【linux】驱动-8-一文解决设备树

时间：2023-07-24 23:58:20
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前言

8. Linux设备树

Linux3.x 以后引入了设备树，用于描述一个硬件平台的板级细节。

8.1 设备树简介

设备树可以被 bootloader（uboot）传递到内核，内核从中获取设备树中的硬件信息。

设备树的两个特点：

  • 一：以 树状结构 描述硬件资源。
  • 二：设备树可以像头文件使用，一个设备树文件引用另外一个设备树文件。

几个常用的缩写：

  • DTS：是指 .dts 格式的文件，是一种 ASII 文本格式的设备树描述，也是我们要编写的设备树源码，一般一个 .dts 文件对应一个硬件平台，位于 Linux 源码的 /arch/arm/boot/dts 目录下。
  • DTC：是指编译设备树源码的工具，一般情况下，需要手动安装这个编译工具。
  • DTB：是设备树源码编译生成的文件。
  • .dts：设备树源文件。
  • .dtsi：设备树头文件。
  • .dtb：设备树可执行文件。

8.2 设备树框架

设备树是由 一个根节点 和 多个子节点 组成。

8.2.1 设备树格式

8.2.1.1 DTS 文件布局
/dts-v1/; // 表示版本

[memory reservations] // 格式为: /memreserve/ <address> <length>;

/ {

[property definitions]

[child nodes]

};
8.2.1.2 node 格式

node为设备树中的基本单元。格式为：

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

[properties definitions]

[child nodes]

};
  • label：是节点标签。可以省略，方便地引用 node。通常，节点标签通常为基点名称的缩写，一般用于追加内容时使用。
  • node-name：节点名称。长度为1-31个字符。可由 0-9 a-z A-Z , . _ + - 组成，且开头只能是大小写字母。
    • 注：根节点没有节点名，使用 / 来表示。
  • @unit-address：是单元地址。@ 为分隔符。
    • 注：节点中 reg 属性的第一个地址要和这个 单元地址 一致。
    • 注：如果节点中没有 reg 属性值，则可以省略该 单元地址，但此时必须保证同级别的子节点节点名唯一。反之，若同级别的子节点节点名相同，则单元地址要求不一样。就是说 node-name@unit-address 整体同级唯一
8.2.1.3 properties 格式

就是 naem = value。

  • 格式1：（没有值）
[label:] property-name;
  • 格式2：（支持三种取值）
    • arrays of cell：一个或多个 32 位数据，64 位数据使用 2 个 32 位数据表示。
    • string：字符串。
    • bytestring：一个或多个字符串。
[label:] property-name = value;
  • 例子1：64bit 用两个 cell 表示，使用 尖括号。
clock-frequency = <0x00000001 0x00000000>;
  • 例子2：字符串，用 双引号。
compatible = "lzm-bus";
  • 例子3：字节序列，用 中括号。
local-mac-address = [00 00 12 34 56 78]; // 每个 byte 使用 2 个 16 进制数来表示

local-mac-address = [000012345678]; // 每个 byte 使用 2 个 16 进制数来表示
  • 例子4：各种组合，用 逗号 隔开。
example = <0x84218421 23>, "hello world";
8.2.1.4 包含 dtsi

一般设备树都不需要从零开始写，只需要包含芯片厂商提供的设备树模板，然后再添加，修改即可。

dts 可以包含 dtsi 文件，也可以包含 .h 文件。.h 文件可以定义一些宏。

/dts-v1/;

#include <dt-bindings/input/input.h>

#include "imx6ull.dtsi"

/ {

……

};

8.2.2 修改、追加设备树节点

修改、追加设备树节点都可在文件末尾或新文件修改或追加。

而修改节点，可参考以下两种方法：标签法 或 全路径法：

标签法：

// 方法一：在根节点之外使用标签引用节点

&red_led

{

    status = "okay";

}

// 方法二：使用全路径引用节点

&{/led@0x020C406C}

{

    status = "okay";

