【Linux驱动】设备树的开发

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前言

掌握设备树是 Linux 驱动开发人员必备的技能！因为在新版本的 Linux 中，ARM 相关的驱动全部采用了设备树(也有支持老式驱动的，比较少)，最新出的 CPU 其驱动开发也基本都是基于设备树的，比如 ST 新出的 STM32MP157、NXP 的 I.MX8 系列等
本篇文章主要是让我们了解如何通过设备树进行Linux驱动的开发

硬件： RV1126
Linux内核： 4.19

一、设备树

1.设备树介绍

随着智能手机的发展，每年新出的ARM架构芯片少说都在数十、数百款，Linux内核下板级信息文件将会成指数级增长！这些板级信息文件都是.c或.h文件，都会被硬编码进Linux内核中，导致Linux内核“虚胖”。就好比你喜欢吃自助餐，然后花了100多到一家宣传看着很不错的自助餐厅，结果你想吃的牛排、海鲜、烤肉基本没多少，全都是一些凉菜、炒面、西瓜、饮料等小吃，相信你此时肯定会脱口而出一句“骗子！”。同样的，内核也是如此，所以ARM社区就引入了PowerPC等架构已经采用的设备树(FlattenedDeviceTree)，将这些描述板级硬件信息的内容都从Linux内中分离开来，用一个专属的文件格式来描述，这个专属的文件就叫做设备树，文件扩展名为.dts。

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(Device Tree 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，如下图所示：

在设备树中，可描述的信息包括：
a. CPU数量和类型
b.内存基地址和大小
c.总线和桥
d.外设连接
e.中断控制器和中断使用情况
f.GPIO控制器和GPIO使用情况
g.时钟控制器和时钟使用情况

bootload会将这些信息传递给内核，内核开始识别这些树，并解析成linux内核中platform_device,i2c_client,spi_device等设备，而这些设备使用的内存资源，中断等信息也传递给内核。内核会将这些资源绑定给相应的设备。

设备树的主要优势： 对于同一SOC的不同主板，只需更换设备树文件.dtb即可实现不同主板的无差异支持，而无需更换内核文件。

2.设备树组成

DTS文件是一种ASCII文本对Device Tree的描述，放置在内核的/arch/arm/boot/dts目录。一般而言，一个*.dts文件对应一个ARM的machine。·DTSI文件作用：由于一个SOC可能有多个不同的电路板，而每个电路板拥有一个 .dts。这些dts势必会存在许多共同部分，为了减少代码的冗余，设备树将这些共同部分提炼保存在.dtsi文件中，供不同的dts共同使用。*.dtsi的使用方法，类似于C语言的头文件，在dts文件中需要进行include *.dtsi文件。当然，dtsi本身也支持include 另一个dtsi文件。 dtsi由厂商提供·DTC是将.dts编译为.dtb的工具，相当于gcc,
·DTB文件是 dts 被 DTC 编译后的二进制格式的设备树文件，它可以被linux内核解析
设备树文件路径： 、rv1126_rv1109_v2.2.0_20210825/kernel/arch/arm/boot/dts

3.设备树语法

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；
node-name： 是设备节点的名称，为ASCII字符串，节点名字应该能够清晰的描述出节点的功能，比如“uart1”就表示这个节点是UART1外设；
@unit-address： 一般表示设备的地址或寄存器首地址，如果某个节点没有地址或者寄存器的话 “unit-address” 可以不要；
注：根节点没有node-name 或者 unit-address，它被定义为 /

注意：
1》设备树文件都由根节点开始，每个设备只有一个根节点(如果包含多个文件，根节点则会合并)，其它所有设备都作为子节点存在，由节点名和一组节点属性构成。
2》节点属性都是有key-value的键值对来描述，并以 ; 结束
3》节点间可以嵌套形成父子关系，这样可以方便描述设备间的关系

3.1标准属性

节点是由一堆的属性组成，节点都是具体的设备，不同的设备需要的属性不同，用户可以自定义属性。除了用户自定义属性，有很多属性是标准属性，Linux 下的很多外设驱动都会使用这些标准属性。

3.2compatible 属性详解

compatible也叫做“兼容性”属性，这是非常重要的一个属性！ compatible 属性的值是一个字符串列表， compatible 属性用于将设备和驱动绑定起来。字符串列表用于选择设备所要使用的驱动程序，
compatible 属性的值格式：“manufacturer,model”，其中manufacturer 表示厂商， model 一般是模块对应的驱动名字。
例如：compatible = “fsl,mpc8641”, “ns16550”;
上面的compatible有两个属性，分别是 “fsl,mpc8641” 和 “ns16550”；其中 “fsl,mpc8641” 的厂商是 fsl(飞思卡尔)；设备首先会使用第一个属性值在 Linux 内核里面查找，看看能不能找到与之匹配的驱动文件；
如果没找到，就使用第二个属性值查找，以此类推，直到查到到对应的驱动程序 或者 查找完整个 Linux 内核也没有对应的驱动程序为止。

二、设备树开发

1.设备树节点的操作函数

Linux 驱动程序往往需要去读取到 Linux 内核中附带的 dts 文件，并操作设备树 DTS 的相关节点.

