初学Linux之设备树的使用| RK3399上实操

一、为什么需要设备树？—— 从平台总线的痛点说起

在前文的平台总线驱动开发中，我们通过手动编写dev_platform.c注册平台设备，实现了「硬件资源描述」和「驱动逻辑」的初步分离，但这种方式仍存在两个核心痛点：

设备树（Device Tree） 就是为了解决这些问题诞生的：它是一种专门描述硬件的数据结构，将硬件资源描述完全独立于内核代码之外，通过单独的.dts文件编写，编译成二进制.dtb文件后，由 bootloader 传递给内核。内核启动时解析 dtb 文件，自动生成对应的平台设备、I2C 设备、SPI 设备等，无需我们再手动编写任何设备端代码。

二、设备树核心基础概念

先理清设备树生态中最核心的 6 个名词，对应文件的关系和作用如下表：

核心工作流程

三、设备树语法规范与节点编写

设备树是一个树形结构，由根节点、子节点、属性三部分组成，和电脑的文件夹结构完全一致：根节点是/，子节点是文件夹，属性是文件夹里的文件。

3.1 设备树的基本结构

一个最简的设备树文件结构如下：

dts

/dts-v1/; // 设备树版本，必须指定为v1，否则编译器视为过时的v0版本

/ { // 根节点，所有设备树文件有且只有一个根节点，DTSI的根节点编译时会和主DTS合并
// 根节点属性：描述开发板和芯片信息
model = "NanoPC-T4 RK3399 Development Board";
compatible = "rockchip,nanopi4", "rockchip,rk3399";

// 子节点1：自定义按键节点
my_key: key_test {
// 节点属性
compatible = "my,key_test";
status = "okay";
gpios = <&gpio0 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;
debounce-interval = <20>;
};

// 子节点2：其他硬件节点（如GPIO、I2C、SPI控制器等）
uart0: serial@ff180000 {
compatible = "rockchip,rk3399-uart";
reg = <0x0 0xff180000 0x0 0x100>;
status = "okay";
};
};

3.2 节点的编写规范

节点的通用编写格式如下：

dts

[label:] node-name[@unit-address] {
[properties definitions] // 属性定义
[child nodes] // 子节点
};

各部分说明：

• label:：标签，可选，用于在其他位置通过&label引用该节点，修改节点内容；
• node-name：节点名，必须以字母开头，只能包含数字、字母、下划线、破折号等字符，建议使用反映设备功能的通用名称（如key、led、gpio）；
• @unit-address：设备地址，可选，用于描述外设的寄存器起始地址，无地址的外设（如按键）可省略。

3.3 常用属性类型

属性是设备树描述硬件信息的核心，由「属性名 = 属性值」组成，内核中最常用的属性类型如下

3.4 驱动开发核心属性

在平台总线驱动开发中，有两个属性是核心中的核心：

四、平台总线的设备树匹配规则（核心）

在前文中我们讲过，平台总线的匹配逻辑在内核platform_match函数中实现，优先级从高到低共 4 种，设备树匹配的优先级高于手动 name 匹配，完整匹配顺序如下：

设备树匹配的完整工作流程

核心优势：硬件信息完全写在设备树中，更换硬件只需要修改 DTS 文件、重新编译 DTB，无需修改驱动代码、无需重新编译驱动模块，真正实现了「驱动代码与硬件描述完全解耦」。

五、实战：将按键驱动改造为设备树匹配方式

我们基于前文的平台总线按键驱动，完成设备树适配改造，改造后无需再编写和加载dev_platform.c设备端模块，所有硬件信息由设备树提供。

5.1 步骤 1：编写按键设备树节点

我们使用的是 NanoPC-T4 开发板（RK3399 芯片），按键使用 GPIO0_B5（对应 GPIO 编号 5），按下为低电平。

操作步骤

节点验证

开发板重启后，执行以下命令，验证设备树节点是否正常生成：

# 查看平台总线设备，能看到key_test节点，说明设备树解析成功
ls /sys/bus/platform/devices/ | grep key_test
# 查看设备树节点属性
cat /sys/firmware/devicetree/base/key_test/compatible

5.2 步骤 2：驱动代码核心改造点

对比前文的手动匹配驱动，设备树适配的驱动有 3 个核心修改点：

同时需要新增两个头文件：

#include <linux/of.h> // 设备树核心API头文件
#include <linux/of_gpio.h> // 设备树GPIO解析专用API头文件

