说明：本文内容节选自小梅哥编写的《SoC FPGA嵌入式设计和开发教程》一书第9章9.1和9.2节内容。

在“Step by Step为HPS添加UART外设”章节，我们讲解了如何使用SoC EDS软件为创建好的包含HPS的Qsys系统添加UART外设并生成相应的设备树(dts)文件。在“基于Linux应用程序的HPS配置FPGA”章节，我们也提到了使用开发软件安装包提供的不含FPGA逻辑部分的设备树文件来配合启动Linux系统。那么什么是设备树？如何得到适配硬件系统的设备树？linux系统又是如何使用设备树信息来加载各种设备驱动的呢？本节将针对上述问题，以一个具体的实例，讲解设备树的运用。

9.1 什么是设备树

在讲到设备树之前，先看一个具体的应用场景。对于一个ARM处理器，一般其片上都会集成了有较多的外设接口，包括I2C、SPI、UART等。而I2C、SPI都属于总线属性，在这些总线上又会连接其它的外部器件。例如在I2C总线上，又会连接EEPROM、I2C接口的各种传感器、LCD显示屏、RTC等。那么Linux系统如何能够知道I2C总线上连接了哪些设备？又如何知道这些设备的具体信息呢？

在早期的Linux系统中，使用的是硬件描述文件的形式来实现该功能的。每一个具体的硬件平台都会在Linux系统源码包的arch/arm/mach-xxx/目录下存在一个硬件信息描述的源码包，在该源码包中定义了GPIO的使用、外设、i2c总线等系统信息。如果对某个硬件平台进行了修改，例如将EEPROM的容量从16Kb更换为了64Kb，或者在I2C总线上新增了一个从机，则需要修改对应的硬件描述文件，然后重新编译内核。

在arch/arm/下定义了很多mach-xxx的文件夹，一般是按照厂商或者平台命名，例如高通平台的为mach-msm，marvell的为mach-mmp，mach-pxa。

随着新的硬件平台不断产生，为了支持这些硬件平台，Linux系统中会增加越来越多的板级描述文件，从而导致系统中的冗杂文件越来越多。

为了解决这个问题，Linux内核从3.x开始引入设备树的概念，用于实现驱动代码与设备信息相分离。在设备树出现以前，所有关于设备的具体信息都要写在驱动里，一旦外围设备变化，驱动代码就要重写。引入了设备树之后，驱动代码只负责处理驱动的逻辑，而关于设备的具体信息存放到设备树文件中，这样，如果只是硬件接口信息的变化而没有驱动逻辑的变化，驱动开发者只需要修改设备树文件信息，不需要改写驱动代码。

比如在ARM Linux内，一个.dts(device tree source)文件对应一个ARM的machine，一般放置在内核的"arch/arm/boot/dts/"目录内，比如友晶的DE0-nano-SoC开发板就是"arch/arm/boot/dts/socfpga_cyclone5_de0_sockit.dts"。这个文件可以通过$make dtbs命令编译成二进制的.dtb文件供内核驱动使用。

基于同样的软件分层设计的思想，由于一个SoC可能对应多个machine，如果每个machine的设备树都写成一个完全独立的.dts文件，那么势必相当一些.dts文件有重复的部分，为了解决这个问题，Linux设备树目录把一个SoC公用的部分或者多个machine共同的部分提炼为相应的.dtsi文件。这样每个.dts就只有自己差异的部分，公有的部分只需要"include"相应的.dtsi文件, 这样就使整个设备树的管理更加有序。例如，对于Intel的SoC FPGA器件，其包括Cyclone V、Arria V、Arria 10三个系列，这三个系列中，有很多内容是相同的，可以作为公共部分，因此在linux源码中，使用了socfpga.dtsi文件来描述所有socfpga器件通用的部分，然后针对Cyclone V、Arria V、Arria 10这三个系列，又分别使用了socfpga_cyclone5.dtsi、socfpga_arria5.dtsi、socfpga_arria10.dtsi三个文件来描述各个系列的硬件中公共的部分。当具体到某个特定的硬件板卡，如DE0-nano-SoC开发，其设备树文件socfpga_cyclone5_de0_sockit.dts正文的第一行就是使用了#include"socfpga_cyclone5.dtsi"来包含cyclone5器件的通用部分，而在socfpga_cyclone5.dtsi文件中，正文的第一行又是使用了#include "socfpga.dtsi"来包含所有socfpga器件的通用部分。通过这种方式，简化了设备树的构成。

9.2 设备树基本格式

设备树用树状结构描述设备信息，它有以下几种特性

  1. 每个设备树文件都有一个根节点，每个设备都是一个节点。

  2. 节点间可以嵌套，形成父子关系，这样就可以方便的描述设备间的关系。

  3. 每个设备的属性都用一组key-value对(键值对)来描述。

  4. 每个属性的描述用“;”结束

为了方便分析，这里以“Step by Step为HPS添加UART外设”章节中生成的soc_system.dts文件的内容为例，介绍设备树文件的基本格式。

soc_system.dts文件中开头部分内容如下所示：

0008      / {

0009             model = "Altera SOCFPGA  Cyclone V";

