Linux设备树的概念

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一.设备树概念以及作用

1.设备树概念

设备树(Device Tree)将这个词分开就是“设备”和“树”描述设备树的文件叫做 DTS(DeviceTree Source)这个 DTS 文件采用树形结构描述板级设备也就是开发板上的设备信息比如CPU 数量、 内存基地址、 IIC 接口上接了哪些设备、 SPI 接口上接了哪些设备等等如图 所示

在图中树的主干就是系统总线 IIC 控制器、 GPIO 控制器、 SPI 控制器等都是接到系统主线上的分支。IIC 控制器有分为 IIC1 和 IIC2 两种其中 IIC1 上接了 FT5206 和 AT24C02这两个 IIC 设备 IIC2 上只接了 MPU6050 这个设备。 DTS 文件的主要功能就是按照图所示的结构来描述板子上的设备信息 DTS 文件描述设备信息是有相应的语法规则要求的稍后我们会详细的讲解 DTS 语法规则。

2.设备树引用以及概念

以LED驱动为例如果你要更换LED所用的GPIO引脚需要修改驱动程序源码、重新编译驱动、重新加载驱动。

在内核中使用同一个芯片的板子它们所用的外设资源不一样比如A板用GPIO AB板用GPIO B。而GPIO的驱动程序既支持GPIO A也支持GPIO B你需要指定使用哪一个引脚怎么指定在c代码中指定。

随着ARM芯片的流行内核中针对这些ARM板保存有大量的、没有技术含量的文件。

Linus大发雷霆"this whole ARM thing is a f*cking pain in the ass"。

于是Linux内核开始引入设备树。设备树并不是重新发明出来的在Linux内核中其他平台如PowerPC早就使用设备树来描述硬件了。

Linus发火之后内核开始全面使用设备树来改造神人就神人。

/sys/firmware/devicetree目录下是以目录结构程现的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。

这些属性的值如果是字符串可以用cat命令把它打印出来对于数值可以用hexdump把它打印出来。

一个单板启动时u-boot先运行它的作用是启动内核。U-boot会把内核和设备树文件都读入内存然后启动内核。在启动内核时会把设备树在内存中的地址告诉内核。

3.设备树的名词(DTS.DTB.DTC.DTSI)关系

设备树源文件扩展名为.dts但是我们在前面移植 Linux 的时候却一直在使用.dtb 文件那么 DTS 和 DTB 这两个文件是什么关系呢 DTS 是设备树源码文件 DTB 是将DTS 编译以后得到的二进制文件。将.c 文件编译为.o 需要用到 gcc 编译器那么将.dts 编译为.dtb需要什么工具呢需要用到 DTC 工具 DTC 工具源码在 Linux 内核的 scripts/dtc 目录下.另外dtsi就相当于C语言的.h文件的概念

二.设备树语法

1.Device格式

1.1 DTS文件格式

/dts-v1/;                // 表示版本
[memory reservations]    // 格式为: /memreserve/ <address> <length>;
/ {
    [property definitions]
    [child nodes]
};

1.2 node格式

设备树中的基本单元被称为“node”其格式为

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

label是标号可以省略。label的作用是为了方便地引用node比如

/dts-v1/;
/ {
    uart0: uart@fe001000 {
        compatible="ns16550";
        reg=<0xfe001000 0x100>;
    };
};

可以使用下面2种方法来修改uart@fe001000这个node

// 在根节点之外使用label引用node
&uart0 {
    status = “disabled”;
};
//在根节点之外使用全路径
&{/uart@fe001000}  {
    status = “disabled”;
};

2.常用属性(properties)

简单地说properties就是“name=value”value有多种取值方式。

Property格式1:

[label:] property-name = value;

Property格式2(没有值):

[label:] property-name;

Property取值只有3种:

arrays of cells(1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(1个或多个字节)

2.1 #address-cells、#size-cells

cell指一个32位的数值

address-cellsaddress要用多少个32位数来表示

size-cellssize要用多少个32位数来表示。

比如一段内存怎么描述它的起始地址和大小

下例中address-cells为1所以reg中用1个数来表示地址即用0x80000000来表示地址size-cells为1所以reg中用1个数来表示大小即用0x20000000表示大小

/ {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
memory {
reg = <0x80000000 0x20000000>;
    };
};

2.2 compatible

“compatible”表示“兼容”对于某个LED内核中可能有A、B、C三个驱动都支持它可以这样写

led {
compatible = “A”, “B”, “C”;
};