5.3 步骤 3：设备树适配版完整驱动代码

#include <linux/module.h> // 模块编程核心头文件
#include <linux/init.h>// 模块初始化/卸载头文件
#include <linux/platform_device.h>// 平台总线驱动头文件
#include <linux/fs.h>// 文件操作头文件
#include <linux/miscdevice.h>// 杂项设备头文件
#include <linux/gpio.h>// GPIO操作库头文件
#include <linux/uaccess.h>// 内核/应用层数据交换头文件
#include <linux/interrupt.h> // 中断处理头文件
#include <linux/workqueue.h> // 工作队列（中断下半部）头文件
#include <linux/delay.h> // 内核延时头文件
#include <linux/atomic.h> // 原子操作头文件（并发安全）
#include <linux/of.h> // 【设备树新增】设备树核心API头文件
#include <linux/of_gpio.h> // 【设备树新增】设备树GPIO解析API头文件

#define KEY_NAME "key_test" // 设备名称，用于GPIO申请和中断注册

/* 全局变量优化：用原子变量替代普通int，解决中断下半部的并发安全问题 */
atomic_t flag = ATOMIC_INIT(0); // 按键状态标记：0=松开，1=按下（原子初始化）

/* 硬件相关全局变量（仅在驱动匹配成功后赋值，避免未初始化访问） */
int key_gpio = 0; // 按键GPIO号（从设备树节点解析获取）
int irq = 0; // 按键对应的中断号（通过GPIO号映射获取）
int debounce_interval = 20; // 消抖时间（从设备树节点解析获取）

/* 工作队列结构体：用于中断下半部处理消抖、电平判断等耗时操作 */
struct work_struct key_work;

/*
* 中断服务函数（中断上半部：快进快出，禁止耗时操作）
* 触发条件：按键按下/松开时，GPIO电平变化触发硬件中断
*/
irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void *arg)
{
/* 上半部只做最紧急的事：调度工作队列到下半部 */
schedule_work(&key_work);
return IRQ_HANDLED; // 告诉内核：中断已成功处理
}

/*
* 工作队列处理函数（中断下半部：可安全执行延时、打印等耗时操作）
* 触发条件：上半部调度后，内核在进程上下文中自动调用
*/
void key_work_func(struct work_struct *workp)
{
u32 curr_level;

/* 1. 临时关闭中断，防止按键抖动重复触发 */
disable_irq(irq);

/* 2. 读取当前GPIO电平，延时消抖，再次读取确认状态稳定 */
curr_level = gpio_get_value(key_gpio);
msleep(debounce_interval); // 使用从设备树获取的消抖时间

if (curr_level == gpio_get_value(key_gpio)) {
/* 3. 用原子操作读写flag，防止并发竞态 */
if (curr_level && atomic_read(&flag)) {
atomic_set(&flag, 0); // 原子设置：标记为松开
pr_info("【按键事件】按键松开!!!\\n");
} else if (curr_level == 0 && !atomic_read(&flag)) {
atomic_set(&flag, 1); // 原子设置：标记为按下
pr_info("【按键事件】按键按下!!!\\n");
}
}

/* 4. 重新打开中断，等待下一次按键触发 */
enable_irq(irq);
}

/*
* 平台驱动的probe函数（匹配成功后自动执行）
* 触发条件：平台总线设备树compatible匹配成功
* 核心改动：从设备树节点解析硬件资源，替代之前的platform_data
*/
int xxx_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct device_node *np = pdev->dev.of_node; // 获取设备树节点
int err;

pr_info("【平台驱动】设备树匹配成功，开始执行probe初始化\\n");

/* 【设备树校验】检查设备树节点是否存在 */
if (!np) {
pr_err("【平台驱动】错误：无对应的设备树节点\\n");
return -EINVAL;
}

/* 【设备树核心】从设备树节点解析GPIO号 */
key_gpio = of_get_named_gpio(np, "gpios", 0);
if (!gpio_is_valid(key_gpio)) { // 校验GPIO号是否合法
pr_err("【平台驱动】错误：从设备树获取GPIO失败\\n");
return -EINVAL;
}
pr_info("【平台驱动】从设备树获取到按键GPIO：%d\\n", key_gpio);

/* 【可选】从设备树解析消抖时间，无该属性则使用默认值20ms */
of_property_read_u32(np, "debounce-interval", &debounce_interval);
pr_info("【平台驱动】按键消抖时间：%dms\\n", debounce_interval);

