一文详解 | Linux设备树框架及驱动移植实例

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一、设备树概念

Linux内核从3.x开始引入设备树的概念，用于实现驱动代码与设备信息相分离。在设备树出现以前，所有关于设备的具体信息都要写在驱动里，一旦外围设备变化，驱动代码就要重写。

引入了设备树之后，驱动代码只负责处理驱动的逻辑，而关于设备的具体信息存放到设备树文件中，这样，如果只是硬件接口信息的变化而没有驱动逻辑的变化，驱动开发者只需要修改设备树文件信息，不需要改写驱动代码。比如在ARM Linux内，一个.dts(device tree source)文件对应一个ARM的machine，一般放置在内核的"arch/arm/boot/dts/"目录内，比如exynos4412参考板的板级设备树文件就是"arch/arm/boot/dts/exynos4412-origen.dts"。这个文件可以通过 $make dtbs 命令编译成二进制的 .dtb 文件供内核驱动使用。

基于同样的软件分层设计的思想，由于一个SoC可能对应多个machine，如果每个machine的设备树都写成一个完全独立的.dts文件，那么势必相当一些.dts文件有重复的部分，为了解决这个问题，Linux设备树目录把一个SoC公用的部分或者多个machine共同的部分提炼为相应的.dtsi文件。这样每个.dts就只有自己差异的部分，公有的部分只需要"include"相应的.dtsi文件, 这样就使整个设备树的管理更加有序。

我这里用Linux4.8.5源码自带的dm9000网卡为例来分析设备树的使用和移植。这个网卡的设备树节点信息在"Documentation/devicetree/bindings/net/davicom-dm9000.txt"有详细说明，其网卡驱动源码是"drivers/net/ethernet/davicom/dm9000.c"。

二、设备树框架

设备树用树状结构描述设备信息，它有以下几种特性：

1. 每个设备树文件都有一个根节点，每个设备都是一个节点。 2. 节点间可以嵌套，形成父子关系，这样就可以方便的描述设备间的关系。 3. 每个设备的属性都用一组key-value对(键值对)来描述。 4. 每个属性的描述用 ; 结束。

所以，一个设备树的基本框架可以写成下面这个样子，一般来说，/表示板子，它的子节点node1表示SoC上的某个控制器，控制器中的子节点node2表示挂接在这个控制器上的设备(们)。

/{  //根节点
    node1{    //node1是节点名，是/的子节点
        key=value;  //node1的属性
        ...
        node2{   //node2是node1的子节点
            key=value;  //node2的属性
            ...
        }
    }  //node1的描述到此为止
    node3{
        key=value;
        ...
    }
}

1. 节点名

理论个节点名只要是长度不超过31个字符的ASCII字符串即可，此外Linux内核还约定设备名应写成形如 <name>[@<unit_address>] 的形式，其中name就是设备名，最长可以是31个字符长度。unit_address一般是设备地址，用来唯一标识一个节点，下面就是典型节点名的写法：

上面的节点名是 firmware ，节点路径是 /firmware@0203f000 ,这点要注意，因为根据节点名查找节点的API的参数是不能有"@xxx"这部分的。

Linux中的设备树还包括几个特殊的节点，比如chosen，chosen节点不描述一个真实设备，而是用于firmware传递一些数据给OS，比如bootloader传递内核启动参数给内核。

2. 引用

当我们找一个节点的时候，我们必须书写完整的节点路径，这样当一个节点嵌套比较深的时候就不是很方便，所以，设备树允许我们用下面的形式为节点标注引用(起别名)，借以省去冗长的路径。这样就可以实现类似函数调用的效果。编译设备树的时候，相同的节点的不同属性信息都会被合并，相同节点的相同的属性会被重写，使用引用可以避免移植者四处找节点，直接在板级.dts增改即可。

下面的例子中就是直接引用了dtsi中的一个节点，并向其中添加/修改新的属性信息：

三、KEY

在设备树中，键值对是描述属性的方式，比如，Linux驱动中可以通过设备节点中的"compatible"这个属性查找设备节点。

Linux设备树语法中定义了一些具有规范意义的属性，包括：compatible, address, interrupt 等，这些信息能够在内核初始化找到节点的时候，自动解析生成相应的设备信息。此外，还有一些Linux内核定义好的，一类设备通用的有默认意义的属性，这些属性一般不能被内核自动解析生成相应的设备信息，但是内核已经编写的相应的解析提取函数，常见的有 "mac_addr"，"gpio"，"clock"，"power"。"regulator" 等等。