内核启动时就会为这个LED按这样的优先顺序为它找到驱动程序A、B、C。

根节点下也有compatible属性用来选择哪一个“machine desc”一个内核可以支持machine A也支持machine B内核启动后会根据根节点的compatible属性找到对应的machine desc结构体执行其中的初始化函数。

compatible的值建议取这样的形式"manufacturer,model"即“厂家名,模块名”。

比如compatible = "fsl,imx6ull-gpmi-nand", "fsl, imx6ul-gpmi-nand";

注意machine desc的意思就是“机器描述”学到内核启动流程时才涉及。

2.3 model

model属性与compatible属性有些类似但是有差别。

compatible属性是一个字符串列表表示可以你的硬件兼容A、B、C等驱动

model用来准确地定义这个硬件是什么。

比如根节点中可以这样写

/ {
    compatible = "samsung,smdk2440", "samsung,mini2440";
    model = "jz2440_v3";
};

它表示这个单板可以兼容内核中的“smdk2440”也兼容“mini2440”。

从compatible属性中可以知道它兼容哪些板但是它到底是什么板用model属性来明确。

2.4 status

dtsi文件中定义了很多设备但是在你的板子上某些设备是没有的。这时你可以给这个设备节点添加一个status属性设置为“disabled”

2.5 reg

reg的本意是register用来表示寄存器地址。

但是在设备树里它可以用来描述一段空间。反正对于ARM系统寄存器和内存是统一编址的即访问寄存器时用某块地址访问内存时用某块地址在访问方法上没有区别。

reg属性的值是一系列的“address size”用多少个32位的数来表示address和size由其父节点的#address-cells、#size-cells决定。

示例

/dts-v1/;
/ {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>; 
memory {
reg = <0x80000000 0x20000000>;
};
};

2.6 name(过时了建议不用)

它的值是字符串用来表示节点的名字。在跟platform_driver匹配时优先级最低。

compatible属性在匹配过程中优先级最高。

2.7 device_type(过时了建议不用)

它的值是字符串用来表示节点的类型。在跟platform_driver匹配时优先级为中。

compatible属性在匹配过程中优先级最高。

3.常用节点

3.1 跟节点

dts文件中必须有一个根节点

/dts-v1/;
/ {
model = "SMDK24440";
compatible = "samsung,smdk2440";

#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>; 
};

根节点中必须有这些属性

#address-cells // 在它的子节点的reg属性中, 使用多少个u32整数来描述地址(address)
#size-cells   // 在它的子节点的reg属性中, 使用多少个u32整数来描述大小(size)
compatible   // 定义一系列的字符串, 用来指定内核中哪个machine_desc可以支持本设备
            // 即这个板子兼容哪些平台 
            // uImage : smdk2410 smdk2440 mini2440     ==> machine_desc         
                 
model       // 咱这个板子是什么
            // 比如有2款板子配置基本一致, 它们的compatible是一样的
            // 那么就通过model来分辨这2款板子

3.2 CPU节点

一般不需要我们设置在dtsi文件中都定义好了

cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;

        cpu0: cpu@0 {
            .......
        }
};

3.3 memory节点

芯片厂家不可能事先确定你的板子使用多大的内存所以memory节点需要板厂设置比如

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

3.4 chosen节点

我们可以通过设备树文件给内核传入一些参数这要在chosen节点中设置bootargs属性

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

3.5 aliases 子节点

单词 aliases 的意思是“别名”因此 aliases 节点的主要功能就是定义别名定义别名的目的就是为了方便访问节点。不过我们一般会在节点命名的时候会加上 label然后通过&label来访问节点这样也很方便而且设备树里面大量的使用&label 的形式来访问节点。

打开 imx6ull.dtsi 文件 aliases 节点内容如下所示

aliases {
 can0 = &flexcan1;
 can1 = &flexcan2;
 ethernet0 = &fec1;
 ethernet1 = &fec2;
 gpio0 = &gpio1;
 gpio1 = &gpio2;
....
 spi0 = &ecspi1;
 spi1 = &ecspi2;
 spi2 = &ecspi3;
 spi3 = &ecspi4;
 usbphy0 = &usbphy1;
 usbphy1 = &usbphy2;
};