}

全路径法：

  • 追加节点，类似新建一个简易的设备树一样。包含根节点到需要新建节点的全路径。

8.2.3 常用属性

在节点 {} 中包含的内容时节点属性。这些属性信息就是板级硬件描述的信息，驱动会通过内核提供的 API 去获取这些资源信息。

注意：节点属性可分为 标准属性 和 自定义属性，即是可以自行添加属性。

8.2.3.1 常用标准属性

compatible 属性：

  • 属性值类型：字符串。双引号。
  • compatible 表示兼容。
  • 每一个代表设备的节点都必须有一个 compatible 属性值。
  • 由一个或多个字符串组成，使用 "," 分隔开即可。
  • 如：compatible = "A", "B", "C";。
  • 内核启动时，会按顺序 A、B、C 找到对应的驱动程序，与驱动中 of_match_table 中的值进行匹配，然后加载对应的驱动。
  • compatible 是查找节点的方法之一，还可以通过 节点名 或 节点路径 找到指定节点。
  • compatible 建议格式："manufacturer,model" ，即是 "厂家名，模块名"。

model 属性：

  • 属性值类型：字符串。双引号。
  • model 定义硬件是什么。
    • 推荐指定设备的制造商和型号，推荐格式 "制造商,型号"。
  • 如：model = "lzm com,IMX6U-V1";

status 属性：

  • 属性值类型：字符串。双引号。
  • status 表示当前设备节点状态，用于禁止和启动设备。
  • 有如下值可选：
value description
okay 设备正常
disabled 设备不可操作，但后面可恢复正常
fail 发生严重错误，需要修复
fail-sss 发生严重错误，需要修复。sss 表示错误信息

#address-cells、#size-cells 属性：

  • 属性值类型：u32。尖括号。
  • #address-cells、#size-cells 是同时出现的。
    • #address-cells：表示 address 要用多少个 32 位数来表示。
    • #size-cells：表示 size 要用多少个 32 位数来表示。
  • 用于设置子节点 reg、ranges 等地址相关属性的书写格式。

reg 属性：

  • 属性值类型：地址、长度数据对。尖括号。
  • reg 就是 register，用于表示寄存器地址。
  • 用于描述一段内存空间。
  • reg 属性的值是一些列的
    。
    • 用多少个 32 位的数来表示是由其父节点的 #address-cells、#size-cells 决定的。
  • 如：
/dts-v1/;

/ {

    #address-cells = <1>;

    #size-cells = <1>;

    memory {

        reg = <0x80000000 0x20000000>;

    };

};

ranges 属性：

  • 属性值类型：任意数量的 <子地址、父地址、地址长度>编码。尖括号。
  • 该属性提供了子节点地址空间和父地址空间的映射（转换）方法。
  • 如：ranges=<0x05 0x10 0x20>

name、ldevice_type 属性：

  • 属性值类型：字符串。双引号。
  • 过时，不建议使用。
8.2.3.2 自定义属性

名称及内容可自定义，但是名称不能与标准属性重名。获取方式，后述。

8.2.4 常用节点

根节点：

  • dts 文件中必须有一个 根节点。
  • 根节点 必须有以下属性：
    • #address-cells。
    • #size-cells。
    • compatible：定义一些列的字符串，用于指定内核中哪个 machine_desc 可以支持本设备。即是兼容性。
    • model：表示本硬件型号。

CPU：

  • 一般都在 dtsi 文件中定义好了，不需要我们设置。

memory：

  • 这个是表示板子内存大小，一般由开发板开发者定义的。

chosen：

  • 该节点主要作用于向内核传递参数。如：
chosen

{

    bootargs = "noinitrd root=/dev/mtdblock4 rw init=/linuxrc console=ttySAC0,115200";

};

aliases：

  • aliases 是为了给其它节点起个别名。如：
aliases {

    can0 = &flexcan1;

    gpio0 = &gpio1;

}
  • can0 就是 flexcan1 的别名。

8.3 编译、更换设备树

一般的程序猿会修改设备树即可，不必从零开始。

8.3.1 在内核中编译设备树(推荐)

