第四章：设备树实战——为一个虚拟 ARM 平台编写设备树

好，前面几章我们把设备树的理论基础讲了个七七八八。说实话，光看文档是学不会设备树的。你得动手写，踩几个坑，才能真正理解它。

这一章，我们就来真刀真枪地干一场。我会带你为一个虚拟的 ARM 平台编写完整的设备树。这个平台叫 vexpress-a9，是 QEMU 模拟器里常用的一个模型。你不需要有真实的开发板，只要装个 QEMU 就能跑。

本章目标：从零开始，手写一个能让 Linux 内核在 vexpress-a9 上启动的设备树文件。最终你会得到一个 .dts 文件，并能在 QEMU 中验证它。

4.1 平台概览：先搞清楚我们要描述什么

写设备树之前，你得先了解硬件。vexpress-a9 这个平台，说白了就是一个 Cortex-A9 双核处理器，挂了一些标准外设。我当年第一次接触它时，第一反应是：这玩意儿跟真实开发板比，简单太多了。

它的核心部件包括：

  • CPU：ARM Cortex-A9 双核，带 GIC（通用中断控制器）
  • 内存：默认 128MB 或 256MB，起始地址 0x60000000
  • 串口：PL011 UART，地址 0x10009000
  • 定时器：SP804 双定时器，地址 0x10011000
  • 中断控制器：GIC-400，地址 0x2C001000
  • 系统控制：系统寄存器，地址 0x10000000

嗯，这里要注意：内存地址是 0x60000000 开头，而不是常见的 0x80000000。我第一次写的时候想当然用了 0x80000000，结果内核死活起不来。后来查了 QEMU 的源码才发现问题。

下面这张图，是我画的一个简化版硬件拓扑。你看一眼，心里就有谱了。

vexpress-a9 设备树硬件拓扑 CPU 集群 Cortex-A9 核心 0 Cortex-A9 核心 1 L2 Cache (PL310) GIC-400 中断分发器 CPU 接口 内存 DDR RAM 0x60000000 外设总线 (APB/AHB) PL011 UART 0x10009000 SP804 定时器 0x10011000 系统控制 0x10000000 其他外设 IRQ

4.2 从骨架开始：根节点和 /dts-v1/

每个设备树文件，第一行必须是 /dts-v1/;。这告诉编译器：我用的是设备树 v1 语法。没有这行，编译会报错。

然后就是根节点 /。它代表整个板子。我个人习惯在根节点里放三样东西：

  • model：板子型号，比如 "ARM Versatile Express"
  • compatible：兼容性字符串，内核靠它匹配板子
  • #address-cells 和 #size-cells：地址和长度用几个 32 位整数表示

来看代码：

/dts-v1/;

/ {
    model = "ARM Versatile Express";
    compatible = "arm,vexpress-v2p-ca9", "arm,vexpress";
    
    #address-cells = <2>;
    #size-cells = <2>;
    
    // 后续节点都写在这里面
};

小提示：compatible 字符串的顺序很重要。内核会从左到右匹配，第一个匹配上的就用哪个。所以最具体的型号放最前面。

这里 #address-cells = <2> 意味着地址用两个 32 位整数表示，也就是 64 位地址。为什么？因为 vexpress-a9 的某些外设地址空间确实需要 64 位寻址。我在项目中遇到过有人图省事写成 1，结果高地址外设根本访问不到。

4.3 CPU 节点：告诉内核有几个核

接下来是 CPU 节点。这部分容易写错，我踩过坑。

CPU 节点要放在 cpus 子节点下，每个 CPU 核心一个子节点。对于双核 Cortex-A9，写法如下：

cpus {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    
    cpu@0 {
        device_type = "cpu";
        compatible = "arm,cortex-a9";
        reg = <0x0>;
        clocks = <&cpu_clk>;
    };
    
    cpu@1 {
        device_type = "cpu";
        compatible = "arm,cortex-a9";
        reg = <0x1>;
        clocks = <&cpu_clk>;
    };
};