三.设备树使用

1.编译设备树

make dtbs

2.开发板使用设备树

我们来修改下一个设备树在跟节点中增加一个测试节点

2.1 测试节点编写

2.2 编译dtbs

2.3 通过配置tftp boot

bootcmd以及bootargs配置为

setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw'
setenv bootcmd 'mmc dev 1; fatload mmc 1:1 80800000 zImage; fatload mmc 1:1 83000000
imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000;
saveenv

3.板子启动后查看设备树信息

四.内核操作设备树的函数

设备树描述了设备的详细信息这些信息包括数字类型的、字符串类型的、数组类型的我们在编写驱动的时候需要获取到这些信息。比如设备树使用 reg 属性描述了某个外设的寄存器地址为 0X02005482长度为 0X400我们在编写驱动的时候需要获取到 reg 属性的 0X02005482 和 0X400 这两个值然后初始化外设。 Linux 内核给我们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_”所以在很多资料里面也被叫做 OF 函数。这些 OF 函数原型都定义在 include/linux/of.h 文件中。

1.查找节点的 OF 函数

设备都是以节点的形式“挂”到设备树上的因此要想获取这个设备的其他属性信息必须先获取到这个设备的节点。 Linux 内核使用 device_node 结构体来描述一个节点此结构体定义在文件 include/linux/of.h 中定义如下

 struct device_node {
    const char *name;                    /* 节点名字 */
    const char *type;                    /* 设备类型 */
    phandle phandle;
    const char *full_name;                /* 节点全名 */
    struct fwnode_handle fwnode;

    struct    property *properties;        /* 属性 */
    struct    property *deadprops;        /* removed 属性 */
    struct    device_node *parent;        /* 父节点 */
    struct    device_node *child;            /* 子节点 */
    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
};

与查找节点有关的 OF 函数有 5 个我们依次来看一下。

1.1 of_find_node_by_name 函数

of_find_node_by_name 函数通过节点名字查找指定的节点函数原型如下

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

from开始查找的节点如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。

name要查找的节点名字。

返回值 找到的节点如果为 NULL 表示查找失败。

1.2 of_find_node_by_type 函数

of_find_node_by_type 函数通过 device_type 属性查找指定的节点函数原型如下

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

from开始查找的节点如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。

type要查找的节点对应的 type 字符串也就是 device_type 属性值。

返回值 找到的节点如果为 NULL 表示查找失败。

1.3 of_find_compatible_node 函数

of_find_compatible_node 函数根据 device_type 和 compatible 这两个属性查找指定的节点

函数原型如下

struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from,
                                            const char *type,
                                            const char *compatible)

from开始查找的节点如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。

type要查找的节点对应的 type 字符串也就是 device_type 属性值可以为 NULL表示

忽略掉 device_type 属性。

compatible 要查找的节点所对应的 compatible 属性列表。

返回值 找到的节点如果为 NULL 表示查找失败

1.4 of_find_matching_node_and_match 函数

of_find_matching_node_and_match 函数通过 of_device_id 匹配表来查找指定的节点函数原

型如下

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)

from开始查找的节点如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。

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 找到的节点如果为 NULL 表示查找失败

1.5 of_find_node_by_path 函数

of_find_node_by_path 函数通过路径来查找指定的节点函数原型如下

inline struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)

path带有全路径的节点名可以使用节点的别名比如“/backlight”就是 backlight 这个

节点的全路径。

返回值 找到的节点如果为 NULL 表示查找失败

2.查找父/子节点的 OF 函数

Linux 内核提供了几个查找节点对应的父节点或子节点的 OF 函数我们依次来看一下。

2.1 of_get_parent 函数

of_get_parent 函数用于获取指定节点的父节点(如果有父节点的话)函数原型如下

struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node)

node要查找的父节点的节点。

返回值 找到的父节点。

2.2 of_get_next_child 函数

of_get_next_child 函数用迭代的查找子节点函数原型如下

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

node父节点。

prev前一个子节点也就是从哪一个子节点开始迭代的查找下一个子节点。可以设置为

NULL表示从第一个子节点开始。

返回值 找到的下一个子节点。

3. 提取属性值的 OF 函数

节点的属性信息里面保存了驱动所需要的内容因此对于属性值的提取非常重要 Linux 内核中使用结构体 property 表示属性此结构体同样定义在文件 include/linux/of.h 中内容如下

struct property {
    char    *name;                /* 属性名字 */
    int    length;                    /* 属性长度 */
    void    *value;                /* 属性值 */
    struct property *next;        /* 下一个属性 */
    unsigned long _flags;
    unsigned int unique_id;
    struct bin_attribute attr;
};

