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。
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。
设备树用树状结构描述设备信息，它有以下几种特性
每个设备树文件都有一个根节点，每个设备都是一个节点。
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。
每个设备的属性都用一组key-value对(键值对)来描述。
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 = <&hps_0_L2>; 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 = <&hps_0_L2>; 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 = <&clk_0 &clk_0>; 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 = <&hps_0_arm_gic_0>; 0118 interrupts = <0 41 4>; 0119 clocks = <&clk_0>; 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 = <&clk_0>; 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 = <&clk_0>; 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 = <&clk_0>; 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 = <&hps_0_arm_gic_0>; 0156 interrupts = <0 43 1>; 0157 clocks = <&clk_0>; 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 = <&hps_0_arm_gic_0>; 0172 interrupts = <0 44 4>; 0173 clocks = <&clk_0>; 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 = <&hps_0_arm_gic_0>; 0182 interrupts = <0 42 4>; 0183 clocks = <&clk_0>; 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 = <&hps_0_arm_gic_0>; 0192 interrupts = <0 40 4>; 0193 clocks = <&clk_0>; 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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