0010             compatible =  "altr,socfpga-cyclone5", "altr,socfpga";

0011             #address-cells = <1>;

0012             #size-cells = <1>;

0013             height  = <2>;      /* appended from  boardinfo */

0014             width = <16>;     /* appended from boardinfo */

0015             brightness = <8>;       /* appended from boardinfo */

0016             pagesize = <32>; /* appended from boardinfo */

0017

0018             aliases {

0019                    ethernet0 = "/sopc@0/ethernet@0xff702000";

0020             }; //end aliases

0021

0022             cpus {

0023                    #address-cells =  <1>;

0024                    #size-cells = <0>;

0025                    enable-method =  "altr,socfpga-smp";

0026

0027                    hps_0_arm_a9_0: cpu@0x0 {

0028                           device_type =  "cpu";

0029                           compatible =  "arm,cortex-a9-17.1", "arm,cortex-a9";

0030                           reg =  <0x00000000>;

0031                           next-level-cache =  ;

0032                    }; //end cpu@0x0  (hps_0_arm_a9_0)

0033

0034                    hps_0_arm_a9_1: cpu@0x1 {

0035                           device_type =  "cpu";

0036                           compatible =  "arm,cortex-a9-17.1", "arm,cortex-a9";

0037                           reg =  <0x00000001>;

0038                           next-level-cache =  ;

0039                    }; //end cpu@0x1  (hps_0_arm_a9_1)

0040             }; //end cpus

0041

0042             memory {

0043                    device_type =  "memory";

0044                    reg = <0xffff0000  0x00010000>,

0045                           <0x00000000  0x80000000>;

0046             }; //end memory

第8行，一个“/”表示一个硬件平台，该硬件平台有以下属性

  • model：产品型号，为AlteraSOCFPGA Cyclone V。

  • compatible：兼容属性，用来描述产品与Linux系统中支持的哪个平台兼容。

  • height、width、brightness：这些属性用于描述板上某专用硬件的一些物理信息，例如这里的height为2、width为16，实际上是描述了Inte原厂开发板上提供的LCD显示屏的显示高度和宽度，AC501-SoC开发板上并未设置该LCD显示屏，但是该部分硬件我们依旧保留在了hps_common_board_info.xml文件中，方便读者参考学习。

第18行~20行，描述了一个基本的以太网节点信息， ethernet@0xff702000表示该以太网位于绝对地址为0xff702000的位置，而根据Cyclone V 器件手册，0xff702000这个地址正是EMAC1的绝对地址。

第22行~40行，cpus节点，描述了该开发板上的CPU节点信息。在SoC FPGA器件中，包含了两个Cortex-A9的CPU，因此在cpus节点中又包含了两个子节点，分别名为hps_0_arm_a9_0和hps_0_arm_a9_1。

再如第88行~195行：

0088             sopc0: sopc@0 {

0089                    device_type =  "soc";

0090                    ranges;

0091                    #address-cells =  <1>;

0092                    #size-cells = <1>;

0093                    compatible =  "ALTR,avalon", "simple-bus";

0094                    bus-frequency = <0>;

0095

0096                    hps_0_bridges:  bridge@0xc0000000 {

0097                           compatible =  "altr,bridge-17.1", "simple-bus";

0098                           reg =  <0xc0000000 0x20000000>,

0099                                  <0xff200000  0x00200000>;

0100                           reg-names =  "axi_h2f", "axi_h2f_lw";

0101                           clocks =  ;

0102                           clock-names =  "h2f_axi_clock", "h2f_lw_axi_clock";

0103                           #address-cells =  <2>;

0104                           #size-cells =  <1>;

0105                           ranges =  <0x00000001 0x00000000 0xff200000 0x00000008>,

0106                                  <0x00000001  0x00000100 0xff200100 0x00000080>,

0107                                  <0x00000001  0x00010000 0xff210000 0x00000008>,

0108                                  <0x00000001  0x00010040 0xff210040 0x00000020>,

0109                                  <0x00000001  0x000100c0 0xff2100c0 0x00000010>,

0110                                  <0x00000001  0x00000060 0xff200060 0x00000020>,

0111                                   <0x00000001  0x00000020 0xff200020 0x00000020>,

0112                                  <0x00000001  0x00000040 0xff200040 0x00000020>;

0113

0114                           i2c_0:  unknown@0x100000000 {

0115                                  compatible =  "unknown,unknown-1.0";

0116                                  reg =  <0x00000001 0x00000000 0x00000008>;

0117                                  interrupt-parent  = ;

0118                                  interrupts =  <0 41 4>;

0119                                  clocks =  ;

0120                           }; //end  unknown@0x100000000 (i2c_0)

0121

0122                           alt_vip_vfr_tft:  vip@0x100000100 {

0123                                  compatible =  "ALTR,vip-frame-reader-14.0",  "ALTR,vip-frame-reader-9.1";

0124                                  reg  = <0x00000001 0x00000100 0x00000080>;

0125                                  clocks =  ;

0126                                  max-width =  <800>;  /

0127                                  max-height =  <480>;

