万字长文教你设备树语法 | 设备树实例解析

Mculover666

发布于 2022-05-23 09:38:25

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发布于 2022-05-23 09:38:25

文章被收录于专栏：TencentOS-tiny

一、设备树简介

1. 设备树在 ARM 架构的引入

在之前使用 S3C2440 开发板移植 Linux 3.4.2 内核时，修改了很多关于 c 文件去适配开发板，和开发板相关的文件放在arch/arm/mxch-xxx目录下，因此 linux 内核 arm 架构下添加了很多开发板的适配文件：

这些 c 文件仅仅用来适配某款开发板，对于 Linux 内核来说并没有提交什么新功能，但是每适配一款新的开发板就需要一堆文件，导致 Linux 内核越来越臃肿：

终于 Linus 忍不住天天 merge 这些鬼东西，向 arm 社区发出了一封邮件，第一句话就足矣表现不满："This whole ARM thing is a f*cking pain in the ass"。

因此，Arm 社区开始引入之前 powerPC 架构就采用的设备树，将描述这些板级信息的文件与 Linux 内核代码分离，Linux 4.x 版本几乎都支持设备树，所有开发板的设备树文件统一放在arch/arm/boot/dts目录中。

2. 什么是设备树

设备树全称 Device Tree，是一种数据结构，用来描述板级设备信息，比如 CPU 数量、外设基地址、总线设备等，如图：

3. DTS、DTSI、DTB

（1）DTS：设备树描述文件为.dts格式，这个也是我们重点需要掌握编写的。（2）DTSI

为了减少冗余，设备树头文件格式为.dtsi文件，可以被不同的.dts文件引用。

比如 imx6ull 有野火、正点原子、米尔、百问网等很多款开发板，这些开发板肯定需要一个 dts 文件来描述，但是关于 imx6ull 芯片级别的描述，就不需要每个文件都去描述一下，而是大家都引用 NXP 官方提供的.dtsi描述文件即可。

这样既最大化的降低了设备描述文件的冗余程序，也极大的降低了开发者适配新开发板的工作量。

（3）DTC

编写.dtc文件使用设备树语法，则需要一个特定的编译器来编译，称为dtc工具，源码在 Linux 内核的scripts/dtc目录下。

（4）DTB：设备树源码.dts、.dtsi文件最终经过 dtc 编译器，会生成.dtb文件。

4. 设备树编译

（1）简单粗暴，编译内核

make

（2）编译全部设备树文件

make dtbs

（3）编译指定的设备树文件

make <xxx.dtb>

二、设备树语法

1. 设备树版本

/dts-v1/

2. 设备树节点

设备树是由一个个节点组成的，每个节点相当于树上的一片叶子，节点的结构和约定如下。

（1）节点名称

node-name@unit-address

node-name指明了节点的名称，长度应该为 1-31 个字符，命名应该以小写或者大写字母开头，支持的字符如下表：

节点名称的unit-address表示设备地址或者寄存器首地址（具体节点具体分析，不一定是绝对地址），必须与节点 reg 属性中指定的首地址匹配。

eg. imx6ull.dtsi 中描述的 uart1 控制器节点：

该节点 label 为 uart1，节点名称为 serial，设备地址（寄存器首地址）为 02020000，正是 imx6ull uart1 外设寄存器的首地址。

（2）路径名称

通过指定从根节点到所有子节点到所需节点的完整路径，可以唯一地标识设备树中的节点。

指定设备路径的约定如下：

/node-name-1/node-name-2/node-name-N

（3）属性

设备树中的每个节点都有用来描述节点信息的属性。属性由名称和值两部分组成，属性名称的可用字符如下表：

属性值是一个由零个或多个字节组成的数组，其中包含与属性相关联的信息，支持的数据类型如下：

（4）节点标签

节点标签用：隔开，为了方便访问节点，可用直接通过&node-lable来访问节点，示例如下：

node-label: node-name@unit-address {

};