编译时需要设置一下三个环境变量 ARCH、CROSS_COMPILE、PATH。

在开发环境中进入板子对应的内核源码目录，使用内核中的 makefile 即可，执行如下命令来编译 dtb 文件：

make dtbs V=1

上述命令是单独编译设备树。

会编译以下设备树：

在arch/arm/Makefile 或 arch/arm/boot/Makefile 或 arch/arm/boot/dts/Makefile 等相关 Makefile 中找到 dtb-$(xxx) ，该值包含的就是要编译的 dtb 。

如该文件中宏 dtb-$(CONFIG_SOC_XXX) 包含的 .dtb 就会被编译出来。

如果想编译自己的设备树，添加该值内容，并把自己的设备树放在 arch/arm/boot/dts 下即可。

（具体查看该 arch/arm/boot/Makefile 内容）

8.3.2 人工编译（不推荐）

意思是手工使用 dtc 工具直接编译。

dtc 工具存放于内核目录 scripts/dtc 下。

若直接使用 dtc 工具手工编译的话，包含其它文件时不能使用 #include，而必须使用 /include。

  • 因为内核中 make dtb 时能使用 #include 是因为使用了 交叉编译链。

编译、反编译的示例命令如下，-I 指定输入格式，-O 指定输出格式，-o 指定输出文件：

./scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o tmp.dtb arch/arm/boot/dts/xxx.dts  // 编译 dts 为 dtb

./scripts/dtc/dtc -I dtb -O dts -o tmp.dts arch/arm/boot/dts/xxx.dtb  // 反编译 dtb 为 dts

8.3.3 更换设备树

一般步骤：

  • 确保好三个环境变量。
  • 在内核源码目录中执行 make dtbs 。
  • 生成的设备树文件一般保存在内核目录 arch/arm/boot/dts/ 下。
  • 把生成的设备树文件替换到板子上。开发板使用的设备树一般放在 /boot/ 目录下。
  • 若需要自定义新的设备树文件名称，则修改 /boot/ 目录下的 uEnv.txt 文件内容。

8.3.4 查看设备树

目录 /sys/firmware/devicetree 下以目录结构呈现的 dtb 文件。

  • 根节点对应 base 目录。
  • 每一个节点对应一个目录。
  • 每一个属性对应一个文件。
    • 若属性值为字符串，则可以使用 cat 命令打印出来。
    • 若属性值为数值，则可以使用 hexdump 命令打印出来。

目录 /sys/firmware/fdt 文件，就是 dtb 格式的设备树文件。

  • 可以将其赋值出来，反编译。

8.4 内核处理设备树

8.4.1 设备树过程

设备树生命过程：

DTS --(PC)--> DTB --(内核)--> device_node -·(内核)·-> platform_device。

流程：

  1. dts 在 PC 机上被编译为 dtb 文件。
  2. u-boot 把 dtb 文件传给内核。
  3. 内核解析 dtb 文件，把每一个节点都转换为 device_node 结构体。
  4. 对于某些 device_node 结构体，会被转换为 platform_device 结构体。

对于 device_node 和 platform_device，建议去内核源码看看它们的成员。

8.4.2 转换为 platform_device 的条件

  • 根节点下有 compatile 属性的子节点。
  • 含有特定 compatile 属性的节点的子节点。
    • 如果一个节点的 compatile 属性是以下 4 个值之一，那么该节点含有 compatile 属性的 子节点也可以转换为 platform_device。
      • simple-bus；
      • simple-mfd;
      • isa;
      • arm,amba-bus。
  • 总线 I2C、SPI 节点下的子节点 不转换 为 platform_device。
    • 某个总线下的子节点，不应该被转换为 platform_device。而应该交给对应的总线驱动来处理。

8.5 获取节点函数

在驱动程序中，内核加载设备树后。可以通过以下函数获取到设备树节点中的资源信息。

获取节点函数及获取节点内容函数称为 of 函数。

8.5.1 重要结构体内容

8.5.1.1 device_node

device_node 结构体如下：

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;

#if defined(CONFIG_OF_KOBJ)

    struct  kobject kobj;