1. compatible

设备节点中对应的节点信息已经被内核构造成struct platform_device。驱动可以通过相应的函数从中提取信息。compatible属性是用来查找节点的方法之一，另外还可以通过节点名或节点路径查找指定节点。dm9000驱动中就是使用下面这个函数通过设备节点中的"compatible"属性提取相应的信息，所以二者的字符串需要严格匹配。

在下面的这个dm9000的例子中，我们在相应的板级dts中找到了这样的代码块：

然后我们取内核源码中找到dm9000的网卡驱动，从中可以发现这个驱动是使用的设备树描述的设备信息(这不废话么，显然用设备树好处多多)。我们可以找到它用来描述设备信息的结构体，可以看出，驱动中用于匹配的结构使用的compatible和设备树中一模一样，否则就可能无法匹配，这里另外的一点是struct of_device_id数组的最后一个成员一定是空，因为相关的操作API会读取这个数组直到遇到一个空。

2. address

(几乎)所有的设备都需要与CPU的IO口相连，所以其IO端口信息就需要在设备节点节点中说明。常用的属性有：

1. #address-cells，用来描述子节点"reg"属性的地址表中用来描述首地址的cell的数量；
2. #size-cells，用来描述子节点"reg"属性的地址表中用来描述地址长度的cell的数量。

有了这两个属性，子节点中的"reg"就可以描述一块连续的地址区域。下例中，父节点中指定了#address-cells = <2>;#size-cells = <1>，则子节点dev-bootscs0中的reg中的前两个数表示一个地址，即MBUS_ID(0xf0, 0x01)和0x1045C，最后一个数的表示地址跨度，即是0x4。

3. interrupts

一个计算机系统中大量设备都是通过中断请求CPU服务的，所以设备节点中就需要在指定中断号。常用的属性有：

1. interrupt-controller 一个空属性用来声明这个node接收中断信号，即这个node是一个中断控制器。
2. #interrupt-cells，是中断控制器节点的属性，用来标识这个控制器需要几个单位做中断描述符,用来描述子节点中"interrupts"属性使用了父节点中的interrupts属性的具体的哪个值。一般，如果父节点的该属性的值是3，则子节点的interrupts一个cell的三个32bits整数值分别为:<中断域 中断 触发方式>,如果父节点的该属性是2，则是<中断 触发方式>。
3. interrupt-parent，标识此设备节点属于哪一个中断控制器，如果没有设置这个属性，会自动依附父节点的。
4. interrupts，一个中断标识符列表，表示每一个中断输出信号。

设备树中中断的部分涉及的部分比较多，interrupt-controller表示这个节点是一个中断控制器，需要注意的是，一个SoC中可能有不止一个中断控制器，这就会涉及到设备树中断组织的很多概念，下面是在文件"arch/arm/boot/dts/exynos4.dtsi"中对exynos4412的中断控制器(GIC)节点描述：

要说interrupt-parent，就得首先讲讲Linux设备管理中对中断的设计思路演变。随着linux kernel的发展，在内核中将interrupt controller抽象成irqchip这个概念越来越流行，甚至GPIO controller也可以被看出一个interrupt controller chip，这样，系统中至少有两个中断控制器了，另外，在硬件上，随着系统复杂度加大，外设中断数据增加，实际上系统可以需要多个中断控制器进行级联，形成事实上的硬件中断处理结构：

在这种趋势下，内核中原本的中断源直接到中断号的方式已经很难继续发展了，为了解决这些问题，linux kernel的大牛们就创造了irq domain(中断域)这个概念。domain在内核中有很多，除了irq domain，还有power domain，clock domain等等，所谓domain，就是领域，范围的意思，也就是说，任何的定义出了这个范围就没有意义了。

