核的 scripts/dtc 目录下:
kernel/msm-5.4/scripts/dtc$ cat Makefile
# SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
# scripts/dtc makefile
hostprogs-$(CONFIG_DTC) := dtc
ifeq ($(DTC_EXT),)
always := $(hostprogs-y)
endif
dtc-objs := dtc.o flattree.o fstree.o data.o livetree.o treesource.o \
srcpos.o checks.o util.o
dtc-objs += dtc-lexer.lex.o dtc-parser.tab.o
# Source files need to get at the userspace version of libfdt_env.h to compile
HOST_EXTRACFLAGS += -I $(srctree)/$(src)/libfdt
ifeq ($(shell pkg-config --exists yaml-0.1 2>/dev/null && echo yes),)
ifneq ($(CHECK_DTBS),)
$(error dtc needs libyaml for DT schema validation support. \
Install the necessary libyaml development package.)
endif
HOST_EXTRACFLAGS += -DNO_YAML
else
dtc-objs += yamltree.o
HOSTLDLIBS_dtc := $(shell pkg-config yaml-0.1 --libs)
endif
# Generated files need one more search path to include headers in source tree
HOSTCFLAGS_dtc-lexer.lex.o := -I $(srctree)/$(src)
HOSTCFLAGS_dtc-parser.tab.o := -I $(srctree)/$(src)
# dependencies on generated files need to be listed explicitly
$(obj)/dtc-lexer.lex.o: $(obj)/dtc-parser.tab.h
DTC 工具依赖于 dtc.c、flattree.c、fstree.c 等文件,最终编译出 DTC 这个主机文件。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 或者 make dtbs。
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。与此同时,.dts 文件也可以引用 C 语言中的.h 文件,甚至也可以引用.dts 文件。
一般.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。
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。 kernel4.14\arch\arm\boot\dts\spear300.dtsi
/include/ "spear3xx.dtsi"
/ {
ahb {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "simple-bus";
ranges = <0x60000000 0x60000000 0x50000000
0xd0000000 0xd0000000 0x30000000>;
pinmux@99000000 {
compatible = "st,spear300-pinmux";
reg = <0x99000000 0x1000>;
};
clcd@60000000 {
compatible = "arm,pl110", "arm,primecell";
reg = <0x60000000 0x1000>;
interrupts = <30>;
status = "disabled";
};
fsmc: flash@94000000 {
compatible = "st,spear600-fsmc-nand";
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
reg = <0x94000000 0x1000 /* FSMC Register */
0x80000000 0x0010 /* NAND Base DATA */
0x80020000 0x0010 /* NAND Base ADDR */
0x80010000 0x0010>; /* NAND Base CMD */
reg-names = "fsmc_regs", "nand_data", "nand_addr", "nand_cmd";
status = "disabled";
};
sdhci@70000000 {
compatible = "st,sdhci-spear";
reg = <0x70000000 0x100>;
interrupts = <1>;
status = "disabled";
};
shirq: interrupt-controller@0x50000000 {
compatible = "st,spear300-shirq";
reg = <0x50000000 0x1000>;
interrupts = <28>;
#interrupt-cells = <1>;
interrupt-controller;
};
apb {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "simple-bus";
ranges = <0xa0000000 0xa0000000 0x10000000
0xd0000000 0xd0000000 0x30000000>;
gpio1: gpio@a9000000 {
#gpio-cells = <2>;
compatible = "arm,pl061", "arm,primecell";
gpio-controller;
reg = <0xa9000000 0x1000>;
interrupts = <8>;
interrupt-parent = <&shirq>;
