在嵌入式系統(tǒng)和內(nèi)核開發(fā)中，設(shè)備樹（Device Tree, 簡稱 DT）扮演著至關(guān)重要的角色，幫助系統(tǒng)在啟動時準(zhǔn)確識別硬件配置并匹配合適的驅(qū)動程序。雖然設(shè)備樹應(yīng)用廣泛，但其結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制及應(yīng)用細(xì)節(jié)卻不總是被深入理解。本文將從各個方面講解設(shè)備樹，帶你全面了解這個強(qiáng)大的工具。

1. 什么是內(nèi)核設(shè)備樹？

設(shè)備樹是用于描述硬件結(jié)構(gòu)的文本格式，最初由 Open Firmware 定義，并被引入 Linux 以幫助內(nèi)核識別和配置硬件。它將硬件描述與內(nèi)核源碼分離，使同一內(nèi)核可以在不同硬件平臺上運(yùn)行，而不需要針對每個平臺編寫?yīng)毺氐膬?nèi)核代碼。

設(shè)備樹通常包括：

• 設(shè)備樹源碼（.dts）：描述硬件的文本文件。
• 二進(jìn)制設(shè)備樹（.dtb）：編譯后的文件，在啟動時傳遞給內(nèi)核。

通過這種方式，設(shè)備樹提高了內(nèi)核對不同硬件平臺的兼容性和維護(hù)性。

2. 設(shè)備樹的基本結(jié)構(gòu)

設(shè)備樹以樹形結(jié)構(gòu)組織，使用節(jié)點(diǎn)和屬性來描述硬件。每個節(jié)點(diǎn)代表一個硬件設(shè)備或組件，節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含的屬性定義該設(shè)備的特征和配置。

一個示例設(shè)備樹片段如下：

/ {model = "Raspberry Pi 4";compatible = "raspberrypi,4-model-b";memory {device_type = "memory";reg = <0x0 0x40000000>;};soc {compatible = "simple-bus";#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;uart@7e215040 {compatible = "ns16550a";reg = <0x7e215040 0x40>;status = "okay";};};
};

解釋：

• model 和 compatible 屬性：用于識別設(shè)備樹適用于哪些硬件。
• reg 屬性：定義設(shè)備在內(nèi)存中的地址范圍。
• status 屬性：用于指示設(shè)備是否啟用。

這種結(jié)構(gòu)使得設(shè)備樹可以靈活描述各種硬件設(shè)備，支持嵌入式系統(tǒng)中常見的不同配置。

3. 設(shè)備樹的編譯與加載

編寫好 .dts 文件后，需要通過 dtc 工具將其編譯為 .dtb 文件，編譯命令如下：

dtc -I dts -O dtb -o output.dtb input.dts

在系統(tǒng)引導(dǎo)過程中，啟動加載程序（如 U-Boot）會將 .dtb 文件傳遞給內(nèi)核，內(nèi)核利用 libfdt（設(shè)備樹解析庫）進(jìn)行解析。解析過程包括從設(shè)備樹中讀取屬性并注冊硬件設(shè)備，以確保所有驅(qū)動程序在啟動時能正確初始化硬件。

4. 內(nèi)核如何解析設(shè)備樹

內(nèi)核解析設(shè)備樹時會掃描每個節(jié)點(diǎn)并根據(jù) compatible 屬性匹配驅(qū)動程序。例如，early_init_dt_scan() 函數(shù)用于在啟動時掃描設(shè)備樹的根節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)設(shè)備樹解析的大致流程如下：

1. 引導(dǎo)加載：加載程序?qū)?.dtb 文件傳遞給內(nèi)核。
2. 解析和掃描：內(nèi)核掃描設(shè)備樹以獲取硬件配置信息。
3. 注冊設(shè)備：根據(jù) compatible 屬性調(diào)用合適的驅(qū)動程序。

5. 設(shè)備樹的調(diào)試和問題排查

調(diào)試設(shè)備樹時，可以使用以下方法：

• dmesg 日志：通過內(nèi)核日志查看設(shè)備樹解析是否成功。
• 編譯后驗證：使用 dtc 反編譯 .dtb 文件來驗證其內(nèi)容是否正確：

  dtc -I dtb -O dts -o output.dts input.dtb
  

• fdtget 工具：用于從 .dtb 文件中提取屬性值。例如：

  fdtget output.dtb /soc/uart@7e215040 compatible
  

這些工具可以幫助開發(fā)者快速檢查設(shè)備樹的正確性，并在修改時驗證更改是否有效。

6. 應(yīng)用案例：設(shè)備樹在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)踐

以樹莓派為例，設(shè)備樹文件用于描述各種外設(shè)、引腳映射和總線配置。開發(fā)者通過修改設(shè)備樹可以添加或修改 GPIO、I2C 總線等配置，無需更改內(nèi)核源碼。例如：

• GPIO 配置：通過添加 gpio 節(jié)點(diǎn)，可輕松定義新的引腳。
• I2C 總線：可以定義從設(shè)備和相關(guān)屬性，確保外設(shè)能與總線正確通信。

在其他嵌入式平臺上，如 NXP i.MX 系列，設(shè)備樹用于配置復(fù)雜的多核處理器、視頻引擎、音頻子系統(tǒng)和外部接口。這類設(shè)備樹通常包含更詳細(xì)的屬性和更復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

7. 設(shè)備樹與驅(qū)動開發(fā)

在編寫設(shè)備驅(qū)動程序時，驅(qū)動程序中需要使用 of_match_table 來匹配設(shè)備樹中指定的 compatible 屬性：

static const struct of_device_id my_driver_of_match[] = {{ .compatible = "myvendor,mydevice" },{},
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_driver_of_match);

這種匹配機(jī)制確保了驅(qū)動程序只加載與其 compatible 屬性相符的設(shè)備。

8. 圖解設(shè)備樹的加載流程

為了更清晰地理解設(shè)備樹的加載過程，下圖展示了設(shè)備樹的編譯和內(nèi)核解析的全流程：

.dts 文件│└─→ dtc 編譯│.dtb 文件│└─→ 啟動加載程序（如 U-Boot）│└─→ 傳遞給內(nèi)核│└─→ 內(nèi)核解析│└─→ 注冊設(shè)備并調(diào)用驅(qū)動

這種流程圖有助于讀者快速理解設(shè)備樹在系統(tǒng)啟動過程中的作用。

9. 設(shè)備樹的未來發(fā)展

設(shè)備樹正不斷發(fā)展以適應(yīng)新需求，如動態(tài)疊加（Device Tree Overlay），支持在系統(tǒng)運(yùn)行時動態(tài)加載和修改設(shè)備樹。這使得設(shè)備樹更加靈活，能夠支持熱插拔設(shè)備和模塊化硬件設(shè)計。

10. 結(jié)論

設(shè)備樹在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。它不僅實(shí)現(xiàn)了硬件配置的靈活性，還使得內(nèi)核和硬件的維護(hù)更加簡單。了解設(shè)備樹的工作原理、語法和在內(nèi)核中的應(yīng)用，可以幫助開發(fā)者更高效地開發(fā)和調(diào)試項目。未來，設(shè)備樹將會在支持更復(fù)雜的系統(tǒng)和動態(tài)硬件配置中發(fā)揮更重要的作用。

希望這篇博文能讓你更全面地理解內(nèi)核設(shè)備樹，并在你的項目中自信地運(yùn)用這一強(qiáng)大工具。