Linux 驱动开发基础知识——内核对设备树的处理与使用

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2024-2-27

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本文主要介绍了Linux 驱动开发基础知识——内核对设备树的处理与使用相关内容。希望对您的学习有所帮助。
本文来自于CSDN，由火龙果软件Linda编辑、推荐。

一、内核对设备树的处理

从源代码文件 dts 文件开始，设备树的处理过程为：

dts 在 PC 机上被编译为 dtb 文件；

u-boot 把 dtb 文件传给内核；

内核解析 dtb 文件，把每一个节点都转换为 device_node 结构体；

对于某些 device_node 结构体，会被转换为 platform_device 结构体。

1.1 dtb 中每一个节点都被转换为 device_node 结构体

根节点被保存在全局变量 of_root 中，从 of_root 开始可以访问到任意节点。

1.2 哪些设备树节点会被转换为 platform_device

（1）根节点下含有 compatile 属性的子节点

（2）含有特定 compatile 属性的节点的子节点

如果一个节点的 compatile 属性，它的值是这 4 者之一："simple-bus","simple-mfd","isa","arm,amba-bus", 那么它的子结点 ( 需含 compatile 属性)也可以转换为 platform_device。

（3）总线 I2C、SPI 节点下的子节点：不转换为 platform_device。

某个总线下到子节点，应该交给对应的总线驱动程序来处理, 它们不应该被转换为 platform_device。

比如以下的节点中：


/{
     mytest {
     compatile = "mytest", "simple-bus";
     mytest@0 {
        compatile = "mytest_0";
     };
 };
 
 i2c {
     compatile = "samsung,i2c";
     at24c02 {
    compatile = "at24c02"; 
     };
 };
 
 spi {
     compatile = "samsung,spi"; 
     flash@0 {
             compatible = "winbond,w25q32dw";
             spi-max-frequency = <25000000>;
             reg = <0>;
         };
     };
 };

⚫ /mytest 会被转换为 platform_device, 因为它兼容"simple-bus"; 它的子节点/mytest/mytest@0 也会被转换为 platform_device

⚫ /i2c 节点一般表示 i2c 控制器, 它会被转换为 platform_device, 在内核中有对应的 platform_driver;

⚫ /i2c/at24c02 节点不会被转换为 platform_device, 它被如何处理完全由父节点的 platform_driver 决定, 一般是被创建为一个 i2c_client。

⚫ /spi节点, 它一般也是用来表示 SPI 控制器, 它会被转换为 platform_device, 在内核中有对应的 platform_driver;

⚫ /spi/flash@0 节点不会被转换为 platform_device, 它被如何处理完全由父节点的 platform_driver 决定, 一般是被创建为一个 spi_device。

1.3 怎么转换为 platform_device

内核处理设备树的函数调用过程，这里不去分析；我们只需要得到如下结论：

◼ platform_device 中含有 resource 数组, 它来自 device_node 的 reg, interrupts 属性; ◼ platform_device.dev.of_node 指向 device_node, 可以通过它获得其他属性

1.4 platform_device 如何与 platform_driver 配对

从设备树转换得来的 platform_device 会被注册进内核里，以后当我们每注册一个 platform_driver 时，它们就会两两确定能否配对，如果能配对成功就调用 platform_driver 的 probe 函数。

1.4.1 最先比较：是否强制选择某个 driver

⚫ 比较:platform_device.driver_override 和 platform_driver.driver.name

可以设置 platform_device 的 driver_override，强制选择某个 platform_driver。

1.4.2 然后比较：设备树信息

⚫ 比较： platform_device.dev.of_node 和 platform_driver.driver.of_match_table。

由设备树节点转换得来的 platform_device 中，含有一个结构体：of_node。

它的类型如下：

如果一个 platform_driver 支持设备树，它的platform_driver.driver.of_match_table 是一个数组

它的类型如下：

使用设备树信息来判断 dev 和 drv 是否配对时:

首先，如果 of_match_table 中含有 compatible 值，就跟 dev 的 compatile 属性比较，若一致则成功，否则返回失败；

其次，如果 of_match_table 中含有 type 值，就跟 dev 的 device_type 属性比较，若一致则成功，否则返回失败；

最后，如果 of_match_table 中含有 name 值，就跟 dev 的 name 属性比较，若一致则成功，否则返回失败。

而设备树中建议不再使用 devcie_type 和 name 属性，所以基本上只使用设备节点的 compatible 属性来寻找匹配的 platform_driver。

