学习笔记——设备树基础

一、设备树（Device Tree）基础

1. 设备树的作用

描述硬件信息（如内存、外设、中断、时钟等），使 Linux 内核可以动态识别硬件，无需重新编译内核。
设备树文件分为两种：
- .dts：设备树源文件（可编辑的文本文件）。
- .dtb：设备树二进制文件（编译后的二进制文件，供内核解析）。

2. 设备树的基本结构

设备树是一个树状结构，最顶层是根节点 /。
每个节点可以包含子节点，每个节点有若干属性（键值对）。
节点中可以定义：
- compatible：用于与驱动程序匹配的标识符。
- reg：描述设备寄存器的地址和大小。
- status：设备状态，如 "okay" 或 "disabled"。

3. 设备树节点示例

复制代码

ptled {
    compatible = "pt-led";
    name = "led";
    status = "okay";
    reg = <0x020E0068 0x04
           0x020E02F4 0x04
           0x0209C004 0x04
           0x0209C000 0x04>;
};

#address-cells 和 #size-cells：用于描述 reg 属性中地址和长度的单元数（默认不写时继承父节点）。
compatible：内核驱动程序通过此属性匹配设备。

4. 设备树编译

编译所有设备树文件：

bash
复制代码
```
make dtbs
```
编译单个设备树文件（如 imx6ull.dts）：

bash
复制代码
```
make imx6ull.dtb
```

二、设备树与驱动匹配机制（Platform Driver）

1. 匹配依据

设备树节点中的 compatible 属性与驱动中的 compatible 字符串匹配。
若匹配成功，内核会调用驱动中的 probe 函数。
如果没有 compatible，也可以用 name 匹配（但通常不推荐）。

2. 示例：设备树与驱动的对应关系

设备树节点（如 `ptled_sub`）：

dts

复制代码

ptled_sub {
    compatible = "pt-led-sub";
    ptled-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};

驱动代码（如 `led_dts_platform.c`）：

复制代码

static struct of_device_id led_table[] = {
    {.compatible = "pt-led-sub"},
    {}
};

匹配成功 → 执行 probe 函数。

三、GPIO 子系统

1. 作用

Linux 内核为 GPIO 操作提供统一的接口，方便开发者管理引脚，无需直接操作寄存器。

2. 常用函数接口

函数	说明
`gpio_request()`	申请 GPIO 引脚
`gpio_direction_output()`	设置为输出模式
`gpio_direction_input()`	设置为输入模式
`gpio_set_value()`	设置输出电平
`gpio_get_value()`	读取输入电平
`gpio_free()`	释放 GPIO 引脚

3. 使用示例（在 `probe` 中）

复制代码

led_gpio = of_get_named_gpio(pdts, "ptled-gpio", 0);
gpio_request(led_gpio, "led");
gpio_direction_output(led_gpio, 1);  // 初始化为高电平
gpio_set_value(led_gpio, 0);         // 拉低，点亮 LED

四、驱动代码分析

1. `led_dts.c`（直接映射寄存器版本）

通过设备树读取寄存器地址，使用 ioremap 映射到虚拟地址。
直接操作寄存器控制 LED。

（1）详细代码分析

1> 头文件和宏定义

cpp 复制代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/printk.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/types.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/string.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>

#define DEV_NAME "led"
static volatile unsigned long * iomuxc_mux_ctl;
static volatile unsigned long * iomuxc_pad_ctl;
static volatile unsigned long * gpio1_gdir;
static volatile unsigned long * gpio1_dr;

#define MAGIC_NUM 'x' 
#define LED_ON 0
#define LED_OFF 1
#define CMD_LED_ON    _IO(MAGIC_NUM, LED_ON)
#define CMD_LED_OFF _IO(MAGIC_NUM, LED_OFF)

包含必要的内核头文件，定义设备名和宏
volatile unsigned long *：定义指针，用于映射硬件寄存器
_IO(MAGIC_NUM, LED_ON)：定义ioctl命令，MAGIC_NUM是魔数，用于区分不同设备

2> LED控制函数

cpp 复制代码

static void led1_init(void)
{
    // 复用功能 - 将引脚配置为GPIO功能
    *iomuxc_mux_ctl = 0x05;
    // 电气特性 - 配置引脚的电气参数
    *iomuxc_pad_ctl = 0x10B0;
    // 引脚方向 - 设置为输出模式
    *gpio1_gdir |= (1 << 3);
}
解释：初始化LED引脚

步骤1：配置引脚复用为GPIO（不再是其他功能）

步骤2：配置上下拉电阻、驱动能力等电气特性

步骤3：将GPIO1的第3位设为输出模式

static void led_on(void)
{
    *gpio1_dr &= ~(1 << 3);  // 第3位清零，LED亮
}

static void led_off(void)
{
    *gpio1_dr |= (1 << 3);   // 第3位置1，LED灭
}
解释：通过数据寄存器控制LED

