设备树与 Overlay 指南
本章节将详细介绍 Linux 设备树（Device Tree）的基本概念、语法结构，并重点讲解在 Armbian 系统下如何使用 Device Tree Overlay (DTO) 机制来动态配置硬件，而无需重新编译内核。
1. 设备树的由来与作用
1.1 为什么需要设备树？
在 Linux 内核发展的早期，ARM 架构的硬件描述信息（如 GPIO 引脚号、内存地址、中断号等）都硬编码在 C 语言源文件中（如 arch/arm/mach-xxx/board-xxx.c）。随着 ARM 芯片和开发板的爆发式增长，内核中充斥着大量重复、杂乱的板级描述代码。
Linux 之父 Linus Torvalds 曾对此大发雷霆："This whole ARM thing is a f*cking pain in the ass"。
为了解决这个问题，Linux 内核引入了 设备树 (Device Tree) 机制。
- 核心思想：将硬件描述信息从内核源码中分离出来，用一种独立的文件格式（.dts）来描述。
- 驱动与设备分离：驱动程序只负责操作硬件（怎么做），而设备树负责告诉驱动硬件在哪里（是什么）。
- 例如 LED 驱动，代码中只写“操作 GPIO 点亮灯”，至于具体是 GPIOA_1 还是 GPIOB_5，则由设备树指定。
在开发板启动后，可以通过 /sys/firmware 目录查看当前内核使用的设备树信息：
ls /sys/firmware/devicetree/base
该目录下的结构与 .dts 文件一一对应，目录代表节点，文件代表属性。
2. 设备树语法详解
2.1 基本概念
- DTS (Device Tree Source): 文本格式的设备树源文件，供人类阅读和编辑。
- DTB (Device Tree Blob): 二进制格式的设备树文件，由 DTS 编译而来，供内核解析使用。
- DTC (Device Tree Compiler): 编译工具，将 DTS 编译为 DTB。
2.2 DTS 文件结构
一个基本的 DTS 文件包含版本声明、内存预留、根节点及其子节点。
/dts-v1/; // 版本声明
[memory reservations] // 内存预留区域
/ { // 根节点
[property definitions]
[child nodes]
};
2.3 节点 (Node)
节点是设备树的基本单元，格式如下：
[label:] node-name[@unit-address] {
[properties definitions]
[child nodes]
};
- label: 标号，方便在其他地方引用（如
&uart0）。 - node-name: 节点名称，通常体现设备类型。
- unit-address: 单元地址，通常是寄存器基地址。
示例：
uart0: uart@fe001000 {
compatible = "ns16550";
reg = <0xfe001000 0x100>;
};
2.4 属性 (Property)
属性用于描述设备的特性，格式为 name = value。常见的值类型包括：
- 字符串:
compatible = "simple-bus"; - 32位整数 (Cell): 使用尖括号
< >，如interrupts = <17 0xc>; - 二进制数据: 使用中括号
[ ]，如local-mac-address = [00 00 12 34 56 78]; - 混合类型:
compatible = "ns16550", "ns8250";
2.5 常用属性说明
| 属性名 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| compatible | 兼容性列表，内核根据它匹配驱动程序。建议格式 "厂家,型号"。 | compatible = "rockchip,rk3576"; |
| model | 准确描述硬件模块的名称。 | model = "DshanPi-A1"; |
| status | 设备状态。"okay" 表示启用，"disabled" 表示禁用。 | status = "disabled"; |
| reg | 寄存器地址范围。格式由父节点的 #address-cells 和 #size-cells 决定。 | reg = <0xfe001000 0x100>; |
| #address-cells | 子节点 reg 属性中地址字段占用的字长（32位为1）。 | #address-cells = <1>; |
| #size-cells | 子节点 reg 属性中长度字段占用的字长。 | #size-cells = <1>; |
3. 设备树 Overlay (DTO) 实战
3.1 传统方式 vs Overlay
- 传统方式：修改主设备树 (
.dts) -> 重新编译整个 DTB -> 替换系统 DTB -> 重启。- 缺点：繁琐，容易破坏原有配置，需要内核源码环境。
- Overlay 方式：编写片段设备树 (
.dts) -> 编译为插件 (.dtbo) -> 让 Bootloader 加载。- 优点：增量修改，无需编译内核，即插即用（重启生效），适合开发调试。
在 Armbian 系统中，Overlay 机制非常成熟，通过 armbian-add-overlay 工具可以轻松管理。
3.2 Overlay 语法结构
Overlay 文件也是 .dts 格式，但头部需要声明插件属性。
/dts-v1/;
/plugin/; // 声明为插件
/ {
fragment@0 {
target = <&node_label>; // 目标节点（通过 label 引用）
__overlay__ {
// 在目标节点中添加或修改的内容
status = "okay";
};
};
};
3.3 实战：添加 WS2812 设备节点
假设我们需要在 DshanPi-A1 上添加一个 WS2812 灯珠设备。
3.3.1 编写 Overlay 文件 (ws2812.dts)
我们通过 Overlay 向根节点添加 ws2812 节点，并向 pinctrl 节点添加引脚配置。
/dts-v1/;
/plugin/;
/ {
compatible = "rockchip,rk3576";
/* 片段 1: 添加设备节点 */
fragment@0 {
target-path = "/"; // 目标是根节点
__overlay__ {
ws2812: ws2812 {
compatible = "dshanpi-a1,ws2812";
status = "okay";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&ws2812_data_pin>;
data-gpios = <&gpio4 23 0>; /* GPIO4_C7, 0=ACTIVE_HIGH */
};
};
};
/* 片段 2: 添加引脚配置 */
fragment@1 {
target = <&pinctrl>; // 目标是 pinctrl 节点
__overlay__ {
ws2812 {
ws2812_data_pin: ws2812-data-pin {
/* port=4, pin=23(C7), func=GPIO, pull=none */
rockchip,pins = <4 23 0 &pcfg_pull_none>;
};
};
};
};
};
在 Overlay 中，如果在宏定义（如 GPIO_ACTIVE_HIGH）编译报错，请直接使用对应的数值（如 0）。
3.3.2 编译并加载
在 Armbian 系统下，直接使用 armbian-add-overlay 命令：
sudo armbian-add-overlay ws2812.dts
该命令会自动执行以下步骤：
- 调用
dtc将.dts编译为.dtbo。 - 将
.dtbo复制到/boot/overlay-user/目录。 - 自动更新
/boot/armbianEnv.txt文件，添加user_overlays配置。
3.3.3 验证与生效
重启开发板：
sudo reboot
重启后，检查新节点是否存在：
ls /sys/firmware/devicetree/base/ws2812
如果能看到该目录及其属性，说明 Overlay 加载成功！
3.4 常用 Overlay 操作技巧
- 删除节点:
/delete-node/ existing_node_name; - 删除属性:
/delete-property/ property_name; - 修改属性:
直接在
__overlay__中重新赋值即可覆盖原属性。
使用 Overlay 是嵌入式 Linux 开发中调试硬件配置的神器，熟练掌握它能极大地提高开发效率。