Linux裝置驅動之devicetree：一種描述和管理硬體設備的高效方法

你是否想過如何在Linux系統中為你的硬體設備編寫驅動程式？你是否想過如何在Linux系統中讓你的驅動程式適應不同的硬體平台和配置？你是否想過如何在Linux系統中讓你的驅動程式實現一些進階的功能，例如熱插拔、電源管理、裝置共享等？如果你對這些問題感興趣，那麼本文將為你介紹一種實現這些目標的有效方法——Linux裝置驅動之devicetree。 devicetree是一種用來描述硬體設備的資料結構，它可以讓你用一種簡單而統一的方式，將硬體設備的資訊和屬性傳遞給內核，從而實現設備的識別和驅動。 devicetree也是一種用來實現硬體無關性的機制，它可以讓你用一種靈活且可移植的方式，將硬體設備的配置和管理從驅動程式程式碼中分離出來，從而實現多平台的支援。 devicetree也是一種用於實現高級功能的框架，它可以讓你用一種標準而通用的方式，定義和使用各種硬體設備的接口和協議，從而實現熱插拔、電源管理、設備共享等功能。本文將從devicetree的基本概念、語法規則、寫作方法、編譯過程、載入方式等方面，為你詳細地介紹devicetree在Linux裝置驅動中的應用和作用，幫助你掌握這種有用且強大的方法。

Devicetree（設備樹）是用來描述系統硬體資訊的樹模型，其旨在unify核心。透過bootloader將devicetree的資訊傳給kernel，然後kernel根據這些裝置描述初始化對應的板級驅動，達到一個核心多個平台共享的目的。

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Overview

Devicetree主要為描述不可插拔（非動態）設備的板級硬體資訊而設計的。它由分層的描述設備資訊的節點（node）組成樹結構。每個node包含的內容透過property/value對來表示。除root節點外，每個節點都有parent。如圖：

Node Names

#除root節點名稱用’/’表示外，其餘節點都由node-name@unit-address來命名，且同一層級必須是唯一的。

• node-name

  表示节点名，由1-31个字符组成。如非必须，推荐使用以下通用的node-name: 
  cpu、memory、memory-controller、gpio、serial、watchdog、flash、compact-flash、
  
  rtc、interrupt-controller、dma-controller、ethernet、ethernet-phy、timer、
  
  mdio、spi、i2c、usb、can、keyboard、ide、disk、display、sound、atm、cache-
  
  controller、crypto、fdc、isa、mouse、nvram、parallel、pc-card、pci、pcie、sata、
  scsi、vme。
  

• unit-address

  表示这个节点所在的bus类型。它必须和节点中reg属性的第一个地址一致。如果这个节点没有
  
  reg属性，则不需“@unit-address”。
  

Path Names

表示一個節點的完整路徑（full path）。型如：

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

Properties

#每個節點所包含的主要內容就是這個所描述的設備的屬性訊息，由name和value組成：

• Property Names

  1-31个字符，可包含字母、数字、及‘,’，‘.’，‘_’，‘+’，‘?’，‘#’。
  

• Property Values

Value	Description
empty	屬性值為空，用來表示true-false資訊
u32/u64	32/64位元大端位元組序的無符號整形，表示時需加
#string,stringlist	null-terminated字串或其組成的清單

#

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Standard Properties

• compatible

  Value type: 
  Description:
      表示兼容的设备类型，内核据此选择合适的驱动程序。由多个字符串组成，从左到由列出
  
  这个设备兼容的驱动（from most specific to most general）。
      推荐的格式为：“制造商名,具体型号”。
  Example:
      compatible = "fsl,mpc8641-uart", "ns16550";
      内核先搜索支持“fsl,mpc8641-uart”的驱动，如未找到，则搜索支持更通用的“ns16550”
  
  
  设备类型的驱动。
  

• model

  Value type: 
  Description:
      表明设备型号。
      推荐的格式为：“制造商名,具体型号”。
  Example:
      model = "fsl,MPC8349EMITX";
  