&=：清零操作

|=：置位操作

3> 文件操作函数

cpp 复制代码

static int open(struct inode * inode, struct file * file)
{
    led1_init();  // 打开设备时初始化LED
    printk("led  open\n");
    return 0;
}

用户调用open()时执行
初始化LED硬件

cpp 复制代码

static ssize_t write(struct file * file, const char __user * buf, size_t size, loff_t * loff)
{
    char data[20] = {0};
    long len = sizeof(data) < size ? sizeof(data) : size;
    long ret = copy_from_user(data, buf, len);  // 从用户空间复制数据
    
    if(!strcmp(data, "led_on"))
        led_on();
    else if(!strcmp(data, "led_off"))
        led_off();
    else
        ret = -EINVAL;    

    printk("led  write\n");
    return ret;
}

用户写入字符串控制LED
copy_from_user()：将数据从用户空间复制到内核空间
判断字符串内容执行相应操作

cpp 复制代码

static long ioctl(struct file * file, unsigned int cmd, unsigned long args)
{
    long ret = 0;
    switch(cmd)
    {
        case CMD_LED_ON:
            led_on();
            break;
        case CMD_LED_OFF:
            led_off();
            break;
        default:
            ret = -EINVAL;  // 无效命令
            break;
    }
    return ret;
}

通过ioctl命令控制LED
更标准化的控制方式

4> 文件操作结构体和杂项设备

cpp 复制代码

static struct file_operations fops = 
{
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = open,
    .read = read,
    .write = write,
    .unlocked_ioctl = ioctl,
    .release = close
};

static struct miscdevice misc_dev =
{
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,  // 动态分配次设备号
    .name = DEV_NAME,             // 设备名
    .fops = &fops                 // 文件操作函数
};

定义设备操作接口
file_operations：告诉内核这个设备支持哪些操作
miscdevice：注册为杂项设备

5> 驱动初始化和设备树

cpp 复制代码

static int __init led_init(void)
{
    struct device_node * pdts;
    const char * pcom = NULL;
    const char * pname = NULL;
    int i = 0;
    unsigned int led_array[8] = {0};
    
    // 1. 注册杂项设备
    int ret = misc_register(&misc_dev);
    if(ret)
        goto err_misc_register;

    // 2. 查找设备树节点
    pdts = of_find_node_by_path("/ptled");    
    if(NULL == pdts)
    {
        ret = PTR_ERR(pdts);
        goto err_find_node;
    }

    // 3. 读取设备树属性
    ret = of_property_read_string(pdts, "compatible", &pcom);
    if(ret < 0)
        goto err_of_property_read;
    printk("led pcom = %s\n", pcom);
    
    // 4. 读取寄存器地址
    ret = of_property_read_u32_array(pdts, "reg", led_array, 8);
    if(ret < 0)
        goto err_of_property_read;
    
    // 5. 映射寄存器到虚拟地址
    iomuxc_mux_ctl = ioremap(led_array[0], led_array[1]);
    iomuxc_pad_ctl = ioremap(led_array[2], led_array[3]);
    gpio1_gdir = ioremap(led_array[4], led_array[5]);
    gpio1_dr = ioremap(led_array[6], led_array[7]);

    return 0;
}

关键步骤：

注册设备
从设备树查找节点
读取寄存器地址
使用ioremap映射物理地址到虚拟地址

6> 驱动卸载

cpp 复制代码

static void __exit led_exit(void)
{
    iounmap(iomuxc_mux_ctl);  // 取消映射
    iounmap(iomuxc_pad_ctl);
    iounmap(gpio1_gdir);
    iounmap(gpio1_dr);
    misc_deregister(&misc_dev);  // 注销设备
}

（2）关键步骤

读取设备树节点 /ptled。
获取 reg 属性中的地址和长度。
使用 ioremap 映射到内核虚拟地址。
在 open 中初始化引脚。
在 write/ioctl 中控制 LED。

2. `led_dts_platform.c`（使用 GPIO 子系统版本）

通过设备树获取 GPIO 编号。
使用 GPIO 子系统函数控制 LED。

（1）详细代码分析

1> 头文件和宏定义

cpp 复制代码

#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/gpio.h>  // GPIO子系统头文件

static int led_gpio;  // GPIO编号

static void led1_init(void)
{
	gpio_direction_output(led_gpio, LED_OFF);  // 配置为输出，初始为高电平
}

static void led_on(void)
{
	gpio_set_value(led_gpio, LED_ON);  // 设置低电平
}

static void led_off(void)
{
	gpio_set_value(led_gpio, LED_OFF);  // 设置高电平
}

对比：不再直接操作寄存器，而是调用GPIO子系统函数

3> 平台驱动结构

cpp 复制代码

static int probe(struct platform_device * pdev)
{
	struct device_node * pdts;
	
	// 1. 注册杂项设备
	int ret = misc_register(&misc_dev);
	if(ret)
		goto err_misc_register;
	
