Linux设备树数据结构概述

1.linux 设备树相关的数据结构

Linux设备树（Device Tree）是一种描述硬件配置的树形数据结构，通过节点（Node）和属性（Property）的层级关系，抽象化表示CPU、内存、总线、外设等硬件信息。其核心数据结构及实现逻辑如下：

一、设备树节点（Device Tree Node）

设备树由节点构成，每个节点表示一个硬件设备或逻辑组件。节点可嵌套子节点，形成树状结构。

1. 节点结构

• 节点命名：格式为node-name@unit-address，其中node-name为设备类型（如cpu、i2c），unit-address为设备地址（可选）。
• 根节点：唯一根节点/，描述整个系统信息（如compatible属性定义硬件平台）。
• 子节点：例如CPU节点、内存节点、外设节点等。

2. 内核表示

在Linux内核中，节点通过struct device_node表示，关键字段包括：

• name: 节点名称。
• parent: 父节点指针。
• child: 子节点链表。
• properties: 属性链表（struct property）。
• full_name: 节点完整路径（如/soc/i2c@021a0000）。

二、属性（Property）

属性是键值对，描述节点配置信息。属性值可以是字符串、整数、字节数组等。

1. 标准属性示例

• compatible：驱动匹配关键属性，格式为"厂商,型号"（如compatible = "fsl,imx6ull-gpmi-nand"）。
• reg：设备地址及长度，格式为<address length>，受父节点#address-cells和#size-cells影响。
• interrupts：中断号及触发方式（如interrupts = <0 2 4>表示IRQ 0，边沿触发）。
• status：设备状态（"okay"启用，"disabled"禁用）。

2. 自定义属性

用户可定义任意属性（如custom-data = <0x12 0x34>），驱动通过of_property_read_u32_array等API读取。

3. 内核表示

属性通过struct property表示，关键字段包括：

• name: 属性名。
• length: 属性值长度。
• value: 属性值指针（字节数组）。

三、设备树二进制格式（DTB）

设备树源文件（.dts）编译为二进制文件（.dtb），内核启动时解析。DTB结构包括：

1. Header：魔数（0xd00dfeed）、总大小、结构块偏移等。
2. Structure Block：线性化节点数据，包含节点开始/结束标记、属性数据。
3. Strings Block：所有属性名的字符串表，通过偏移量引用。

四、内核解析流程

1. Bootloader传递：U-Boot将DTB加载到内存，通过寄存器（如ARM的r2）传递地址给内核。
2. 解压与校验：内核验证DTB完整性，解压为内存中的设备树结构。
3. 遍历与初始化：
   • 使用of_find_node_by_path、of_get_property等API遍历节点和属性。
   • 根据compatible属性匹配驱动，调用probe函数初始化设备。

五、关键数据结构关系图

设备树结构
├─ / (根节点)
│  ├─ compatible = "vendor,platform"
│  └─ memory@80000000
│     ├─ device_type = "memory"
│     └─ reg = <0x80000000 0x40000000>
├─ soc (SoC节点)
│  ├─ #address-cells = <1>
│  ├─ #size-cells = <1>
│  └─ i2c@021a0000
│     ├─ compatible = "fsl,imx6q-i2c"
│     └─ reg = <0x021a0000 0x4000>
└─ chosen (启动参数节点)
   └─ bootargs = "console=ttyS0,115200"

六、操作API示例

#include <linux/of.h>

// 查找节点
struct device_node *np = of_find_node_by_path("/soc/i2c@021a0000");

// 读取属性
const u32 *reg;
u32 reg_len;
of_property_read_u32_array(np, "reg", reg, &reg_len);

// 遍历子节点
for_each_child_of_node(np, child) {
    // 处理子节点
}

总结

设备树通过节点和属性抽象硬件，内核通过struct device_node和struct property解析配置，实现驱动与硬件解耦。这种设计使得同一内核支持多硬件平台，无需修改内核代码，仅需更换设备树文件。