3. 设备树节点标准属性

DTSpec 为设备节点指定一组标准属性，如下。

（1）compatible

compatible 属性值由 string list 组成，定义了设备的兼容性，推荐格式为manufacturer,model，manufacturer 描述了生产商，model 描述了型号。

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

开发板上的音频芯片采用的欧胜 WM8960，sound 节点的 compatible 属性值如下：

compatible = "fsl,imx6ul-evk-wm8960","fsl,imx-audio-wm8960"

使用的时候，sound 这个设备首先使用第一个兼容值在 Linux 内核中查找，看看能不能找到对应的驱动文件；如果没有找到的话，就使用第二个兼容值查找。

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 属性值核 OF 匹配表中的任何一个值相等，那么就表示这个设备可以使用这个驱动。

比如在文件imx-wm8960.c文件中：

static const struct of_device_id imx_wm8960_dt_ids[] = {
 { .compatible = "fsl,imx-audio-wm8960", },
 { /* sentinel */ }
};

这个数组就是imx-wm8960.c这个驱动文件的匹配表。

（2） model

model 属性值是一个 string，指明了设备的厂商和型号，推荐格式为manufacturer,model。

model = "Freescale i.MX6 ULL 14x14 EVK Board";

（3） phandle

phandle 属性值是一个 u32，为设备树中唯一的节点指定一个数字标识符，用于其它节点指明关系。

（4） status

status 属性值是一个 string，表示设备的运行状态，可用值如下表：

（5）#address-cells 和 #size-cells

#address-cells and #size-cells 属性值是一个 u32，可以用在任何拥有子节点的设备中，并描述子设备节点应该如何寻址。

#address-cells属性定义子节点 reg 属性中地址字段所占用的字长，也就是占用 u32 单元格的数量。

#size-cells属性定义子节点 reg 属性值的长度所占用的 u32 单元格的数量。

（6）reg

reg 属性值是一个 prop-encoded-array，用来描述设备地址空间资源信息，一般是某个外设的寄存器地址范围信息，包括起始地址和地址长度。

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

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表示 length 这个数据所占用的字长。

比如：

spi4 {
  compatible = "spi-gpio";
  pinctrl-names = "default";
  pinctrl-0 = <&pinctrl_spi4>;
  status = "okay";
  gpio-sck = <&gpio5 11 0>;
  gpio-mosi = <&gpio5 10 0>;
  num-chipselects = <1>;
  #address-cells = <1>;
  #size-cells = <0>;

  gpio_spi: gpio_spi@0 {
   compatible = "fairchild,74hc595";
   gpio-controller;
   #gpio-cells = <2>;
   reg = <0>;
   registers-number = <1>;
   registers-default = /bits/ 8 <0x57>;
   spi-max-frequency = <100000>;
  };
 };

#address-cells = <1>表示子节点中 reg 属性的 address 占用 1 个 u32 数据，#size-cells 表示子节点中 reg 属性的 length 不占用空间，没有。

在子节点 gpio_spi 中：reg 属性值设置为<0>，相当于设置了起始地址，而没有设置地址长度。

（7）virtual-reg

（8）ranges

（9）dma-ranges

4. 特殊节点

（1）根节点

树是由树根开始的，在设备树中称之为根节点，路径为/，根节点不需要节点名称，所有子节点都是挂在根节点上的，可以看到最简单的根节点如下：

/ {

};

根节点的属性有：

（2）aliases

aliases 节点用来定义别名，为了内核方便访问节点。

（3）chosen

chosen 节点是为了uboot 向 Linux 内核传递数据，重点是 bootargs 参数，一般.dts 文件中 chosen 节点通常为空或者内容很少。

此处关于 uboot 如何通过设备树传参给 kernel，可以单独写篇文章，待补充...