Linux 内核也提供了提取属性值的 OF 函数我们依次来看一下

3.1 of_find_property 函数

of_find_property 函数用于查找指定的属性函数原型如下

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

np设备节点。

name 属性名字。

lenp属性值的字节数

返回值 找到的属性

3.2 of_property_count_elems_of_size 函数

of_property_count_elems_of_size 函数用于获取属性中元素的数量比如 reg 属性值是一个

数组那么使用此函数可以获取到这个数组的大小此函数原型如下

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

np设备节点。

proname 需要统计元素数量的属性名字。

elem_size元素长度。

返回值 得到的属性元素数量。

3.3 of_property_read_u32_index 函数

of_property_read_u32_index 函数用于从属性中获取指定标号的 u32 类型数据值(无符号 32位)比如某个属性有多个 u32 类型的值那么就可以使用此函数来获取指定标号的数据值此函数原型如下

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

np设备节点。

proname 要读取的属性名字。

index要读取的值标号。

out_value读取到的值

返回值 0 读取成功负值读取失败 -EINVAL 表示属性不存在 -ENODATA 表示没有

要读取的数据 -EOVERFLOW 表示属性值列表太小。

3.4 of_property_read_u8_array 函数

of_property_read_u16_array 函数

of_property_read_u32_array 函数

of_property_read_u64_array 函数

这 4 个函数分别是读取属性中 u8、 u16、 u32 和 u64 类型的数组数据比如大多数的 reg 属性都是数组数据可以使用这 4 个函数一次读取出 reg 属性中的所有数据。这四个函数的原型如下

int of_property_read_u8_array(const struct device_node *np,
                                const char *propname,
                                u8 *out_values,
                                size_t sz)
int of_property_read_u16_array(const struct device_node *np,
                                const char *propname,
                                u16 *out_values,
                                size_t sz)
int of_property_read_u32_array(const struct device_node *np,
                                const char *propname,
                                u32 *out_values,
                                size_t sz)
int of_property_read_u64_array(const struct device_node *np,
                                const char *propname,
                                u64 *out_values,
                                size_t sz)
np设备节点。

proname 要读取的属性名字。

out_value读取到的数组值分别为 u8、 u16、 u32 和 u64。

sz 要读取的数组元素数量。

返回值 0读取成功负值读取失败 -EINVAL 表示属性不存在 -ENODATA 表示没

有要读取的数据 -EOVERFLOW 表示属性值列表太小。

3.5 of_property_read_u8 函数

of_property_read_u16 函数

of_property_read_u32 函数

of_property_read_u64 函数

有些属性只有一个整形值这四个函数就是用于读取这种只有一个整形值的属性分别用于读取 u8、 u16、 u32 和 u64 类型属性值函数原型如下

int of_property_read_u8(const struct device_node *np,
                        const char *propname,
                        u8 *out_value)
int of_property_read_u16(const struct device_node *np,
                        const char *propname,
                        u16 *out_value)
int of_property_read_u32(const struct device_node *np,
                        const char *propname,
                        u32 *out_value)
int of_property_read_u64(const struct device_node *np,
                        const char *propname,
                        u64 *out_value)

np设备节点。

proname 要读取的属性名字。

out_value读取到的数组值。

返回值 0读取成功负值读取失败 -EINVAL 表示属性不存在 -ENODATA 表示没

有要读取的数据 -EOVERFLOW 表示属性值列表太小。

3.6 of_property_read_string 函数

of_property_read_string 函数用于读取属性中字符串值函数原型如下

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

np设备节点。

proname 要读取的属性名字。

out_string读取到的字符串值。

返回值 0读取成功负值读取失败。

3.7 of_n_addr_cells 函数

of_n_addr_cells 函数用于获取#address-cells 属性值函数原型如下

int of_n_addr_cells(struct device_node *np) 

函数参数和返回值含义如下

np设备节点。

返回值 获取到的#address-cells 属性值。

3.8 of_n_size_cells 函数

of_size_cells 函数用于获取#size-cells 属性值函数原型如下

int of_n_size_cells(struct device_node *np)