/* 【硬件初始化1】申请GPIO使用权 */
err = gpio_request(key_gpio, KEY_NAME);
if (err) {
pr_err("【平台驱动】GPIO申请失败，错误码：%d\\n", err);
return err;
}

/* 【硬件初始化2】设置GPIO为输入模式 */
err = gpio_direction_input(key_gpio);
if (err) {
pr_err("【平台驱动】GPIO输入模式设置失败，错误码：%d\\n", err);
goto err_free_gpio;
}

/* 【硬件初始化3】将GPIO号映射为中断号 */
irq = gpio_to_irq(key_gpio);
if (irq < 0) {
err = irq;
pr_err("【平台驱动】GPIO转中断号失败，错误码：%d\\n", err);
goto err_free_gpio;
}
pr_info("【平台驱动】GPIO映射到中断号：%d\\n", irq);

/* 【硬件初始化4】注册中断服务函数（上升沿+下降沿双触发） */
err = request_irq(irq, key_irq_handler,
IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING,
KEY_NAME, NULL);
if (err) {
pr_err("【平台驱动】中断注册失败，错误码：%d\\n", err);
goto err_free_gpio;
}

pr_info("【平台驱动】probe初始化全部完成，设备已就绪\\n");
return 0; // 成功返回0

/* 错误处理：资源逆序释放 */
err_free_gpio:
gpio_free(key_gpio);
return err;
}

/*
* 平台驱动的remove函数（驱动注销时自动执行）
* 作用：释放probe中申请的所有硬件资源
*/
int xxx_remove(struct platform_device *pdev)
{
pr_info("【平台驱动】开始执行remove，释放硬件资源\\n");

/* 1. 释放中断服务函数 */
free_irq(irq, NULL);
/* 2. 释放GPIO使用权 */
gpio_free(key_gpio);

pr_info("【平台驱动】remove执行完成，资源已释放\\n");
return 0;
}

/*
* 【设备树核心】设备树匹配表
* 作用：定义驱动支持的设备树compatible标识，和设备树节点一致则匹配成功
*/
const struct of_device_id key_of_match_table[] = {
{ .compatible = "my,key_test", }, // 必须和设备树节点的compatible完全一致
{ /* 末尾必须加空元素，作为结束标记 */ },
};
// 声明设备树匹配表，让内核可以识别
MODULE_DEVICE_TABLE(of, key_of_match_table);

/*
* 平台驱动核心结构体
* 核心改动：添加of_match_table，绑定设备树匹配表
*/
struct platform_driver xxx_dri = {
.probe = xxx_probe, // 绑定匹配成功后的初始化回调
.remove = xxx_remove, // 绑定驱动注销后的资源释放回调
.driver = {
.name = "key_test", // 备用名称匹配，设备树匹配失败时使用
.of_match_table = key_of_match_table, // 【设备树核心】绑定匹配表
},
};

/*
* 模块安装入口函数（insmod dri_platform.ko时自动执行）
*/
static int __init xxx_init(void)
{
int err;

pr_info("【平台驱动】开始安装驱动模块\\n");

/* 1. 初始化工作队列 */
INIT_WORK(&key_work, key_work_func);

/* 2. 注册平台驱动 */
err = platform_driver_register(&xxx_dri);
if (err) {
pr_err("【平台驱动】驱动注册失败，错误码：%d\\n", err);
return err;
}

pr_info("【平台驱动】驱动模块安装成功\\n");
return 0;
}

/*
* 模块卸载入口函数（rmmod dri_platform.ko时自动执行）
*/
static void __exit xxx_exit(void)
{
pr_info("【平台驱动】开始卸载驱动模块\\n");

/* 1. 注销平台驱动 */
platform_driver_unregister(&xxx_dri);

/* 2. 等待工作队列中的任务完全执行完毕 */
flush_work(&key_work);

pr_info("【平台驱动】驱动模块卸载成功\\n");
}

/* 绑定模块的安装/卸载入口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

/* 模块声明（内核强制要求） */
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("嵌入式驱动开发");
MODULE_DESCRIPTION("设备树匹配版-平台总线按键驱动");
MODULE_VERSION("v2.0-设备树适配版");

六、编译、烧录与测试验证

6.1 驱动模块编译

使用和前文一致的 Makefile，编译驱动模块，生成dri_platform.ko文件，传到开发板。

6.2 测试步骤

6.3 核心对比

七、设备树开发常见避坑指南

八、总结与拓展

核心总结