5. 向节点追加内容

（1）向根节点追加内容

/ {
 //要补充的内容
};

（2）向子节点追加内容

&node-label {
 //追加内容
};

三、设备树实例

i.MX6ULL 内部框图

如何寻找开发板对应的设备树文件

直接查看arch/arm/boot/dts/Makefile文件，在该文件中查找即可，比如 imx6ull 相关部分如下：

dtb-$(CONFIG_SOC_IMX6ULL) += \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-adc.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-cs42888.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-ecspi.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-emmc.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-epdc.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-flexcan2.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-gpmi-weim.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-lcdif.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-ldo.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-qspi.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-qspi-all.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-tsc.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-uart2.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-usb.dtb \
        imx6ull-14x14-ddr3-arm2-wm8958.dtb \
        imx6ull-14x14-evk.dtb \
        imx6ull-14x14-evk-btwifi.dtb \
        imx6ull-14x14-evk-emmc.dtb \
        imx6ull-14x14-evk-gpmi-weim.dtb \
        imx6ull-14x14-evk-usb-certi.dtb \
        imx6ull-9x9-evk.dtb \
        imx6ull-atk-emmc.dtb \
        imx6ull-9x9-evk-btwifi.dtb \
        imx6ull-9x9-evk-ldo.dtb

可以看到所有 imx6ull 的开发板，其中我们移植的开发板为imx6ull-atk-emmc.dtb，本文就以该设备树文件为例，讲述设备树语法。

1. skeleton 描述文件

查看文件arch/arm/boot/dts/skeleton.dtsi，内容非常简洁，只定义了根节点：

2. imx6ull 芯片级描述文件（通用）

不同的 imx6ull 开发板都是使用 imx6ull 这颗处理器芯片，而 imx6ull soc 芯片级的描述是固定的，通常这个也是由芯片厂商提供。

查看imx6ull.dtsi文件，整体框架如下：

接下来我们逐个分析。

2.1. 根节点的补充

该文件引用的skeleton.dtsi文件中，已经定义了根节点，如果再次定义根节点，其中的内容将作为对根节点的补充。

在该描述文件中，挂在根节点上的子节点有：aliases、cpus、intc、clocks、soc。

（1）aliases 节点

aliases 节点用来定义一个或多个别名属性，按照约定，该节点应该在根节点上。

（2）cpus 节点所有的设备树都需要 cpus 节点，用来描述系统的 CPU 信息。

i.MX6ULL 是单核处理器，因此只有一个/cpus/cpu*子节点，用来表示某一个具体 CPU 核的信息，其中有以下属性：

compatible：
device_type：描述设备类型
reg
clock-latency
operating-points
fsl,soc-operating-points
fsl,low-power-run
clocks
clock-names

（3）intc 节点

（4）clocks 节点

（5）soc 节点

soc 节点中，描述了 i.MX6ULL 片上的总线和全部外设：

2.2. aips2 总线节点分析

aips2: aips-bus@02100000 {
   compatible = "fsl,aips-bus", "simple-bus";
   #address-cells = <1>;
   #size-cells = <1>;
   reg = <0x02100000 0x100000>;
   ranges;

   //一堆外设子节点，省略...
};

aips2 节点的属性有：

compatible：兼容性
#address-cells：子节点reg 属性中地址字段所占用的单元格数量，占用 1 个 u32
size-cells：子节点reg 属性值的长度所占用的单元格的数量，占用 1 个 u32
reg：寄存器起始地址 0x02100000，长度 0x100000
ranges：空

2.3. i2c 控制器节点分析

i2c 控制器是挂在 aips2 总线上的，对应到设备树中，i2c 控制器节点挂在 aips2 节点上，描述代码如下：

以 i2c1 节点为例，标签是 i2c1，节点名称是 i2c，寄存器起始地址是 0x021a0000，有如下属性：

#address-cells：子节点reg 属性中地址字段所占用的单元格数量，占用 1 个 u32
size-cells：子节点reg 属性值的长度所占用的单元格的数量，占用 0 个 u32
compatible：兼容性，fsl,imx6ul-i2c 和 fsl,imx21-i2c
reg：寄存器，起始地址是 0x021a0000，长度是 0x4000
interrupts：中断，不了解 A7 的中断控制器，看不懂
clocks：时钟源，clks 节点的 IMX6UL_CLK_I2C1 这个时钟
status：节点状态，禁用

