嵌入式 Linux 进阶：设备树、驱动和应用层的关系

一、为什么需要设备树

在嵌入式 Linux 中，内核需要知道硬件板子上有什么设备、这些设备接在哪些总线上、使用哪些 GPIO、中断、时钟和寄存器地址。

这些硬件描述不适合全部写死在驱动代码里，所以 Linux 使用设备树描述硬件。

设备树的作用：

• 描述硬件资源。
• 把板级差异从驱动中分离出来。
• 让同一个驱动适配不同板子。
• 让内核启动时创建设备。

二、设备树文件

常见文件：

.dts   板级设备树
.dtsi  公共设备树片段
.dtb   编译后的二进制设备树

关系：

dts/dtsi -> dtc -> dtb

内核启动时，Bootloader 会把 dtb 传给内核。

三、设备树节点示例

示例：

leds {
    compatible = "gpio-leds";

    status_led {
        label = "status";
        gpios = <&gpio1 5 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        default-state = "off";
    };
};

说明：

• compatible：用于匹配驱动。
• label：设备名称。
• gpios：使用哪个 GPIO。
• default-state：默认状态。

驱动根据 compatible 找到对应设备，然后读取节点里的资源。

四、compatible

compatible 是设备和驱动匹配的关键。

设备树：

my_device {
    compatible = "demo,my-device";
};

驱动：

static const struct of_device_id my_of_match[] = {
    { .compatible = "demo,my-device" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_of_match);

如果字符串不一致，驱动就匹配不上设备。

五、status

常见写法：

status = "okay";
status = "disabled";

含义：

• okay：启用设备。
• disabled：禁用设备。

外设调不通时，先检查设备树节点是否真的启用。

六、设备节点和 sysfs

驱动加载后，用户层可能看到：

/dev/xxx
/sys/class/xxx
/sys/bus/...

不同驱动暴露的接口不同：

• 字符设备通常在 /dev 下。
• LED 可能在 /sys/class/leds。
• GPIO 可能通过 gpiod 访问。
• I2C 设备可能在 /sys/bus/i2c/devices。

查看设备：

ls /sys/bus/platform/devices
ls /sys/class/leds
ls /dev

七、字符设备驱动的基本概念

字符设备按字节流方式访问，用户层通过文件接口操作：

open
read
write
ioctl
close

驱动中对应：

static const struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
    .unlocked_ioctl = my_ioctl,
    .release = my_release,
};

应用层不需要知道底层寄存器，只需要操作 /dev/mydev。

八、应用层、驱动、硬件的关系

可以这样理解：

应用层 -> /dev 或 /sys -> 驱动 -> 内核子系统 -> 硬件寄存器/总线

例如控制 LED：

echo 1 > /sys/class/leds/status/brightness

背后流程：

Shell 写 sysfs -> LED 子系统 -> GPIO 驱动 -> GPIO 控制器寄存器 -> 引脚电平变化

九、驱动调试常用命令

查看内核日志：

dmesg
dmesg -w

查看模块：

lsmod

加载模块：

insmod my_driver.ko

卸载模块：

rmmod my_driver

查看设备树：

ls /proc/device-tree

查看中断：

cat /proc/interrupts

查看 GPIO：

gpioinfo

十、常见问题

10.1 驱动没有 probe

可能原因：

• compatible 不匹配。
• 设备树节点没有启用。
• 驱动没有编进内核或模块没加载。
• 总线父节点未启用。

10.2 GPIO 控制无效

检查：

• pinctrl 是否配置。
• GPIO 编号是否正确。
• 是否被其它驱动占用。
• 电平极性是否反了。
• 硬件是否需要额外使能。

10.3 I2C 设备找不到

检查：

• I2C 控制器是否启用。
• 地址是否正确。
• 设备是否上电。
• SDA/SCL 是否有上拉。
• 是否有地址冲突。

十一、学习路线

建议路线：

1. 看懂设备树基本语法。
2. 修改 LED 或按键节点。
3. 使用现成 GPIO/I2C/SPI 驱动。
4. 写简单平台驱动。
5. 写字符设备驱动。
6. 理解 pinctrl、clock、reset、interrupt。
7. 阅读内核子系统驱动。

十二、总结

设备树描述硬件，驱动管理硬件，应用层通过 /dev、/sys 或标准 API 使用硬件。

嵌入式 Linux 进阶的关键是把这三层串起来：

设备树资源是否正确 -> 驱动是否匹配并 probe -> 用户层接口是否出现 -> 应用是否按正确协议访问

按这个顺序排查，比直接翻驱动源码更高效。