Linux下DTS如何使用？关键步骤与实践技巧解析

Linux下的设备树源文件（DTS, Device Tree Source）是描述硬件设备信息的关键文本格式，用于替代传统的硬编码板级支持包（BSP），实现硬件描述与内核代码的解耦，提高系统的可移植性和维护性，以下从基本概念、结构、编译、使用流程及调试等方面详细介绍DTS的使用方法。

DTS的基本概念与作用

在Linux内核早期，不同硬件平台的设备信息（如外设地址、中断号、时钟频率等）需直接写在内核代码中，导致每个板卡都需要修改内核源码，维护成本高，设备树通过树状结构的文本文件（.dts）统一描述硬件拓扑和设备属性，内核启动时解析该文件并动态生成设备，无需修改内核代码即可适配不同硬件，DTS文件通常位于内核源码的arch/<架构>/boot/dts/目录下，对应板卡的文件名通常以<board-name>.dts命名（如imx6ull.dts）。

DTS的基本结构

DTS采用树状层级结构，每个节点代表一个设备或总线，通过属性（property）描述设备的特性,核心结构包括：

根节点（/）

设备树的顶层节点，以表示，定义了全局属性，如地址和大小单元格数（#address-cells和#size-cells）,用于描述子节点的地址空间。

子节点（Sub-nodes）

根节点下可包含多个子节点，代表硬件上的总线、控制器或外设。/soc节点通常用于片上系统（SoC）的外设控制器，/memory节点定义系统内存。

属性（Properties）

节点通过键值对形式的属性描述硬件信息,常见属性包括：

• compatible：字符串列表，用于驱动匹配（如"arm,cortex-a7"）,内核通过该属性查找对应的设备驱动。
• reg：寄存器地址映射，格式为<地址 长度>，需配合#address-cells和#size-cells解析。
• interrupts：中断号，格式为<中断类型 中断标志 中断号>,具体取决于架构和中断控制器。
• clocks：时钟源，引用/clocks节点中的时钟。
• status：设备状态，如"okay"（启用）或"disabled"（禁用）。

示例：简单DTS片段

/dts-v1/;          // 声明设备树版本
/ {
    #address-cells = <1>;  // 子节点reg属性中地址占用1个cell（32位）
    #size-cells = <1>;     // 子节点reg属性中长度占用1个cell
    memory@0x80000000 {    // 内存节点，基地址0x80000000
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x20000000>; // 地址0x80000000，长度512MB
    };
    soc {                  // SoC节点
        compatible = "simple-bus";
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
        uart0: uart@0x02000000 { // UART控制器节点
            compatible = "ns16550a";
            reg = <0x02000000 0x1000>;
            interrupts = <1 2>;
            clock-frequency = <1843200>;
            status = "okay";
        };
    };
};

DTS的编译与使用

DTS文本文件需编译为二进制格式（DTB, Device Tree Blob）才能被内核识别，常用工具为dtc（Device Tree Compiler）。

安装dtc工具

基于Debian/Ubuntu的系统可通过以下命令安装：

sudo apt install device-tree-compiler

编译DTS为DTB

使用dtc命令编译,基本格式为：

dtc -I dts -O dtb -o output.dtb input.dts

• -I dts：输入格式为DTS源文件。
• -O dtb：输出格式为DTB二进制文件。
• -o output.dtb：指定输出文件名。

若在内核源码中编译，可使用make dtbs命令，生成的DTB文件位于arch/<架构>/boot/dts/目录下。

设备树的使用流程

• 硬件适配：根据硬件手册修改DTS文件，定义外设地址、中断、时钟等属性。
• 编译DTB：通过dtc或内核Makefile生成DTB文件。
• 烧录与加载：将DTB文件烧录到设备的启动存储介质（如eMMC、SD卡），或通过U-Boot的fdt命令加载（如fdt addr ${dtb_addr} ${dtb_size}）。
• 内核解析：内核启动时读取DTB文件，通过of（Open Firmware）接口解析设备信息，动态创建platform_device结构，驱动程序通过of_系列API（如of_platform_populate()）获取设备属性并初始化硬件。

设备树常用节点与属性说明

以下为常见节点及属性的详细说明,可通过表格形式清晰呈现：

设备树的修改与调试

修改DTS

• 添加设备节点：在父节点（如/soc）下添加新节点，定义compatible、reg等属性,例如添加I2C传感器：

  i2c@0x021a0000 {
      compatible = "ti,omap4-i2c";
      reg = <0x021a0000 0x1000>;
      interrupts = <0 76 0x4>;
      status = "okay";
      tmp102: tmp102@48 {
          compatible = "ti,tmp102";
          reg = <0x48>;
          status = "okay";
      };
  };

• 修改设备状态：通过status = "disabled";"禁用不需要的设备（如未使用的外设）。

调试方法

• 查看设备树信息：内核启动后，/proc/device-tree目录下以节点形式保存解析后的设备树属性，可通过hexdump -C /proc/device-tree/soc/uart@0x02000000/reg查看寄存器地址。
• 反编译DTB：将DTB反编译为DTS格式，便于检查编译后的内容：

  dtc -I dtb -O dts -o output.dts input.dtb

• 设备树绑定文档：内核源码Documentation/devicetree/bindings/目录下存放了各设备的属性规范（如serial.txt定义UART的compatible字符串）,编写DTS时需参考文档确保属性正确。

Linux下的DTS通过树状结构和属性描述硬件信息，实现了硬件与内核代码的分离，大幅提升了系统的可移植性，使用DTS需掌握其基本结构、编译方法、节点属性定义及调试技巧，并结合硬件手册和内核绑定文档进行适配，最终通过内核解析动态生成设备，驱动程序通过OF API获取硬件信息完成初始化。

相关问答FAQs

Q1: DTS和DTB有什么区别？
A: DTS（Device Tree Source）是文本格式的设备树源文件，可读可编辑，用于描述硬件拓扑和设备属性；DTB（Device Tree Blob）是DTS编译后的二进制文件，专供内核解析使用，内核无法直接读取DTS，必须通过dtc工具将其编译为DTB,并在启动时加载到内存中解析。

Q2: 如何在设备树中添加自定义设备节点？
A: 添加自定义设备节点需遵循以下步骤：

1. 确定硬件信息：从硬件手册获取设备的基地址、中断号、时钟频率等关键参数。

2. 选择父节点：根据设备连接的总线类型（如I2C、SPI）选择合适的父节点（如/i2c@0x021a0000）。

3. 定义节点属性：在父节点下添加子节点，设置compatible（需与驱动程序匹配）、reg（设备地址/ID）、interrupts（中断号）等必要属性。

4. 编译与烧录：使用dtc编译DTS为DTB，烧录到设备并重启内核，内核会自动解析节点并加载驱动（若compatible匹配）。
   添加一个自定义LED节点：

   leds {
    compatible = "gpio-leds";
    status = "okay";
    led-user {
        label = "user-led";
        gpios = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>;
        default-state = "off";
    };
   };