3. imx6ull ATK 开发板描述文件

imx6ull-atk-emmc.dts这个文件的大概框架如下。

3.1. 版本

/dts-v1/;

3.2. 根节点的补充

框架如下：

其中 chosen 节点是 uboot 用来向内核传递参数，内容如下：

3.3. 子节点的补充

根节点之后，使用引用符&来对imx6ull.dtsi文件中定义的子节点进行补充，用来描述开发板的具体配置，这个也是主要需要适配修改的文件。

3.4. 磁力计 mag3110 节点分析

在 NXP 官方开发板上，磁力计 mag3110 是接在 i2c1 总线控制器上的，对应到设备树中，磁力计节点挂在 i2c1 控制器节点上，如下。

可以看到，i2c1 节点的补充描述中，就描述了 i2c1 控制器上所连接的设备。

i2c1 节点的补充属性有：

clock-frequency：i2c 控制器时钟频率，100khz
pinctrl-names：
pinctrl-0：
status：设备状态，就绪

i2c 控制器上接了两个设备，一个是 mag3110 磁力计，一个是 fxls8471 加速度计。注意，在描述节点时，@后面的地址变为了 i2c 总线的设备地址，mag3110 的 i2c 从机地址是 0e，fxls8471 的 i2c 从机地址是 1e。

至此，imx6ull 设备树分析完成，完整的思维导图文档在这里：【腾讯文档】imx6ull 设备树[1]。

四、设备树在系统中的体现

Linux 内核启动的时候会解析设备树 dtb 文件，所以启动以后可以在根文件系统中看到设备树的节点信息，在/proc/device-tree目录中：

这里 device-tree 目录是一个软链接，实际指向/sys/firmware/devicetree/base目录。

在 device-tree 目录中，首先可以看到设备树根节点下的所有一级子节点。

（1）属性是以文件的方式给出，可以直接查看。

比如查看根节点的 model 属性：

（2）节点以目录的方式给出。

比如 soc 子节点的内容如下：

五、设备树绑定信息文档

在设备树中添加一个新的节点时，添加的格式在 Linux 内核源码中有详细的.txt 文档描述，这些 txt 文档就称为绑定文档。

绑定文档在/Documentation/devicetree/bindings路径中：

比如我们在开发板的 i2c 上新添加了一个设备，需要在设备树的 i2c 节点下新添加一个节点，就可以查看i2c/i2c-imx.txt文档：

六、Linux 内核的 OF 操作函数

Linux 内核提供了一系列的函数来获取设备树中的节点或者属性信息，这一系列的函数都有一个统一的前缀of_，所以也称为 OF 函数，声明在文件include/linux/of.h文件中。

1. 内核对于设备树节点的描述

Linux 内核使用 device_node 结构体来描述一个设备树节点，定义在文件include/linux/of.h文件中。

struct device_node {
 const char *name;
 const char *type;
 phandle phandle;
 const char *full_name;
 struct fwnode_handle fwnode;

 struct property *properties;
 struct property *deadprops; /* removed properties */
 struct device_node *parent;
 struct device_node *child;
 struct device_node *sibling;
 struct kobject kobj;
 unsigned long _flags;
 void *data;
#if defined(CONFIG_SPARC)
 const char *path_component_name;
 unsigned int unique_id;
 struct of_irq_controller *irq_trans;
#endif
};

2. 查找节点

（1）通过节点名字查找节点

extern struct device_node *of_find_node_by_name(struct device_node *from,
 const char *name);

参数意义如下：

from：开始查找的节点，NULL 表示根节点
name：要查找的节点名称

返回值为找到的节点，NULL 为查找失败。

（2）通过节点类型查找节点

extern struct device_node *of_find_node_by_type(struct device_node *from,
 const char *type);

type 参数指定要查看节点对应的 type 字符串，也就是 device_type 属性值。

（3）通过 device_type 和 compatible 查找节点

extern struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from,
 const char *type, const char *compat);