1.4.3 接下来比较：platform_device_id

比较 platform_device. name 和 platform_driver.id_table[i].name， id_table 中可能有多项。

platform_driver.id_table 是“platform_device_id”指针，表示该 drv 支持若干个 device，它里面列出了各个 device 的{.name, .driver_data}，其中的“name”表示该 drv 支持的设备的名字，driver_data 是些提供给该 device 的私有数据。

1.4.4 最后比较

⚫ platform_device.name 和 platform_driver.driver.name

platform_driver.id_table 可能为空，这时可以根据 platform_device.name 来寻找同名的 platform_device。

二、内核里操作设备树的常用函数

内核源码中 include/linux/目录下有很多 of 开头的头文件，of 表示“open firmware”即开放固件

2.1 内核中设备树相关的头文件介绍

设备树的处理过程是：dtb -> device_node -> platform_device。

2.1.1 处理 DTB


of_fdt.h // dtb 文件的相关操作函数, 我们一般用不到, 
// 因为 dtb 文件在内核中已经被转换为 device_node 树(它更易于使用)

2.1.2 处理 device_node


of.h // 提供设备树的一般处理函数, 
// 比如 of_property_read_u32(读取某个属性的 u32 值),
// of_get_child_count(获取某个 device_node 的子节点数)
of_address.h // 地址相关的函数, 
// 比如 of_get_address(获得 reg 属性中的 addr, size 值)
// of_match_device (从 matches 数组中取出与当前设备最匹配的一项)
of_dma.h // 设备树中 DMA 相关属性的函数
of_gpio.h // GPIO 相关的函数
of_graph.h // GPU 相关驱动中用到的函数, 从设备树中获得 GPU 信息
of_iommu.h // 很少用到
of_irq.h // 中断相关的函数
of_mdio.h // MDIO (Ethernet PHY) API
of_net.h // OF helpers for network devices. 
of_pci.h // PCI 相关函数
of_pdt.h // 很少用到
of_reserved_mem.h // reserved_mem 的相关函数

2.1.3 处理 platform_device


of_platform.h // 把 device_node 转换为 platform_device 时用到的函数, 
 // 比如 of_device_alloc(根据 device_node 分配设置 platform_device), 
 // of_find_device_by_node (根据 device_node 查找到 platform_device),
 // of_platform_bus_probe (处理 device_node 及它的子节点)
of_device.h // 设备相关的函数, 比如 of_match_device

2.2 platform_device 相关的函数

of_platform.h 中声明了很多函数，但是作为驱动开发者，我们只使用其中的 1、2 个。其他的都是给内核自己使用的，内核使用它们来处理设备树，转换得到 platform_device。

2.2.1 of_find_device_by_node

函数原型为：

extern struct platform_device *of_find_device_by_node(struct device_node *np);

extern struct platform_device *of_find_device_by_node(struct device_node *np);

设备树中的每一个节点，在内核里都有一个 device_node；你可以使用 device_node 去找到对应的 platform_device。

2.2.2 platform_get_resource

这个函数跟设备树没什么关系，但是设备树中的节点被转换为platform_device 后，设备树中的 reg 属性、interrupts 属性也会被转换为“resource”。

这时，你可以使用这个函数取出这些资源。

函数原型为：


/**
* platform_get_resource - get a resource for a device
* @dev: platform device
* @type: resource type // 取哪类资源？IORESOURCE_MEM、IORESOURCE_REG
*                      // IORESOURCE_IRQ 等
* @num: resource index // 这类资源中的哪一个？
*/
struct resource *platform_get_resource(struct platform_device *dev,
                             unsigned int type, unsigned int num);

对于设备树节点中的 reg 属性，它对应 IORESOURCE_MEM 类型的资源；

对于设备树节点中的 interrupts 属性，它对应 IORESOURCE_IRQ 类型的资源。

2.3 有些节点不会生成 platform_device，怎么访问它们

内核会把 dtb 文件解析出一系列的 device_node 结构体，我们可以直接访问这些 device_node。

内核源码 incldue/linux/of.h 中声明了 device_node 和属性 property 的操作函数，device_node 和 property 的结构体定义如下：

2.3.1 找到节点

（1）of_find_node_by_path

根据路径找到节点，比如“/”就对应根节点，“/memory”对应 memory 节点。

函数原型：

static inline struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path);