1.查找指定节点名称的节点

struct device_node *of_find_node_by_name(struct device_node *from, const char *name);
from：起始节点。从这个节点开始向下搜索，查找具有指定名称的节点。如果传入 NULL，则从设备树的根节点开始搜索。
name：要查找的节点名称。
返回值为找到的设备树节点的指针，如果没有找到匹配的节点，则返回 NULL

2.用于通过设备树路径（path）查找设备树中的节点

struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)
path：设备树节点的路径，是一个以斜杠分隔的字符串，表示设备树中节点的层次结构路径。
返回值为找到的设备树节点的指针，如果没有找到匹配的节点，则返回 NULL

2.向设备树中添加节点

设备树文件路径：kernel/arm/arch/boot/dts
注意设备树节点的添加要在根节点内。
添加完结点之后重新编译内核文件生成dst.bin文件烧录到开发板中。

3.设备树节点的使用

3.1平台总线驱动端的注册

注意：
这里因为我添加的设备是蜂鸣器，在总线上没有对应的物理总线，所以我们用的是虚拟总线(平台设备总线)去挂载我们的设备。

平台设备驱动端注册函数:
User int platform_driver_register(struct platform_driver *drv)

该函数用于将一个 struct platform_driver 结构体中的驱动程序信息注册到内核，使得内核能够正确地与该平台设备驱动程序进行关联。
以下是该函数的参数和简要说明：
drv：指向 struct platform_driver 结构体的指针，其中包含了平台设备驱动程序的相关信息，包括探测、移除等操作的回调函数、设备驱动信息等。
返回值为注册成功时返回0，失败时返回一个负数，表示注册失败的错误码。
该函数通常由平台设备驱动程序的初始化代码调用，以便在系统启动时注册驱动程序，从而使内核能够正确地管理该平台设备。注册成功后，当系统探测到与该平台设备驱动程序匹配的硬件设备时，相应的探测函数 (probe 字段指定的函数) 将被调用，完成设备的初始化工作。

struct platform_driver *drv结构体详解

struct platform_driver *drv结构体内struct device_driver driver结构体详解

struct device_driver driver结构体内struct of_device_id *of_match_table详解

3.2字符设备的注册

这里我们采用杂项字符设备的注册方式

杂项字符设备注册函数:int misc_register(struct miscdevice * misc)

misc：指向 struct miscdevice 结构体的指针，包含了与杂项字符设备相关的信息，如设备号、设备名称、设备操作函数等。
返回值为注册成功时返回0，失败时返回一个负数，表示注册失败的错误码。

4.代码示例

代码如下：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/mod_devicetable.h>
#include <linux/of_gpio.h>

int my_probe(struct platform_device *);
int my_remove(struct platform_device *);
ssize_t my_write (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);


struct of_device_id	match_table={
	.compatible="TestBeep"//设备名，与设备树中添加的名字保持一致，也就是compatible的属性
};//设备树匹配结构体

struct platform_driver mydrv={
	.probe=my_probe,//设备探测函数
	.remove=my_remove,//设备移除函数
	.driver={
		.name="test",//在这里这个名字不用于设备名的匹配，用compatible属性去匹配设备
		.of_match_table=&match_table//用于设备名的匹配
	}//设备驱动结构体，存放设备信息
};//平台驱动端核心结构体

struct file_operations ops={
	.write=my_write//写函数接口，为应用层提供write接口
};//字符指针操作集核心结构体

struct miscdevice  my_misc={
	.minor=255,//设备号,255默认由内核分配次设备节点号,杂项主设备号均为10。
	.name="dev_beep",//设备名
	.fops=&ops//文件操作指针集结构体
};//杂项字符设备设备核心结构体

int beepgpio;//定义一个全局变量去承接GPIO号
ssize_t my_write (struct file *f, const char __user *buf, size_t s, loff_t *l)
{
	char data;
	int ret;
	/*我们不能直接对用户层数据进行操作，
	所以我们这里用copy_from_user函数安全地从用户空间复制数据到内核空间。*/
	ret = copy_from_user(&data,buf,s);
	gpio_set_value(beepgpio,data);/*通过获取到用户空间的数据对gpio口进行设置*/
	return 0;
}

int my_probe(struct platform_device *dev)//设备探测函数
{
	printk("设备探测函数执行......\n");
	//字符设备注册得到设备节点
	misc_register(&my_misc);
	beepgpio = of_get_named_gpio(dev->dev.of_node,"beep_gpio",0);//获取gpio号
	gpio_request(beepgpio,"beep");//请求gpio
	gpio_direction_output(beepgpio,0);//设置gpio方向
	return 0;
}
int my_remove(struct platform_device *dev)//设备移除函数
{
	printk("设备移除函数执行......\n");
	misc_deregister(&my_misc);//注销字符设备
	gpio_free(beepgpio);//释放gpio口
	return 0;
}
static int __init My_Enter(void)
{
	printk("模块加载成功!\n");
	//1.平台设备驱动端注册
	if(platform_driver_register(&mydrv) == 0)
	{
		printk("平台设备驱动端注册成功!\n");
	}
	return 0;
}

static void __exit My_Exit(void)
{
	printk("模块卸载成功!\n");
	platform_driver_unregister(&mydrv);
}

module_init(My_Enter);
module_exit(My_Exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

总结

通过上面的代码示例我们可以简单的了解设备树的开发流程，设备树的开发是每个 Linux 驱动开发工程师必须掌握的技能，特别是如今的 Linux 内核版本都是支持设备树的。设备树的出现极大的方便了各种设备的驱动代码编写，同时降低了 Linux 内核的冗余。