Linux内核编程：设备树（Device Tree）的引入与作用
设备树（Device Tree，简称DT）是Linux内核从3.0版本开始引入的一种机制，用于描述硬件的组织结构。它的引入解决了内核与硬件平台之间的耦合问题，使得内核更加通用化，同时简化了驱动开发的流程。本文将从设备树的背景、作用、实现方式以及开发流程等方面进行详细解析。
一、设备树的背景
在Linux内核2.6版本中，ARM架构的驱动开发需要针对每个开发板或CPU平台进行定制化开发。这种开发方式导致内核中充斥着大量的硬件相关代码，使得内核变得臃肿且难以维护。例如，ARM架构的硬件资源通常以C文件或头文件的形式定义在arch/arm目录下，随着支持的平台和开发板数量增加，代码量也呈指数级增长。
以2.6内核为例，硬件相关代码的比例从最初的0.81%增长到2.6.39版本的5%。尽管支持的平台数量从20个增加到64个，但代码量的增加使得内核变得难以维护。
设备树的引入正是为了解决这一问题。通过将硬件资源的描述从C文件中移出，转而使用设备树文件（DTS文件）进行描述，内核实现了与硬件的解耦。
二、设备树的作用
设备树的主要作用是实现硬件与内核的解耦，使得内核更加通用化。以下是设备树的主要作用：
硬件解耦：设备树将硬件资源的描述从内核代码中分离出来，内核不再需要针对每个平台进行定制化开发。
简化驱动开发：驱动开发人员可以通过解析设备树文件获取硬件资源，而无需手动定义寄存器地址或中断号。
减少内核代码量：随着设备树的引入，内核中与硬件相关的代码比例从5%下降到1%左右，内核变得更加轻量化。
三、设备树的实现方式
设备树的实现方式主要包括以下几个步骤：
设备树文件（DTS文件）：设备树文件是一个文本文件，使用特定的语法描述硬件资源。例如：
/dts-v1/;
/ {
model = "ARM Development Board";
compatible = "arm,dev-board";
memory {
device_type = "memory";
reg = <0x0 0x80000000>;
};
gpio@7e200000 {
compatible = "brcm,bcm2835-gpio";
reg = <0x7e200000 0x100>;
interrupts = <2 3>;
};
};
编译为二进制文件（DTB文件）：设备树文件通过dtc工具编译为二进制文件（DTB文件），供内核加载和解析。
内核解析设备树：内核在启动时加载DTB文件，并解析其中的硬件资源描述，生成相应的设备节点。
四、设备树的开发流程
设备树的开发流程主要包括以下几个步骤：
定义硬件资源：在DTS文件中定义硬件资源，例如寄存器地址、中断号等。
编译DTS文件：使用dtc工具将DTS文件编译为DTB文件。
加载DTB文件：在内核启动时，通过引导加载程序（如U-Boot）加载DTB文件。
解析设备树：内核解析DTB文件，生成相应的设备节点。
驱动开发：驱动开发人员通过设备树提供的接口获取硬件资源。
五、代码示例
以下是设备树开发中常用的代码示例：
示例 1：获取寄存器地址
#include
#include
struct device_node *np;
np = of_find_node_by_name(NULL, "gpio");
if (np) {
void __iomem *base = of_iomap(np, 0);
if (base) {
// 使用寄存器地址
}
}
示例 2：获取中断号
#include
#include
struct device_node *np;
np = of_find_node_by_name(NULL, "gpio");
if (np) {
int irq = irq_of_parse_and_map(np, 0);
if (irq > 0) {
// 使用中断号
}
}
示例 3：定义设备树节点
gpio@7e200000 {
compatible = "brcm,bcm2835-gpio";
reg = <0x7e200000 0x100>;
interrupts = <2 3>;
};
六、FAQ
以下是关于设备树的常见问题及答案：
问题 答案
设备树的引入背景是什么？ 设备树的引入背景是为了解决ARM架构下内核与硬件平台的耦合问题，减少内核中与硬件相关的代码量。
设备树的主要作用是什么？ 设备树的主要作用是实现硬件与内核的解耦，简化驱动开发流程，减少内核代码量。
如何定义设备树节点？ 设备树节点通过DTS文件定义，使用特定的语法描述硬件资源，例如寄存器地址、中断号等。
如何解析设备树？ 内核通过of_*系列函数解析设备树，例如of_find_node_by_name用于查找节点，of_iomap用于获取寄存器地址。
设备树文件的后缀是什么？ 设备树文件的后缀是.dts，编译后生成的二进制文件后缀是.dtb。
七、相似概念对比
以下是设备树与传统驱动开发方式的对比：
特性 传统驱动开发 设备树驱动开发
硬件描述 硬件资源以C文件或头文件形式定义 硬件资源以DTS文件形式描述
内核耦合 内核与硬件平台强耦合 内核与硬件平台解耦
开发流程 手动定义寄存器地址和中断号 通过解析设备树获取硬件资源
代码量 内核中与硬件相关的代码量大 内核中与硬件相关的代码量减少
八、学习建议
掌握设备树语法：学习DTS文件的语法，掌握如何描述硬件资源。
理解设备树框架：了解设备树在内核中的生命周期，包括编译、加载和解析流程。
实践驱动开发：通过编写简单的驱动程序，实践设备树的使用方法。
使用虚拟平台：使用ARM官方提供的虚拟平台（如LPJ）进行开发和测试。
通过本文的解析，希望读者能够深入理解设备树的引入背景、作用及其实现方式，并在实际开发中灵活运用设备树技术。