（2）of_find_node_by_name

根据名字找到节点，节点如果定义了 name 属性，那我们可以根据名字找到它

函数原型：

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

参数 from 表示从哪一个节点开始寻找，传入 NULL 表示从根节点开始寻找。

但是在设备树的官方规范中不建议使用“name”属性，所以这函数也不建议使用。

（3）of_find_node_by_type

根据类型找到节点，节点如果定义了 device_type 属性，那我们可以根据类型找到它。

函数原型：

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

参数 from 表示从哪一个节点开始寻找，传入 NULL 表示从根节点开始寻找。

但是在设备树的官方规范中不建议使用“device_type”属性，所以这函数也不建议使用。

（4）of_find_compatible_node

根据 compatible 找到节点，节点如果定义了 compatible 属性，那我们可以根据 compatible 属性找到它。

函数原型：


extern struct device_node *of_find_compatible_node(struct device_node *from, cons
                                                    t char *type, 
                                                    const char *compat);

⚫ 参数 from 表示从哪一个节点开始寻找，传入 NULL 表示从根节点开始寻找。

⚫ 参数 compat 是一个字符串，用来指定 compatible 属性的值；

⚫ 参数 type 是一个字符串，用来指定 device_type 属性的值，可以传入 NULL。

（5） of_find_node_by_phandle

根据 phandle 找到节点。dts 文件被编译为 dtb 文件时，每一个节点都有一个数字 ID，这些数字 ID 彼此不同。可以使用数字 ID 来找到 device_node。这些数字 ID 就是 phandle。

函数原型：

extern struct device_node *of_find_node_by_phandle(phandle handle);

参数 from 表示从哪一个节点开始寻找，传入 NULL 表示从根节点开始寻找。

（6）of_get_parent

· 找到 device_node 的父节点。

函数原型：

extern struct device_node *of_get_parent(const struct device_node *node);

参数 from 表示从哪一个节点开始寻找，传入 NULL 表示从根节点开始寻找。

（7）of_get_next_parent

这个函数名比较奇怪，怎么可能有“next parent”？

它实际上也是找到 device_node 的父节点，跟 of_get_parent 的返回结果是一样的。

差别在于它多调用下列函数，把 node 节点的引用计数减少了 1。这意味着调用 of_get_next_parent 之后，你不再需要调用 of_node_put 释放 node 节点。

of_node_put(node);

函数原型：

extern struct device_node *of_get_next_parent(struct device_node *node);

参数 from 表示从哪一个节点开始寻找，传入 NULL 表示从根节点开始寻找。

（8）of_get_next_child

取出下一个子节点。

函数原型：


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

⚫ 参数 node 表示父节点；

⚫ prev 表示上一个子节点，设为 NULL 时表示想找到第 1 个子节点。

不断调用 of_get_next_child 时，不断更新 pre 参数，就可以得到所有的子节点。

（9）of_get_next_available_child

取出下一个“可用”的子节点，有些节点的 status 是“disabled”，那就会跳过这些节点。

函数原型：


struct device_node *of_get_next_available_child( const struct device_node *node,
                                                struct device_node *prev);

⚫ 参数 node 表示父节点；

⚫ prev 表示上一个子节点，设为 NULL 时表示想找到第 1 个子节点。

（10）of_get_child_by_name

根据名字取出子节点。

函数原型：


extern struct device_node *of_get_child_by_name(const struct device_node *node,
                                                const char *name);

⚫ 参数 node 表示父节点；

⚫ name 表示子节点的名字。

2.3.2 找到属性

内核源码 incldue/linux/of.h 中声明了 device_node 的操作函数，当然也包括属性的操作函数：of_find_property

找到节点中的属性。

函数原型：


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

⚫ 参数 np 表示节点，我们要在这个节点中找到名为 name 的属性。

⚫ lenp 用来保存这个属性的长度，即它的值的长度。

在设备树中，节点大概是这样：


xxx_node {
     xxx_pp_name = “hello”;
};

上述节点中，“xxx_pp_name”就是属性的名字，值的长度是 6。

2.3.3 获取属性的值

（1）of_get_property

根据名字找到节点的属性，并且返回它的值。

函数原型：


/*
* Find a property with a given name for a given node
* and return the value.
*/
const void *of_get_property(const struct device_node *np,
                            const char *name,
                            int *lenp)