注意几个细节：

  • device_type = "cpu" 是必须的，这是设备树规范要求的
  • reg 的值对应 CPU 的 MPIDR 寄存器中的亲和性值
  • clocks 引用了一个时钟节点，我们后面会定义

我曾经犯过一个错误：把 #address-cells 写成 2，结果 reg 的值怎么都对不上。内核启动时只认第一个 CPU，第二个直接忽略。查了两天才发现是地址宽度的问题。

4.4 内存节点：简单但容易翻车

内存节点看起来简单，就几行代码：

memory@60000000 {
    device_type = "memory";
    reg = <0x0 0x60000000 0x0 0x08000000>;
};

这里 reg 的四个值分别是：地址高32位、地址低32位、长度高32位、长度低32位。因为根节点里 #address-cells = <2>，所以地址要拆成两个 32 位整数。

0x60000000 是起始地址，0x08000000 是 128MB 大小。你想想看，如果 QEMU 启动时指定了 256MB 内存，这里就得改成 0x10000000。

注意：内存节点的 device_type = "memory" 不能少。少了这行，内核不会把它当作内存，而是当成普通外设。我见过有人把内存地址写错，结果内核 panic，提示 "No memory device"。其实就是 device_type 丢了。

4.5 中断控制器：GIC 的配置

GIC 是 ARM 平台的中枢神经。vexpress-a9 用的是 GIC-400，它有两个地址空间：一个是分发器（distributor），一个是 CPU 接口（CPU interface）。

gic: interrupt-controller@2c001000 {
    compatible = "arm,cortex-a9-gic";
    #interrupt-cells = <3>;
    interrupt-controller;
    reg = <0x0 0x2c001000 0x0 0x1000>,
          <0x0 0x2c002000 0x0 0x100>;
};

这里 #interrupt-cells = <3> 表示每个中断描述需要三个 32 位整数：中断类型（0=SPI，1=PPI）、中断号、触发方式（1=上升沿，4=高电平）。

嗯，这里要注意：GIC 的 reg 有两个区域。第一个是分发器，第二个是 CPU 接口。地址不能写反，否则中断完全收不到。我调试时遇到过中断不响应，用 QEMU 的 monitor 命令看 GIC 寄存器，发现地址根本不对。

4.6 串口节点：让内核能打印信息

串口是嵌入式开发者的好朋友。没有它，你连内核启动到哪了都不知道。vexpress-a9 用的是 PL011 UART：

uart0: serial@10009000 {
    compatible = "arm,pl011", "arm,primecell";
    reg = <0x0 0x10009000 0x0 0x1000>;
    interrupts = <0 44 4>;
    clocks = <&uart_clk &uart_clk>;
    clock-names = "uartclk", "apb_pclk";
};

interrupts 的三个值：0 表示 SPI 中断，44 是中断号，4 是高电平触发。这个中断号怎么来的？我是查了 vexpress 的硬件手册。你如果自己写设备树，也得去翻芯片手册。

clocks 有两个时钟：一个是串口自己的工作时钟，一个是 APB 总线时钟。名字不能写错，驱动里是按名字找时钟的。

4.7 定时器节点：系统的心跳

SP804 双定时器，在 vexpress-a9 上用作系统定时器：

timer0: timer@10011000 {
    compatible = "arm,sp804", "arm,primecell";
    reg = <0x0 0x10011000 0x0 0x1000>;
    interrupts = <0 46 4>;
    clocks = <&timer_clk>;
    clock-names = "apb_pclk";
};

这里中断号是 46。你可能会问：为什么不是 44 或 45？因为每个外设的中断号都是固定的，由硬件设计决定。写设备树时，这些数字必须跟硬件手册一一对应。

4.8 时钟节点：给外设提供心跳

前面我们引用了 cpu_clk、uart_clk、timer_clk，现在得把它们定义出来。在 vexpress-a9 上，时钟通常由系统控制模块提供：

clocks {
    cpu_clk: cpu-clk {
        compatible = "fixed-clock";
        #clock-cells = <0>;
        clock-frequency = <1000000000>;  // 1GHz
    };
    
    uart_clk: uart-clk {
        compatible = "fixed-clock";
        #clock-cells = <0>;
        clock-frequency = <24000000>;    // 24MHz
    };
    
    timer_clk: timer-clk {
        compatible = "fixed-clock";
        #clock-cells = <0>;
        clock-frequency = <1000000>;     // 1MHz
    };
};