（4）通过 of_device_id 匹配表来查找节点

extern 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);

（5）通过路径来查找节点

static inline struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)
{
 return of_find_node_opts_by_path(path, NULL);
}

这里的 path 必须要是绝对路径。

3. 获取父子节点

（1）获取父节点

extern struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node);

（2）迭代查找子节点

extern struct device_node *of_get_next_child(const struct device_node *node,
          struct device_node *prev);

prev 参数是前一个子节点，如果为 NULL 表示从第一个子节点开始。

4. 提取属性值

在节点描述类型 device_node 中，有这样一项用来描述属性值：

struct property *properties;

property 结构体类型定义如下：

struct property {
 char *name;
 int length;
 void *value;
 struct property *next;
 unsigned long _flags;
 unsigned int unique_id;
 struct bin_attribute attr;
};

（1）查找指定节点的属性

extern struct property *of_find_property(const struct device_node *np,
      const char *name,
      int *lenp);

参数 name 指属性名字，lenp 指属性值的字节数。

（2）获取属性中元素的数量

extern int of_property_count_elems_of_size(const struct device_node *np,
    const char *propname, int elem_size);

参数 propname 是需要统计元素数量的属性名字，参数 elem_size 是元素的长度。

返回值是获取到的属性元素数量。

eg. reg 属性的值通常是一个数组，使用此函数可以获取的数组的大小。

（3）从属性中获取指定索引的 u32 类型数据值

extern int of_property_read_u32_index(const struct device_node *np,
           const char *propname,
           u32 index, u32 *out_value);

参数 out_value 用来返回获取到的值。

返回值用来表示是否获取成功。

（4）从属性中获取数组值

extern int of_property_read_u8_array(const struct device_node *np,
   const char *propname, u8 *out_values, size_t sz);
extern int of_property_read_u16_array(const struct device_node *np,
   const char *propname, u16 *out_values, size_t sz);
extern int of_property_read_u32_array(const struct device_node *np,
          const char *propname,
          u32 *out_values,
          size_t sz);
extern int of_property_read_u64_array(const struct device_node *np,
          const char *propname,
          u64 *out_values,
          size_t sz);

eg. reg 属性的值通常是一个数组，使用这个函数可以一次读取出一个数组，也就是 reg 属性的全部值。

（5）从属性中获取布尔值/整形值

/**
 * of_property_read_bool - Findfrom a property
 * @np:  device node from which the property value is to be read.
 * @propname: name of the property to be searched.
 *
 * Search for a property in a device node.
 * Returns true if the property exist false otherwise.
 */
static inline bool of_property_read_bool(const struct device_node *np,
      const char *propname)
{
 struct property *prop = of_find_property(np, propname, NULL);

 return prop ? true : false;
}

static inline int of_property_read_u8(const struct device_node *np,
           const char *propname,
           u8 *out_value)
{
 return of_property_read_u8_array(np, propname, out_value, 1);
}

static inline int of_property_read_u16(const struct device_node *np,
           const char *propname,
           u16 *out_value)
{
 return of_property_read_u16_array(np, propname, out_value, 1);
}

static inline int of_property_read_u32(const struct device_node *np,
           const char *propname,
           u32 *out_value)
{
 return of_property_read_u32_array(np, propname, out_value, 1);
}

static inline int of_property_read_s32(const struct device_node *np,
           const char *propname,
           s32 *out_value)
{
 return of_property_read_u32(np, propname, (u32*) out_value);
}

（6）从属性中获取字符串

extern int of_property_read_string(struct device_node *np,
       const char *propname,
       const char **out_string);

（7）获取#address-cells 和#size-cells 属性值

extern int of_n_addr_cells(struct device_node *np);
extern int of_n_size_cells(struct device_node *np);

6. 地址相关操作

地址相关操作的函数定义在include/linux/of_address.h文件中。

（1）获取地址相关属性

static inline const __be32 *of_get_address(struct device_node *dev, int index,
     u64 *size, unsigned int *flags);