函数参数和返回值含义如下

np设备节点。

返回值 获取到的#size-cells 属性值。

4.其他常用的of函数

4.1 of_device_is_compatible 函数

of_device_is_compatible 函数用于查看节点的 compatible 属性是否有包含 compat 指定的字

符串也就是检查设备节点的兼容性函数原型如下

int of_device_is_compatible(const struct device_node *device,
                            const char *compat)

device设备节点。

compat要查看的字符串。

返回值 0节点的 compatible 属性中不包含 compat 指定的字符串 正数节点的 compatible

属性中包含 compat 指定的字符串

4.2 of_get_address 函数

of_get_address 函数用于获取地址相关属性主要是“reg”或者“assigned-addresses”属性

值函数属性如下

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

dev设备节点。

index 要读取的地址标号。

size地址长度。

flags参数比如 IORESOURCE_IO、 IORESOURCE_MEM 等

返回值 读取到的地址数据首地址为 NULL 的话表示读取失败

4.3 of_translate_address 函数

of_translate_address 函数负责将从设备树读取到的地址转换为物理地址函数原型如下

u64 of_translate_address(struct device_node *dev,
                        const __be32 *in_addr)

dev设备节点。

in_addr要转换的地址。

返回值 得到的物理地址如果为 OF_BAD_ADDR 的话表示转换失败。

4.4 of_address_to_resource 函数

IIC、 SPI、 GPIO 等这些外设都有对应的寄存器这些寄存器其实就是一组内存空间 Linux内核使用 resource 结构体来描述一段内存空间“resource”翻译出来就是“资源”因此用 resource结构体描述的都是设备资源信息 resource 结构体定义在文件 include/linux/ioport.h 中定义如下

struct resource {
    resource_size_t start;
    resource_size_t end;
    const char *name;
    unsigned long flags;
    struct resource *parent, *sibling, *child;
};

对于 32 位的 SOC 来说 resource_size_t 是 u32 类型的。其中 start 表示开始地址 end 表示

结束地址 name 是这个资源的名字 flags 是资源标志位一般表示资源类型可选的资源标志

定义在文件 include/linux/ioport.h 中如下所示

#define IORESOURCE_BITS 0x000000ff
#define IORESOURCE_TYPE_BITS 0x00001f00
#define IORESOURCE_IO 0x00000100
#define IORESOURCE_MEM 0x00000200
#define IORESOURCE_REG 0x00000300
#define IORESOURCE_IRQ 0x00000400
#define IORESOURCE_DMA 0x00000800
#define IORESOURCE_BUS 0x00001000
#define IORESOURCE_PREFETCH 0x00002000
#define IORESOURCE_READONLY 0x00004000
#define IORESOURCE_CACHEABLE 0x00008000
#define IORESOURCE_RANGELENGTH 0x00010000
#define IORESOURCE_SHADOWABLE 0x00020000
#define IORESOURCE_SIZEALIGN 0x00040000
#define IORESOURCE_STARTALIGN 0x00080000
#define IORESOURCE_MEM_64 0x00100000
#define IORESOURCE_WINDOW 0x00200000
#define IORESOURCE_MUXED 0x00400000
#define IORESOURCE_EXCLUSIVE 0x08000000
#define IORESOURCE_DISABLED 0x10000000
#define IORESOURCE_UNSET 0x20000000
#define IORESOURCE_AUTO 0x40000000
#define IORESOURCE_BUSY 0x80000000

大 家 一 般 最 常 见 的 资 源 标 志 就 是 IORESOURCE_MEM 、 IORESOURCE_REG 和IORESOURCE_IRQ 等。接下来我们回到 of_address_to_resource 函数此函数看名字像是从设备树里面提取资源值但是本质上就是将 reg 属性值然后将其转换为 resource 结构体类型函数原型如下所示

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

dev设备节点。

index地址资源标号。

r得到的 resource 类型的资源值。

返回值 0成功负值失败。

4.5 of_iomap 函数

of_iomap 函数用于直接内存映射以前我们会通过 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就可以直接通过 of_iomap 函数来获取内存地址所对应的虚拟地址不需要使用 ioremap 函数了。当然了你也可以使用 ioremap 函数来完成物理地址到虚拟地址的内存映射只是在采用设备树以后大部分的驱动都使用 of_iomap 函数了。 of_iomap 函数本质上也是将 reg 属性中地址信息转换为虚拟地址如果 reg 属性有多段的话可以通过 index 参数指定要完成内存映射的是哪一段 of_iomap 函数原型如下

void __iomem *of_iomap(struct device_node *np,
                        int index)

np设备节点。

index 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。

返回值 经过内存映射后的虚拟内存首地址如果为 NULL 的话表示内存映射失败。

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