• phandle

  Value type: 
  Description:
      用一个树内唯一的数字标识所在的这个节点，其他节点可以直接通过这个数字标识来引用
  
  这个节点。
  Example:
      pic@10000000 {
          phandle = ;
          interrupt-controller;
      };
      interrupt-parent = ;
  

• status

  Value type: 
  Description:
      表示设备的可用状态：
      "okay" -> 设备可用
      "disabled" -> 目前不可用，但以后可能会可用
      "fail" -> 不可用。出现严重问题，得修一下
      "fail-sss" -> 不可用。出现严重问题，得修一下。sss指明错误类型。
  

• #address-cells and #size-cells

  Value type: 
  Description:
      在拥有子节点的节点中使用，来描述它的字节点的地址分配问题。即分别表示子节点中使
  
  用多少个u32大小的cell来编码reg属性中的address域和size域。
  
      这两个属性不会继承，必须明确指出。如未指出，默认#address-cells=2，#size-
  cells=1。
  Example:
      soc {
          #address-cells = ;
          #size-cells = ;
          serial {
              reg = ;
          };
      };
  

• reg

  Value type:  encoded as an arbitraty number of (address, length) pairs.
  Description:
      描述该设备在parent bus定义的地址空间中的地址资源分配。
  Example:
      reg = ;
      a 32-byte block at offset 0x3000 and a 256-byte block at offset 0xFE00。
  

• virtual-reg

  Value type: 
  Description:
      表示映射到reg第一个物理地址对应的effective address。使bootloader能够提供给内
  
  核它所建立的virtual-to-physical mappings。
  

• ranges

  Value type:  or  encoded as an arbitrary number of (child-bus-address,parent-bus-
  
  address, length) triplets.
  Description:
      提供了子地址空间与父地址空间的映射关系，如果值为空则父子地址相等，无需转换。
  Example:
      soc {
          compatible = "simple-bus";
          #address-cells = ;
          #size-cells = ;
          ranges = ;
  
          serial {
              compatible = "ns16550";
              reg = ;
          };
      };
      将子节点serial的0x0地址映射到父节点soc的0xe0000000，映射长度为0x100000。此时
  
  reg的实际物理地址就为0xe0004600。
  

• dma-ranges

  Value type:  or  encoded as an arbitrary number of (child-bus-address,parent-bus-address, length) triplets.
  Description:
      提供了dma地址的映射方法。
  

Interrupts

描述中断的属性有4个：

• interrupt-controller

  一个空的属性用来指示这个节点设备是接收中断信号的控制器。
  

• #interrupt-cells

  这是上面所说中断控制器中的一个属性，用来描述需要用多少个cell来描述这个中断控制器的
  
  interrupt specifier(类似#address-cells和#size-cells)。
  

• interrupt-parent

  常出现在根节点的一个属性，它的属性值是指向interrupt-controller的一个phandle。可从
  
  parent继承。
  

• interrupts

  包含interrupt specifiers列表，每一个specifier表示一个中断输出信号。
  

Example

/ {
    interrupt-parent = ;

    intc: interrupt-controller@10140000 {        
              compatible = "arm,pl190";        
              reg = ;        
              interrupt-controller;        
                #interrupt-cells = ;    
    };
    serial@101f0000 {        
        interrupts = ;    
    };
};

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Base Device Node Types

所有的设备树都必须有一个root节点，且root节点下必须包含一个cpus节点和至少一个memory节点。

• root node

  root节点须包含 #address-cells、#size-cells、model、compatible等属性。
  

• /cpus node

  是cpu子节点的父节点容器。须包含 #address-cells、#size-cells属性。
  

• /cpus/cpu* node

  是描述系统cpu的节点。
  

• /memory node

  描述系统物理内存的layout。须包含reg节点。
  Example:
  假如一个64位系统有如下两块物理内存：
  - RAM: starting address 0x0, length 0x80000000 (2GB)
  - RAM: starting address 0x100000000, length 0x100000000 (4GB)
  则我们可以有下面两种描述方法(#address-cells =  and #size-cells =)：
  Example #1
      memory@0 {
          reg = ;
      };
  Example #2
      memory@0 {
          reg = ;
      };
      memory@100000000 {
          reg = ;
      };
  

