嵌入式Linux设备树（Device Tree）教程解析：作用、语法以及如何为新硬件编写设备树文件来描述硬件配置

设备树（Device Tree）是嵌入式Linux系统中用于描述硬件布局的一种数据结构。它以树状结构表示系统中所有硬件设备及其属性，帮助操作系统在启动时识别和配置硬件。本文将详细介绍嵌入式Linux设备树的基本概念、优势、结构、解析流程及实例代码。

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???? 1. 设备树的基本概念

1.1 什么是设备树？

设备树是一种用于描述硬件的层次化数据结构，通常以文本文件形式存在（.dts文件）。它描述了系统中的硬件设备及其属性，包括CPU、内存、总线、外设等。设备树在系统启动时被解析，帮助操作系统识别和配置硬件。

1.2 设备树的优势

硬件描述独立：设备树将硬件描述从内核代码中分离，使内核代码更加简洁和可移植。
动态配置：通过修改设备树文件，可以方便地配置和调整硬件设备，无需重新编译内核。
统一管理：设备树统一管理了系统中的所有硬件设备，便于维护和扩展。

???? 2. 设备树的结构

2.1 设备树的基本元素

设备树由节点（node）和属性（property）组成，节点表示硬件设备或总线，属性表示设备的具体特征和配置参数。

节点（Node）：表示一个硬件设备或总线，包含名称和一组属性。
属性（Property）：表示节点的具体特征和配置参数，以键值对形式存在。

2.2 设备树的示例结构

以下是一个简单的设备树示例，描述了一个包含UART和I2C总线的系统：

/dts-v1/;

/ {
    model = "Example Board";
    compatible = "example,board";

    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            reg = <0>;
        };
    };

    memory {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x20000000>;
    };

    uart@101f1000 {
        compatible = "ns16550a";
        reg = <0x101f1000 0x1000>;
        interrupt-parent = <&intc>;
        interrupts = <5>;
    };

    i2c@101e0000 {
        compatible = "i2c-omap";
        reg = <0x101e0000 0x1000>;
        interrupt-parent = <&intc>;
        interrupts = <6>;
    };
};

????️ 3. 设备树解析流程

设备树解析是指系统启动时，内核将设备树文件（.dts）转换为设备树二进制文件（.dtb），并加载和解析其中的硬件描述信息。以下是设备树解析的主要步骤：

3.1 设备树编译

设备树源文件（.dts）需要编译为设备树二进制文件（.dtb），编译工具为Device Tree Compiler（DTC）。

dtc -I dts -O dtb -o example.dtb example.dts

3.2 设备树加载

系统启动时，Bootloader将设备树二进制文件（.dtb）加载到内存，并传递给内核。

3.3 设备树解析

内核启动时，解析设备树二进制文件（.dtb），根据其中的硬件描述信息配置系统中的各个硬件设备。

3.4 设备树文件结构

设备树文件通常由以下部分组成：

根节点（/）：表示设备树的根节点，包含整个系统的硬件描述。
CPU节点（cpus）：描述系统中的CPU信息。
内存节点（memory）：描述系统中的内存布局。
设备节点（如uart@101f1000, i2c@101e0000）：描述系统中的具体硬件设备。

???? 4. 实际案例分析

4.1 案例一：添加新的硬件设备

假设我们要在系统中添加一个新的SPI设备，可以通过修改设备树文件来实现：

spi@101f2000 {
    compatible = "spi-pl022";
    reg = <0x101f2000 0x1000>;
    interrupt-parent = <&intc>;
    interrupts = <7>;
    cs-gpios = <&gpio 10 0>;
};

4.2 案例二：修改现有设备的参数

假设我们要修改UART设备的中断号，可以通过修改设备树文件中的interrupts属性来实现：

uart@101f1000 {
    compatible = "ns16550a";
    reg = <0x101f1000 0x1000>;
    interrupt-parent = <&intc>;
    interrupts = <8>;  // 修改中断号为8
};

4.3 案例三：添加GPIO控制器

假设我们要在系统中添加一个GPIO控制器，可以通过修改设备树文件来实现：

gpio@101e4000 {
    compatible = "gpio-pl061";
    reg = <0x101e4000 0x1000>;
    interrupt-parent = <&intc>;
    interrupts = <9>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
};

???? 5. 常见问题与调试方法

5.1 常见问题

设备树文件格式错误：设备树文件格式不正确会导致编译失败或解析错误。
设备树与驱动不匹配：设备树中的硬件描述信息与内核驱动不匹配会导致设备无法正常工作。
设备树加载失败：Bootloader未正确加载设备树文件会导致内核启动失败。

5.2 调试方法

检查设备树文件格式：使用DTC工具检查设备树文件格式是否正确。
查看内核日志：通过查看内核启动日志，可以发现设备树解析过程中的错误信息。
使用调试工具：使用Device Tree Overlay等工具动态修改和调试设备树。

5.3 内核日志示例

在内核启动过程中，可以查看dmesg命令输出的内核日志，了解设备树解析的详细信息：

dmesg | grep 'OF:'

???? 6. 总结

设备树是嵌入式Linux系统中描述硬件布局的重要工具。通过设备树，可以将硬件描述从内核代码中分离，使系统更加灵活和可移植。设备树的设计与实现涉及硬件描述、编译、加载和解析等多个环节，还需要深入理解和掌握。

???? 参考资料

Device Tree Usage
Device Tree Source
Flattened Device Tree

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