	// 2. 查找设备树节点
	pdts = of_find_node_by_path("/ptled_sub");
	if(NULL == pdts)
	{
		ret = PTR_ERR(pdts);
		goto err_of_find;
	}

	// 3. 获取GPIO编号
	led_gpio = of_get_named_gpio(pdts, "ptled-gpio", 0);	
	if(led_gpio < 0)
	{
		ret = led_gpio;
		goto err_of_find;
	}
	
	// 4. 申请GPIO
	ret = gpio_request(led_gpio, "led");
	if(ret < 0)
		goto err_gpio_request;

	// 5. 配置为输出
	gpio_direction_output(led_gpio, LED_OFF);

	return 0;
}

4> 平台驱动匹配表

cpp 复制代码

static struct of_device_id led_table[] = 
{
	{.compatible = "pt-led-sub"},  // 与设备树中的compatible匹配
	{}
};

static struct platform_driver pdrv = 
{
	.probe = probe,
	.remove = remove,
	.driver = 
	{
		.name = DEV_NAME,
		.of_match_table = led_table  // 匹配表
	}
};

static int __init led_driver_init(void)
{
	return platform_driver_register(&pdrv);  // 注册平台驱动
}

（2）驱动匹配流程

复制代码

设备树节点 -> compatible="pt-led-sub"
            ↓
驱动匹配表 -> .compatible="pt-led-sub"
            ↓
匹配成功 -> 执行probe函数
            ↓
probe中初始化硬件

（2）关键步骤：

定义 platform_driver，包含 probe 和 remove。
在 probe 中：
- 注册 miscdevice。
- 通过 of_get_named_gpio 获取 GPIO 编号。
- 使用 gpio_request 和 gpio_direction_output 初始化。
在 remove 中释放资源。

3. 两种版本的对比

特性	`led_dts.c`	`led_dts_platform.c`
硬件控制方式	直接映射寄存器	使用GPIO子系统
驱动架构	简单杂项设备	平台驱动框架
设备树匹配	手动解析节点	自动匹配compatible
可移植性	差（硬件相关）	好（使用标准接口）
代码复杂度	简单直接	较复杂但规范
适用场景	学习、简单设备	实际项目、复杂设备

五、文件操作接口（File Operations）

1. 常用操作

open：打开设备时调用（如初始化 LED）。
write：写入数据时调用（如接收字符串 "led_on"/"led_off"）。
ioctl：用于控制命令（如 CMD_LED_ON、CMD_LED_OFF）。
release：关闭设备时调用（如关闭 LED）。

2. 用户空间与内核空间数据交换

copy_from_user：从用户空间复制数据到内核空间。
copy_to_user：从内核空间复制数据到用户空间。

六、驱动注册与注销

1. 杂项设备（Misc Device）

使用 misc_register 注册一个杂项设备。
自动分配次设备号，主设备号为 10。
适用于简单的字符设备驱动。

2. 平台驱动（Platform Driver）

使用 platform_driver_register 注册平台驱动。
通过 compatible 与设备树匹配。
在 probe 中完成设备初始化。

七、小结

设备树：描述硬件，实现驱动与硬件分离。
GPIO 子系统：提供统一接口操作 GPIO。
驱动匹配 ：通过 compatible 匹配设备树节点与驱动。
文件操作：提供用户空间控制设备的接口。
驱动注册 ：通过 miscdevice 或 platform_driver 注册驱动。

学习笔记——设备树基础

一、设备树（Device Tree）基础

1. 设备树的作用

2. 设备树的基本结构

3. 设备树节点示例

4. 设备树编译

二、设备树与驱动匹配机制（Platform Driver）

1. 匹配依据

2. 示例：设备树与驱动的对应关系

设备树节点（如 ptled_sub）：

驱动代码（如 led_dts_platform.c）：

三、GPIO 子系统

1. 作用

2. 常用函数接口

3. 使用示例（在 probe 中）

四、驱动代码分析

1. led_dts.c（直接映射寄存器版本）

（1）详细代码分析

1> 头文件和宏定义

2> LED控制函数

3> 文件操作函数

4> 文件操作结构体和杂项设备

5> 驱动初始化和设备树

6> 驱动卸载

（2）关键步骤

2. led_dts_platform.c（使用 GPIO 子系统版本）

（1）详细代码分析

1> 头文件和宏定义

3> 平台驱动结构

4> 平台驱动匹配表

（2） 驱动匹配流程

（2）关键步骤：

3. 两种版本的对比

五、文件操作接口（File Operations）

1. 常用操作

2. 用户空间与内核空间数据交换

六、驱动注册与注销

1. 杂项设备（Misc Device）

2. 平台驱动（Platform Driver）

七、小结

设备树节点（如 `ptled_sub`）：

驱动代码（如 `led_dts_platform.c`）：

3. 使用示例（在 `probe` 中）

1. `led_dts.c`（直接映射寄存器版本）

2. `led_dts_platform.c`（使用 GPIO 子系统版本）

（2）驱动匹配流程