这里用了 fixed-clock，意思是频率固定不变。实际硬件中，时钟可能来自 PLL，但为了简化，我们直接用固定频率。

经验之谈：时钟频率一定要写对。串口波特率就是靠这个频率算出来的。我见过有人把 24MHz 写成 24，结果串口输出全是乱码。调试时还以为是驱动问题，折腾了半天才发现是时钟频率少写了三个零。

4.9 完整设备树文件

好了，把上面所有节点拼起来，就是一个完整的设备树文件。我把它命名为 vexpress-a9.dts：

/dts-v1/;

/ {
    model = "ARM Versatile Express";
    compatible = "arm,vexpress-v2p-ca9", "arm,vexpress";
    
    #address-cells = <2>;
    #size-cells = <2>;
    
    cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        
        cpu@0 {
            device_type = "cpu";
            compatible = "arm,cortex-a9";
            reg = <0x0>;
            clocks = <&cpu_clk>;
        };
        
        cpu@1 {
            device_type = "cpu";
            compatible = "arm,cortex-a9";
            reg = <0x1>;
            clocks = <&cpu_clk>;
        };
    };
    
    memory@60000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x0 0x60000000 0x0 0x08000000>;
    };
    
    gic: interrupt-controller@2c001000 {
        compatible = "arm,cortex-a9-gic";
        #interrupt-cells = <3>;
        interrupt-controller;
        reg = <0x0 0x2c001000 0x0 0x1000>,
              <0x0 0x2c002000 0x0 0x100>;
    };
    
    uart0: serial@10009000 {
        compatible = "arm,pl011", "arm,primecell";
        reg = <0x0 0x10009000 0x0 0x1000>;
        interrupts = <0 44 4>;
        clocks = <&uart_clk &uart_clk>;
        clock-names = "uartclk", "apb_pclk";
    };
    
    timer0: timer@10011000 {
        compatible = "arm,sp804", "arm,primecell";
        reg = <0x0 0x10011000 0x0 0x1000>;
        interrupts = <0 46 4>;
        clocks = <&timer_clk>;
        clock-names = "apb_pclk";
    };
    
    clocks {
        cpu_clk: cpu-clk {
            compatible = "fixed-clock";
            #clock-cells = <0>;
            clock-frequency = <1000000000>;
        };
        
        uart_clk: uart-clk {
            compatible = "fixed-clock";
            #clock-cells = <0>;
            clock-frequency = <24000000>;
        };
        
        timer_clk: timer-clk {
            compatible = "fixed-clock";
            #clock-cells = <0>;
            clock-frequency = <1000000>;
        };
    };
};

4.10 编译与验证

写完了，怎么验证对不对？用设备树编译器 dtc：

dtc -I dts -O dtb -o vexpress-a9.dtb vexpress-a9.dts

如果没有报错，会生成 vexpress-a9.dtb。然后你可以用 QEMU 启动内核：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -kernel zImage -dtb vexpress-a9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"

如果一切正常，你会看到内核启动日志，最后出现一个 shell 提示符。那一刻，你会觉得之前所有的调试都值了。

验证要点：

  • 内核能识别双核 CPU（dmesg 中看到 "Brought up 2 CPUs"）
  • 串口能正常输出（console=ttyAMA0）
  • 定时器中断正常工作（系统时钟不卡死）

说实话，我第一次成功启动时，看到内核日志里出现 "CPU1: Booted secondary processor"，心里还是挺激动的。虽然只是个虚拟平台，但那种从零到一的感觉，跟真实硬件没什么两样。

好了，这一章的内容就到这里。设备树写起来不难，难的是每个细节都准确。你只要多写几次，自然就熟练了。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321

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