参数 index 是要读取的地址标号，size 是地址长度，flag 是是参数，比如 IORESOURCE_IO、IORESOURCE_MEM 等。

返回值是读取到的数据首地址，为 NULL 则表示读取失败。

（2）将从设备树读取到的地址转换为物理地址

extern u64 of_translate_address(struct device_node *np, const __be32 *addr);

返回值为转换得到的地址，如果为 OF_BAD_ADDR 的话表示转换失败。

（3）将地址转换为 resources 资源

GPIO、IIC、SPI 这些外设都有对应的寄存器，这些寄存器就是一段内存空间，Linux 内核使用 resource 结构体来描述一段内存空间，定义在文件include/linux/ioport.h中。

/*
 * Resources are tree-like, allowing
 * nesting etc..
 */
struct resource {
 resource_size_t start;
 resource_size_t end;
 const char *name;
 unsigned long flags;
 struct resource *parent, *sibling, *child;
};

其中：

start：资源起始地址
end：资源结束地址
name：资源名称
flags：资源类型
链表节点，用于嵌套

资源类型同样定义在文件include/linux/ioport.h中，如下：

/*
 * IO resources have these defined flags.
 */
#define IORESOURCE_BITS  0x000000ff /* Bus-specific bits */

#define IORESOURCE_TYPE_BITS 0x00001f00 /* Resource type */
#define IORESOURCE_IO  0x00000100 /* PCI/ISA I/O ports */
#define IORESOURCE_MEM  0x00000200
#define IORESOURCE_REG  0x00000300 /* Register offsets */
#define IORESOURCE_IRQ  0x00000400
#define IORESOURCE_DMA  0x00000800
#define IORESOURCE_BUS  0x00001000

#define IORESOURCE_PREFETCH 0x00002000 /* No side effects */
#define IORESOURCE_READONLY 0x00004000
#define IORESOURCE_CACHEABLE 0x00008000
#define IORESOURCE_RANGELENGTH 0x00010000
#define IORESOURCE_SHADOWABLE 0x00020000

#define IORESOURCE_SIZEALIGN 0x00040000 /* size indicates alignment */
#define IORESOURCE_STARTALIGN 0x00080000 /* start field is alignment */

#define IORESOURCE_MEM_64 0x00100000
#define IORESOURCE_WINDOW 0x00200000 /* forwarded by bridge */
#define IORESOURCE_MUXED 0x00400000 /* Resource is software muxed */

#define IORESOURCE_EXCLUSIVE 0x08000000 /* Userland may not map this resource */
#define IORESOURCE_DISABLED 0x10000000
#define IORESOURCE_UNSET 0x20000000 /* No address assigned yet */
#define IORESOURCE_AUTO  0x40000000
#define IORESOURCE_BUSY  0x80000000 /* Driver has marked this resource busy */

常用的资源是 IORESOURCE_MEM、IORESOURCE_REG、IORESOURCE_IRQ 三个。

OF 函数中，可以将 reg 属性给出的地址转换为 resource 资源：

extern int of_address_to_resource(struct device_node *dev, int index,
      struct resource *r);

（4）虚拟地址映射

之前使用 ioremap 函数来完成物理地址到虚拟地址的映射，采用设备树以后，可以直接通过 of_iomap 来完成物理地址到虚拟地址的映射。

void __iomem *of_iomap(struct device_node *node, int index);

参数 index 是 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。

7. 其它常用 OF 函数

（1）检查设备兼容性

extern int of_device_is_compatible(const struct device_node *device,
       const char *);

第二个参数用来指定要查看的字符串，该函数会检查指定的字符串是否在节点的 compatible 属性中。

至此，设备树基本知识学习完毕，又是一篇万字长文。

参考资料

[1]

【腾讯文档】imx6ull 设备树: https://docs.qq.com/mind/DR29WT0R4YWVEeUh2（点击阅读原文即可查看思维导图）

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。

原始发表：2022-04-20，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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