如上所述，系统中所有的interrupt controller会形成树状结构，对于每个interrupt controller都可以连接若干个外设的中断请求（interrupt source，中断源），interrupt controller会对连接其上的interrupt source（根据其在Interrupt controller中物理特性）进行编号（也就是HW interrupt ID了）。

有了irq domain这个概念之后，这个编号仅仅限制在本interrupt controller范围内，有了这样的设计，CPU(Linux 内核)就可以根据级联的规则一级一级的找到想要访问的中断。当然，通常我们关心的只是内核中的中断号，具体这个中断号是怎么找到相应的中断源的，我们作为程序员往往不需要关心，除了在写设备树的时候，设备树就是要描述嵌入式软件开发中涉及的所有硬件信息，所以，设备树就需要准确的描述硬件上处理中断的这种树状结构，如此，就有了我们的interrupt-parant这样的概念：用来连接这样的树状结构的上下级，用于表示这个中断归属于哪个interrupt controller，比如，一个接在GPIO上的按键，它的组织形式就是：

中断源--interrupt parent-->GPIO--interrupt parent-->GIC1--interrupt parent-->GIC2--...-->CPU

有了parant，我们就可以使用一级一级的偏移量来最终获得当前中断的绝对编号，这里，可以看出，在我板子上的dm9000的的设备节点中，它的"interrupt-parent"引用了"exynos4x12-pinctrl.dtsi"（被板级设备树的exynos4412.dtsi包含）中的gpx0节点：

而在gpx0节点中，指定了"#interrupt-cells = <2>;"，所以在dm9000中的属性"interrupts = <6 4>;"表示dm9000的的中断在作为irq parant的gpx0中的中断偏移量，即gpx0中的属性"interrupts"中的"<0 22 0>"，通过查阅exynos4412的手册知道，对应的中断号是EINT[6]。

4. GPIO

gpio也是最常见的IO口，常用的属性有：

1. "gpio-controller"，用来说明该节点描述的是一个gpio控制器。
2. "#gpio-cells"，用来描述gpio使用节点的属性一个cell的内容，即 `属性 = <&引用GPIO节点别名 GPIO标号 工作模式>。

GPIO的设置同样采用了上述偏移量的思想，比如下面的这个led的设备树，表示使用GPX2组的第7个引脚：

5. 驱动自定义key

针对具体的设备，有部分属性很难做到通用，需要驱动自己定义好，通过内核的属性提取解析函数进行值的获取，比如dm9000节点中的下面这句就是自定义的节点属性，用以表示配置EEPROM不可用。

四、VALUE

dts描述一个键的值有多种方式，当然，一个键也可以没有值。

1. 字符串信息

2. 32bit无符号整型数组信息

3. 二进制数数组

4. 字符串哈希表

5. 混合形式

上述几种的混合形式。

五、设备树/驱动移植实例

设备树就是为驱动服务的，配置好设备树之后还需要配置相应的驱动才能检测配置是否正确。比如dm9000网卡，就需要首先将示例信息挂接到我们的板级设备树上，并根据芯片手册和电路原理图将相应的属性进行配置，再配置相应的驱动。需要注意的是，dm9000的地址线一般是接在片选线上的，所以设备树中就应该归属与相应片选线节点，我这里用的exynos4412，接在了bank1，所以是"<0x50000000 0x2 0x50000004 0x2>"。

最终的配置结果是：

勾选相应的选项将dm9000的驱动编译进内核。

make menuconfig
[*] Networking support  --->
    Networking options  --->
        <*> Packet socket
        <*>Unix domain sockets 
        [*] TCP/IP networking
        [*]   IP: kernel level autoconfiguration
Device Drivers  --->
    [*] Network device support  --->
        [*]   Ethernet driver support (NEW)  --->
            <*>   DM9000 support
File systems  --->
    [*] Network File Systems (NEW)  --->
        <*>   NFS client support
        [*]     NFS client support for NFS version 3
        [*]       NFS client support for the NFSv3 ACL protocol extension
        [*]   Root file system on NFS

执行 make uImage;make dtbs ，tftp下载，成功加载nfs根文件系统并进入系统，表示网卡移植成功。

原文:https://www.cnblogs.com/xiaojiang1025/p/6131381.html 版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除。