• /chosen node

  根节点下的一个子节点，不是描述设备而是描述运行时参数。常用来给内核传递bootargs:
  chosen {
      bootargs = "root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.1 console=ttyS0,115200";
  };
  

• /aliases node

  由1-31个字母、数字或下划线组成的设备节点full path的别名。它的值是节点的全路径，因此最终会被编码成字符串。
  aliases {
      serial0 = "/simple-bus@fe000000/serial@llc500";
  }
  

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Device Bindings

更多具体设备具体类别的描述信息：内核源代码/Documentation/devicetree/bindings。

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DTS是描述devicetree的源文本文件，它通过内核中的DTC（Devicetree Compiler）编译后生成相应平台可烧写的二进制DTB。

Devicetree Blob (DTB) Structure

DTB又称Flattened Devicetree（FDT），在内存中的结构如下图所示：

Header

大端字节序结构体：

struct fdt_header {
    uint32_t magic; /* contain the value 0xd00dfeed (big-endian) */
    uint32_t totalsize; /* the total size of the devicetree data structure */
    uint32_t off_dt_struct; /* offset in bytes of the structure block */
    uint32_t off_dt_strings; /* offset in bytes of the strings block */
    uint32_t off_mem_rsvmap; /* offset in bytes of the memory reservation block */
    uint32_t version; /* the version of the devicetree data structure */
    uint32_t last_comp_version; /* the lowest version used is backwards compatible */
    uint32_t boot_cpuid_phys; /* the physical ID of the system’s boot CPU */
    uint32_t size_dt_strings; /* the length in bytes of the strings block */
    uint32_t size_dt_struct; /* the length in bytes of the structure block */
};

Memory Reservation Block

• Purpose

  为系统保留一些特殊用途的memory。这些保留内存不会进入内存管理系统。
  

• Format

  struct fdt_reserve_entry {
      uint64_t address;
      uint64_t size;
  };
  

Structure Block

Devicetree结构体存放的位置。由一行行“token+内容”片段线性组成。

• token
  每一行内容都由一个32位的整形token起始。token指明了其后内容的属性及格式。共有以下5种token：

token	Description
FDT_BEGIN_NODE (0x00000001)	节点起始，其后内容为节点名
FDT_END_NODE (0x00000002)	节点结束
FDT_PROP (0x00000003)	描述属性
FDT_NOP (0x00000004)	nothing，devicetree解析器忽略它
FDT_END (0x00000009)	block结束

• tree structure
  • (optionally) any number of FDT_NOP tokens
  • FDT_BEGIN_NODE
    • The node’s name as a null-terminated string
    • [zeroed padding bytes to align to a 4-byte boundary]
  • For each property of the node:
    • (optionally) any number of FDT_NOP tokens
    • FDT_PROP token
      • property information
      • [zeroed padding bytes to align to a 4-byte boundary]
  • Representations of all child nodes in this format
  • (optionally) any number of FDT_NOP tokens
  • FDT_END_NODE token

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Devicetree Source (DTS) Format

Node and property definitions

    [label:] node-name[@unit-address] {
        [properties definitions]
            [child nodes]
    };

File layout

Version 1 DTS files have the overall layout:

/dts-v1/; /* dts 版本1 */
[memory reservations] /* DTB中内存保留表的入口 */
    / {
        [property definitions]
        [child nodes]
    };

通过本文，我们了解了devicetree在Linux设备驱动中的应用和作用，学习了如何编写、编译、加载、修改和调试devicetree。我们发现，devicetree是一种非常适合嵌入式系统开发的方法，它可以让我们方便地描述和管理硬件设备，实现硬件无关性和高级功能。当然，devicetree也有一些注意事项和限制，比如需要遵循语法规范、需要注意兼容性问题、需要注意内存占用和性能影响等。因此，在使用devicetree时，我们需要有一定的硬件知识和经验，以及良好的编程习惯和调试技巧。希望本文能够为你提供一个入门级的指导，让你对devicetree有一个初步的认识和理解。如果你想深入学习devicetree，建议你参考更多的资料和示例，以及自己动手实践和探索。

以上是Linux裝置驅動之devicetree：一種描述和管理硬體設備的高效方法的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！