status = "disabled";
};
kbd@a0000000 {
compatible = "st,spear300-kbd";
reg = <0xa0000000 0x1000>;
interrupts = <7>;
interrupt-parent = <&shirq>;
status = "disabled";
};
};
};
};
设备树的基本单元是节点,由根节点(/)和其子节点(name@addr)组成,子节点也可以有子节点,形成一个树状结构。 上例中:
node-name@unit-address
“node-name”是节点名字,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,比如“cpu@0”、“interrupt-controller@00a01000”。
另一种格式:
label: node-name@unit-address
引入 label 的目的就是为了方便访问节点,可以直接通过&label 来访问这个节点,比如通过&cpu0 就可以访问“cpu@0”这个节点,而不需要输入完整的节点名字。
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,几个常用的标准属性:
"manufacturer,model"
manufacturer 表示厂商,model 一般是模块对应的驱动名字。
例如:kernel4.14\arch\arm\boot\dts\sun8i-a33-et-q8-v1.6.dts
/ {
model = "Q8 A33 Tablet";
compatible = "allwinner,q8-a33", "allwinner,sun8i-a33";
};
compatible = “allwinner,q8-a33”, “allwinner,sun8i-a33”;则表示当前设备树支持allwinner的q8-a33平台和sun8i-a33平台。当内核运行对应arch目录下的mach平台文件时,会匹配到这个设备树,然后进行加载。
reg = <address1 length1 address2 length2 address3 length3……>
每个“address length”组合表示一个地址范围,其中 address 是起始地址,length 是地址长度,#address-cells 表明 address 这个数据所占用的字长,#size-cells 表明 length 这个数据所占用的字长。
fsmc: flash@94000000 {
compatible = "st,spear600-fsmc-nand";
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
reg = <0x94000000 0x1000 /* FSMC Register */
0x80000000 0x0010 /* NAND Base DATA */
0x80020000 0x0010 /* NAND Base ADDR */
0x80010000 0x0010>; /* NAND Base CMD */
reg-names = "fsmc_regs", "nand_data", "nand_addr", "nand_cmd";
status = "disabled";
};
在fsmc中reg的第一个地址是0x94000000,它的大小是0x1000;第二个地址是0x80000000,它的大小是0x0010;第三个地址是0x80020000 ,它的大小是0x0010;第四个地址是0x80010000 ,它的大小是0x0010。代表这个设备占了四块寄存器地址空间,每块的起始地址和偏移量都在reg中列举出来了。
apb {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "simple-bus";
ranges = <0xa0000000 0xa0000000 0x10000000
0xd0000000 0xd0000000 0x30000000>;
gpio1: gpio@a9000000 {
#gpio-cells = <2>;
compatible = "arm,pl061", "arm,primecell";
gpio-controller;
reg = <0xa9000000 0x1000>;
interrupts = <8>;
interrupt-parent = <&shirq>;
status = "disabled";
};
kbd@a0000000 {
compatible = "st,spear300-kbd";
reg = <0xa0000000 0x1000>;
interrupts = <7>;
interrupt-parent = <&shirq>;
status = "disabled";
};
};
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。
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。
如kernel4.14\arch\arm\boot\dts\sun8i-r16-bananapi-m2m.dts
/dts-v1/;
#include "sun8i-a33.dtsi"
#include <dt-bindings/gpio/gpio.h>
/ {
model = "BananaPi M2 Magic";
compatible = "sinovoip,bananapi-m2m", "allwinner,sun8i-a33";
aliases {
i2c0 = &i2c0;
i2c1 = &i2c1;
i2c2 = &i2c2;
serial0 = &uart0;
serial1 = &uart1;
};
chosen {
stdout-path = "serial0:115200n8";
};
...
/ {
memory {
reg = <0x00000000 0x20000000>;
};
...
在kernel/arch/arm/boot/dts/目录下的Makefile中加入该dts文件的编译选项,内核目录下make dtbs就可得到对应的dtb二进制文件。
在ubuntu使用 dtc 工具编译设备树:
sudo apt-get install device-tree-compiler
dtc -I dts -O dtb -o xxx.dtb xxx.dts
dtc -I dtb -O dts -o xxx.dts xxx.dtb