⚫ 参数 np 表示节点，我们要在这个节点中找到名为 name 的属性，然后返回它的值。

⚫ lenp 用来保存这个属性的长度，即它的值的长度。

（2）of_property_count_elems_of_size

根据名字找到节点的属性，确定它的值有多少个元素(elem)。

函数原型：


* of_property_count_elems_of_size - Count the number of elements in a property
*
* @np: device node from which the property value is to be read.
* @propname: name of the property to be searched.
* @elem_size: size of the individual element
*
* Search for a property in a device node and count the number of elements of
* size elem_size in it. Returns number of elements on sucess, -EINVAL if the
* property does not exist or its length does not match a multiple of elem_size
* and -ENODATA if the property does not have a value.
*/
int of_property_count_elems_of_size(const struct device_node *np,
                                    const char *propname,
                                    int elem_size)

参数 np 表示节点，我们要在这个节点中找到名为 propname 的属性，然后返回下列结果：

return prop->length / elem_size;

在设备树中，节点大概是这样：


xxx_node {
     xxx_pp_name = <0x50000000 1024> <0x60000000 2048>;
};

⚫ 调用 of_property_count_elems_of_size(np, “xxx_pp_name”, 8)时，返回值是 2；

⚫ 调用 of_property_count_elems_of_size(np, “xxx_pp_name”, 4)时，返回值是 4。

（3）读整数 u32/u64

函数原型为：


static inline int of_property_read_u32(const struct device_node *np,
                                       const char *propname,
                                       u32 *out_value);
 
extern int of_property_read_u64(const struct device_node *np,
                                const char *propname,
                                u64 *out_value);

在设备树中，节点大概是这样：


xxx_node {
     name1 = <0x50000000>;
     name2 = <0x50000000 0x60000000>;
};

⚫ 调用 of_property_read_u32 (np, “name1”, &val)时，val 将得到值 0x50000000；

⚫ 调用 of_property_read_u64 (np, “name2”, &val)时，val 将得到值 0x6000000050000000。

（4）读某个整数 u32/u64

函数原型为：


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

在设备树中，节点大概是这样：


xxx_node {
     name2 = <0x50000000 0x60000000>;
};

⚫ 调用 of_property_read_u32 (np, “name2”, 1, &val)时，val 将得到值 0x60000000。

（5）读数组

函数原型为：


int of_property_read_variable_u8_array(const struct device_node *np,
                                       const char *propname,
                                       u8 *out_values,
                                       size_t sz_min, size_t sz_max);
int of_property_read_variable_u16_array(const struct device_node *np,
                                        const char *propname,
                                        u16 *out_values,
                                        size_t sz_min, size_t sz_max);
int of_property_read_variable_u32_array(const struct device_node *np,
                                        const char *propname,
                                        u32 *out_values,
                                        size_t sz_min, size_t sz_max);
int of_property_read_variable_u64_array(const struct device_node *np,
                                        const char *propname,
                                        u64 *out_values,
                                        size_t sz_min, size_t sz_max);

在设备树中，节点大概是这样：


xxx_node {
     name2 = <0x50000012 0x60000034>;
};

上述例子中属性 name2 的值，长度为 8。

⚫ 调用 of_property_read_variable_u8_array (np, “name2”, out_values, 1, 10)时， out_values 中将会保存这 8 个字节： 0x12,0x00,0x00,0x50,0x34,0x00,0x00,0x60。

⚫ 调用 of_property_read_variable_u16_array (np, “name2”, out_values, 1, 10)时， out_values 中将会保存这 4 个 16 位数值： 0x0012, 0x5000,0x0034,0x6000。总之，这些函数要么能取到全部的数值，要么一个数值都取不到；

⚫ 如果值的长度在 sz_min 和 sz_max 之间，就返回全部的数值；

⚫ 否则一个数值都不返回。

（6）读字符串

函数原型为：


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

⚫ 返回节点 np 的属性(名为 propname)的值;

⚫ (*out_string)指向这个值，把它当作字符串。

三、怎么修改设备树文件

一个写得好的驱动程序, 它会尽量确定所用资源。只把不能确定的资源留给设备树, 让设备树来指定。根据原理图确定"驱动程序无法确定的硬件资源", 再在设备树文件中填写对应内容。

3.1 使用芯片厂家提供的工具

有些芯片，厂家提供了对应的设备树生成工具，可以选择某个引脚用于某些功能，就可以自动生成设备树节点。

你再把这些节点复制到内核的设备树文件里即可。

3.2 看绑定文档

内核文档 Documentation/devicetree/bindings/

做得好的厂家也会提供设备树的说明文档

3.3 参考同类型单板的设备树文件

3.4 网上搜索

3.5 自己研究驱动源码

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