2.设备树相关的结构体 

Linux设备树（Device Tree）通过一组核心数据结构抽象硬件配置，使内核与硬件解耦。以下是其关键结构体及作用详解：

一、核心结构体：struct device_node

表示设备树中的一个节点，描述一个硬件设备或逻辑组件。

字段解析

字段	说明	示例
name	节点名称（不含@unit-address）	cpu、i2c
type	设备类型	memory、serial
full_name	节点完整路径	/soc/i2c@021a0000
properties	属性链表指针	存储compatible、reg等属性
parent/child/sibling	树形结构指针	用于遍历父子/兄弟节点
phandle	唯一句柄	用于跨节点引用（如中断控制器）

内核操作

• 解析函数：__unflatten_device_tree() 将DTB解析为device_node树。
• 遍历API：

  struct device_node *child = NULL;
  for_each_child_of_node(parent_node, child) {
      // 遍历子节点
  }

二、属性结构体：struct property

描述设备树节点的配置信息（键值对）。

字段解析

字段	说明	示例值
name	属性名	compatible、reg
value	属性值（字节数组）	"fsl,imx6ull-gpmi-nand"、<0x80000000 0x40000000>
length	属性值长度	strlen("fsl,imx6ull-gpmi-nand")

标准属性示例

• compatible：驱动匹配关键属性，格式为"厂商,型号"。
• reg：设备地址及长度，受父节点#address-cells和#size-cells影响。
• interrupts：中断号及触发方式（如<0 2 4>表示IRQ 0，边沿触发）。

API操作

// 读取属性值
const u32 *reg_val;
u32 reg_len;
of_property_read_u32_array(np, "reg", reg_val, &reg_len);


// 读取字符串属性
const char *model;
of_property_read_string(np, "model", &model);

三、通用硬件节点标识符：struct fwnode_handle

抽象设备树节点，支持跨硬件描述接口（如ACPI）操作。

应用场景

• 在驱动中动态获取硬件配置（如SPI/GPIO参数），无需硬编码内核。
• 示例：通过fwnode_handle获取I2C控制器地址。

四、设备树二进制格式（DTB）结构

内核启动时解析的二进制格式，包含以下部分：

1. Header
   • 魔数（0xd00dfeed）、总大小、结构块偏移等。
2. Structure Block
   • 线性化节点数据，包含节点开始/结束标记（OF_DT_BEGIN_NODE/OF_DT_END_NODE）。
   • 属性数据格式：[属性值长度][属性名偏移][属性值]。
3. Strings Block
   • 存储所有属性名的字符串表，通过偏移量引用。

五、内核解析流程

1. Bootloader传递
   U-Boot将DTB加载到内存，地址通过寄存器（如ARM的r2）传递给内核。

2. 解压与校验
   内核验证DTB完整性，解压为内存中的设备树结构。

3. 遍历与初始化

   • 使用of_find_node_by_path、of_get_property等API遍历节点和属性。
   • 根据compatible属性匹配驱动，调用probe函数初始化设备。

六、代码示例

#include <linux/of.h>

// 查找I2C控制器节点
struct device_node *i2c_node = of_find_node_by_path("/soc/i2c@021a0000");

// 读取reg属性
const u32 *reg;
u32 reg_len;
of_property_read_u32_array(i2c_node, "reg", reg, &reg_len);

// 遍历子节点（如I2C设备）
struct device_node *child;
for_each_child_of_node(i2c_node, child) {
    // 处理子节点（如传感器、EEPROM）
}

总结

设备树通过struct device_node和struct property抽象硬件，内核通过解析DTB构建树形结构，驱动通过compatible属性匹配并初始化设备。struct fwnode_handle提供跨硬件接口的抽象能力，增强代码复用性。此设计使同一内核支持多硬件平台，无需修改内核代码，仅需更换设备树文件。