#endif

    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

};
  • name：节点中的 name 属性值。
  • type：节点中的 device_type 属性值。
  • full_name：节点的名字。
  • properties：链表，连接该节点的所有属性。
  • parent：指向父节点。
  • child：指向子节点。
  • sibling：指向兄弟节点。
8.5.1.2 of_device_id

of_device_id 结构体如下：

/* Struct used for matching a device  */

struct of_device_id

{

    char    name[32];

    char    type[32];

    char    compatible[128];

    const void *data;

};
  • name：节点中属性为 name 的值。
  • type：节点中属性为 device_type 的值。
  • compatible：节点的名字，在 device_node 结构体后面放一个字符串，full_name 指向它。
  • data：链表，连接该节点的所有属性。

8.5.2 据节点路径寻找节点

of_find_node_by_path()：

  • 函数原型：struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)。
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • path：节点在设备树中的路径。
  • 返回值：
    • 成功：返回 device_node 结构体指针。
    • 失败：NULL。

8.5.3 据节点类型寻找节点

of_find_node_by_type()：

  • 函数原型：struct device_node *of_find_node_by_type(struct device_node *from, const char *type)。
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • from：指定从哪里开始找（不包含本身），若要从根节点开始找，且包含根节点，则该值未 NULL。
  • type： 要查找节点的类型，这个类型就是 device_node->type。
  • 返回值：
    • 成功：返回 device_node 结构体指针。
    • 失败：NULL。

8.5.4 据节点类型和compatible属性寻找节点

of_find_compatible_node()：

  • 函数原型：struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from, const char *type, const char *compatible)。
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • from：指定从哪里开始找（不包含本身），若要从根节点开始找，且包含根节点，则该值未 NULL。
  • type： 要查找节点的类型，这个类型就是 device_node->type。
  • compatible：需要查找的节点的 compatible 属性。
  • 返回值：
    • 成功：返回 device_node 结构体指针。
    • 失败：NULL。

8.5.5 据匹配表寻找节点

of_find_matching_node_and_match()：

  • 函数原型：struct inline device_node *of_find_matching_node_and_match(struct device_node *from, const struct of_device_id *matches, const struct of_device_id **match)。
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • from：指定从哪里开始找（不包含本身），若要从根节点开始找，且包含根节点，则该值未 NULL。
  • matches：of_device_id 匹配表，也就是在此匹配表里面查找节点。
  • match：找到的匹配的 of_device_id。
  • 返回值：
    • 成功：返回 device_node 结构体指针。
    • 失败：NULL。

8.5.6 寻找父节点

of_get_parent()：

  • 函数原型：struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node)。
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • node：需要查找要查找父节点的节点。
  • 返回值：
    • 成功：返回 device_node 结构体指针。
    • 失败：NULL。

8.5.7 寻找子节点

of_get_child()：

  • 函数原型：struct device_node *of_get_child(const struct device_node *node, struct device_node *prev)。
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • node：需要查找要查找子节点的节点。
  • prev：需要寻找的节点的前一个节点，即是本函数需要寻找 prev 节点的后一个节点。
  • 返回值：
    • 成功：返回 device_node 结构体指针。
    • 失败：NULL。

8.6 提取节点中的属性值

8.6.1 重要结构体内容

8.6.1.1 property 结构体

property：

struct property

{

    char    *name;

    int     length;

    void    *value;

    struct property *next;

#if defined(CONFIG_OF_DYNAMIC) || defined(CONFIG_SPARC)

    unsigned long _flags;

#endif

#if defined(CONFIG_OF_PROMTREE)

    unsigned int unique_id;

#endif

#if defined(CONFIG_OF_KOBJ)

    struct bin_attribute attr;

#endif

};
  • name：属性名。
  • lenght：属性长度。
  • value：属性值。
  • next：下一个属性。
8.6.1.2 resource 结构体

resource 结构体：

struct resource

{

    resource_size_t start;

    resource_size_t end;

    const char *name;

    unsigned long flags;

    unsigned long desc;

    struct resource *parent, *sibling, *child;

};

8.6.2 查找节点属性值

of_find_property()：

  • 函数原型：struct property *of_find_property(const struct device_node *np,const char *name,int *lenp)