0128                                  bits-per-color  = <8>;  /*

0129                                  colors-per-beat  = <4>;       /*

0130                                  beats-per-pixel  = <1>;

0131                                  mem-word-width  = <128>;

0132                           }; //end  vip@0x100000100 (alt_vip_vfr_tft)

0133

0134                           sysid_qsys:  sysid@0x100010000 {

0135                                  compatible =  "altr,sysid-17.1", "altr,sysid-1.0";

0136                                  reg =  <0x00000001 0x00010000 0x00000008>;

0137                                  clocks =  ;

0138                                  id  = <2899645186>;

0139                                  timestamp =  <1532912636>;   /*

0140                           }; //end  sysid@0x100010000 (sysid_qsys)

0141

0142                           led_pio:  gpio@0x100010040 {

0143                                  compatible =  "altr,pio-17.1", "altr,pio-1.0";

0144                                  reg =  <0x00000001 0x00010040 0x00000020>;

0145                                  clocks =  ;

0146                                  altr,gpio-bank-width  = <2>;     /*

0147                                  resetvalue =  <0>; /*

0148                                  #gpio-cells  = <2>;

0149                                  gpio-controller;

0150                           }; //end  gpio@0x100010040 (led_pio)

0151

0152                           button_pio:  gpio@0x1000100c0 {

0153                                  compatible =  "altr,pio-17.1", "altr,pio-1.0";

0154                                  reg =  <0x00000001 0x000100c0 0x00000010>;

0155                                  interrupt-parent  = ;

0156                                  interrupts =  <0 43 1>;

0157                                  clocks =  ;

0158                                  altr,gpio-bank-width  = <2>;     /*

0159                                  altr,interrupt-type  = <2>;  /*

0160                                  altr,interrupt_type  = <2>;  /*

0161                                  edge_type =  <1>;       /*

0162                                  level_trigger  = <0>;   /*

0163                                  resetvalue =  <0>; /*

0164                                  #gpio-cells  = <2>;

0165                                  gpio-controller;

0166                           }; //end  gpio@0x1000100c0 (button_pio)

0167

0168                           uart_0:  serial@0x100000060 {

0169                                  compatible =  "altr,uart-17.1", "altr,uart-1.0";

0170                                  reg =  <0x00000001 0x00000060 0x00000020>;

0171                                  interrupt-parent  = ;

0172                                  interrupts =  <0 44 4>;

0173                                  clocks =  ;

0174                                  clock-frequency  = <50000000>;     /*

0175                                  current-speed  = <115200>;      /*

0176                           }; //end  serial@0x100000060 (uart_0)

0177

0178                           uart_1:  serial@0x100000020 {

0179                                  compatible =  "altr,uart-17.1", "altr,uart-1.0";

0180                                  reg = <0x00000001  0x00000020 0x00000020>;

0181                                  interrupt-parent  = ;

0182                                  interrupts =  <0 42 4>;

0183                                  clocks =  ;

0184                                  clock-frequency  = <50000000>;     /*

0185                                  current-speed  = <115200>;      /*

0186                           }; //end  serial@0x100000020 (uart_1)

0187

0188                           spi_0:  spi@0x100000040 {

0189                                  compatible =  "altr,spi-17.1", "altr,spi-1.0";

0190                                  reg =  <0x00000001 0x00000040 0x00000020>;

0191                                  interrupt-parent  = ;

0192                                  interrupts =  <0 40 4>;

0193                                  clocks = ;

0194                           }; //end  spi@0x100000040 (spi_0)

0195                    }; //end bridge@0xc0000000  (hps_0_bridges)

该部分首先是在第88行描述了一个名为sopc的节点，而在该节点下，又包含了一个名为hps_0_bridges的子节点，该节点表示了"axi_h2f"和 "axi_h2f_lw"两个HPS到FPGA的通信桥。在该通信桥节点上，又描述了I2C控制器(i2c_0)、FrameReader控制器(alt_vip_vfr_tft)、设备ID(sysid_qsys)、基于PIO的LED控制器(led_pio)、基于PIO的按键控制器(button_pio)、串口控制器(uart_0、uart_1)、spi控制器(spi_0)。这些节点所代表的设备正是我们在Platform Designer中添加的FPGA侧的IP。因此，如果我们在FPGA侧增加、删除、修改了某些IP，然后使用SoC EDS软件重新生成dts文件，这些变化也都会体现在hps_0_bridges节点下。例如我们修改添加的uart_1控制器的默认波特率为9600bps，然后重新生成dts文件，则可以看到dts文件中uart_1节点下的current-speed属性值会从115200变为9600。用户也可以对比AC501_SoC_GHRD工程生成的dts文件，是没有uart_1这个节点的，只有在经过了“Step by Step为HPS添加UART外设”实验后得到的新工程生成的dts文件，才有uart_1节点。

了解了什么是设备树，那么，设备树又是怎么指导linux内核加载指定驱动的呢，或者说，Linux的驱动程序是怎么样确定系统中有这个硬件，以及该硬件的具体参数，并完成驱动的加载和设置的呢？具体内容，可以关注小梅哥“9 Linux设备树的原理与应用实例”系列文章的下一篇文章“Linux设备树应用实例”。

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