  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。

  • np：设备节点。

  • name：属性名称。

  • lenp：实际获得属性值的长度（函数输出参数）。

  • 返回值：

    • 成功：返回 property 结构体，获取得到的属性。
    • 失败：返回 NULL。

  • 可以了解下 获取属性值函数 of_get_property() ，与 of_find_property() 的区别是一个返回属性值，一个返回属性结构体。

8.6.3 获取整型属性

of_property_read_u8_array：

  • 以下函数分别读取 8、16、32、64 位数据：


//8位整数读取函数

int of_property_read_u8_array(const struct device_node *np, const char *propname, u8 *out_values, size_t sz)

//16位整数读取函数

int of_property_read_u16_array(const struct device_node *np, const char *propname, u16 *out_values, size_t sz)

//32位整数读取函数

int of_property_read_u32_array(const struct device_node *np, const char *propname, u32 *out_values, size_t sz)

//64位整数读取函数

int of_property_read_u64_array(const struct device_node *np, const char *propname, u64 *out_values, size_t sz)
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • np：指定设备节点。
  • propname：哪个属性。
  • out_values：保存读取到的数据（函数输出参数）。
  • sz：设置读取的长度。
  • 返回值：
    • 成功：0.
    • 失败：非零值
      • -EINVAL：属性不存在。
      • -ENODATA：没有要读取的数据。
      • -EOVERFLOW：属性值列表太小。

8.6.4 简化后的读取整型属性函数

of_property_read_u8：

  • 其读取长度为 1。
//8位整数读取函数

int of_property_read_u8 (const struct device_node *np, const char *propname,u8 *out_values)

//16位整数读取函数

int of_property_read_u16 (const struct device_node *np, const char *propname,u16 *out_values)

//32位整数读取函数

int of_property_read_u32 (const struct device_node *np, const char *propname,u32 *out_values)

//64位整数读取函数

int of_property_read_u64 (const struct device_node *np, const char *propname,u64 *out_values)

8.6.5 读取字符串属性

of_property_read_string_index：（推荐）

  • 函数原型：int of_property_read_string_index(const struct device_node *np,const char *propname, int index, const char **out_string)
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • np：指定设备节点。
  • propname：哪个属性。
  • index：指定要读取该属性值得第几个字符串。index 从 0 开始。
  • out_string：获取到的字符串的指针（函数输出参数）。
  • 返回：
    • 成功：0；
    • 失败：失败错误码。

of_property_read_string：（不推荐）

  • 函数原型：int of_property_read_string(const struct device_node *np,const char *propname,const char **out_string)
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • 参数同上。

8.6.6 读取 bool 型属性函数

of_property_read_bool()：

  • 函数原型：static inline bool of_property_read_bool(const struct device_node *np, const char *propname)
  • np：设备节点。
  • propname：属性名称。
  • 返回值：只返回该属性存不存在。
  • 若要读取该属性值，需要用到函数 of_find_property。

8.6.7 内存映射相关 of 函数

设备树提供寄存器的地址段，但是一般情况下都会使用 ioremap 映射为虚拟地址使用。

of_address_to_resource 只是获取 reg 的值，也就是寄存器值。

of_iomap 函数就是获取 reg 属性值&指定哪一段内存&映射为虚拟地址。

of_address_to_resource：

  • 函数原型：int of_address_to_resource(struct device_node *dev, int index, struct resource *r)
  • 源码路径：内核源码/drivers/of/address.c。
  • np：设备节点。
  • index：指定映射那一段内存。通常情况下，reg 属性包含多段。标号从 0 开始。
  • r：resource 结构体，得到的地址信息（函数输出参数）。
  • 返回：
    • 成功：0；
    • 失败：失败错误码。

of_iomap：

  • 函数原型：void __iomem *of_iomap(struct device_node *np, int index)
  • 源码路径：内核源码/include/linux/of.h。
  • np：设备节点。
  • index：指定映射那一段内存。通常情况下，reg 属性包含多段。标号从 0 开始。
  • 返回：
    • 成功：转换后的地址。
    • 失败：NULL。

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