1. 什么是Device Tree
在讲解Linux Device Tree之前，我们需要先了解什么是Device Tree。Device Tree是一种描述硬件信息的数据结构，用于描述嵌入式系统中的硬件设备和资源。它将硬件描述信息与系统软件代码分离，使得软件开发人员更容易地调试和修改硬件设备的信息和资源分配。Device Tree最初由IBM在1994年提出，在ARM体系结构涌现后得到了广泛应用。
在嵌入式系统中，某些硬件资源如GPIO、I2C、SPI等等的资源分配都需要在内核启动时在Device Tree上进行说明。为了更好地理解，以下是一个简单的Device Tree示例：
/ {
compatible = "manufacture, beam and board name";
model = "the model of the system";
memory {
reg = <0x00000000 0x20000000>; /* RAM base = 0x00000000, size = 512MB */
};
ethernet {
phy-device = <ðernet PHY1>;
};
};
为了更好地理解上述代码片段，需要理解如下几个关键词：
compatible：Device Tree的顶层节点中必须包含相应的compatible属性，并且这个属性字符串必须定义清楚，以用于识别系统。可在内核代码中的设备的设备树绑定（DTS文件）中查询相应标识。
model：表示设备拥有的硬件型号。
memory：这个节点表示系统的内存。
ethernet：表示设备的以太网控制器
phy-device：这个属性表示网络线路的物理接口，这在论坛上能够看到较多的讨论。
2. Device Tree在Linux系统中的作用
Linux系统中，Device Tree层次结构的顶层节点包括了硬件设备的信息，每个节点都表示一个设备，并且可以包含子节点。通过这种方式，内核可以获取诸如内存大小、CPU、定时器、GPIO和其他外设的配置信息。调试设备时，开发人员可以通过修改设备节点的值来改变设备的行为，而不需要修改驱动程序的代码。
与Linux驱动程序一样，Device Tree也是可重用的，可以用于描述相同类型的硬件设备。此外，Linux中的许多驱动程序在运行时通过解析Device Tree获取设备的配置信息。这使得设备驱动程序的编写和调试工作变得简单，因为许多硬件和设备驱动程序工作都在内核中进行配置和管理。
2.1 Device Tree的优势
使用Device Tree是一种管理嵌入式设备和硬件、软件的有效方法，其优势包括：
更易于移植性： 基于Device Tree的系统更具移植性，可以在不同的硬件上更轻松地进行移植。
更高效的内核： 移除内核中无关紧要的硬件支持模块，可以使内核更小，更高效。
更好的内核源代码管理： 内核开发人员可以通过修改Device Tree来添加和删除硬件的支持，而不需要直接修改内核源代码。在维护和更新内核源代码时，这对开发人员来说是一个非常重要的优点。
3. Device Tree在具体应用中的实践
在一个具体的应用中，Device Tree的使用需要先进行DTS文件的编写，一般在分散的硬件设计团队中编写DTS的任务都是给专门的人进行完成。下面是一个DTS的示例：
/ {
model = "My Raspberry Pi";
compatible = "raspberrypi,2";
memory@0 {
reg = <0x00000000 0x20000000>;
};
i2c_arm {
clock-frequency = <100000>;
status = "okay";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&i2c1_pins>;
i2c1_pins: i2c1_pins {
brcm,pins = <2 3>;
brcm,function = <1>;
};
}
}
该示例包含一个memory节点，表示系统的内存大小，还包含一个i2c_arm节点，表示I2C总线的配置信息。在这里，i2c_arm节点包含了一些属性，如：clock-frequency、pinctrl-names和pinctrl-0。
在上述示例中，对于I2C总线的判断已经被理清，设定好了频率、端口和接口模式，因此我们在工控领域上的硬件调试也会更高效可靠。
4. Linux Device Tree在工控领域的应用
在工业自动化、仪器仪表、能源监测等领域，Linux内核中广泛应用了Device Tree技术。因为嵌入式设备的调试时间相对较长，而工业自动化中对设备调试时间的等待是无法接受的。
在工控领域，内核启动时外部设备的自动探测有时不能满足实际的需求，这些情况就需要用到手动设置Device Tree的方式。通过手动调整硬件节点和其子节点使得系统能够正确地配置上，使得系统能够正常工作，并有利于快速定位问题。
4.1 Device Tree在自动化领域等的优势
高度可定制性： Device Tree的强大之处在于它的高可定制性，可以根据需要调整硬件信息节点的值，这使得更多的硬件设备可以方便地整合到一个设备树文件中。
跨平台一致性： 在工业自动化等领域中，一个设备的控制和多个系统上的一致性是必要的。在多设备间，通过Device Tree定义设备的属性来调配节点如何构建和使用，可以实现各种平台的设备一致性，从而实现设备的快速应用和部署。
高效的API支持： Device Tree的信息可在应用程序中灵活地使用，这对于进一跃协议的实现和二次开发是十分重要的。
4.2 示例
在工控领域的应用中，灵活接口的实现、快速调试和修复BUG显得尤为关键。下面是一个使用Device Tree在工控领域中实现快速定位故障的例子：
state = <&gpio0 32>; /* force reset line */
hw_reset {
compatible = "syscon-reset";
#reset-cells = <1>;
reset-names = "a42";
resets = <&a42 1>; /* an active low reset */
};
上述代码中，包含了用于重置设备的检测功能，将GPIO 0.32号引脚用于检测。此外，还包含了一个硬件复位节点，用于发出硬件复位信号，并重置设备。
在短时间内，通过文件的手动修改使得设备重新启动，从而解决问题。
5. 结论
Linux Device Tree是一个重要的嵌入式系统引导程序，能够实现硬件设备信息的抽象和分离，并提供了标准的访问接口。通过使用Device Tree，可以使嵌入式设备的开发、调试、移植等工作更为便捷，提高了开发速度和工作效率。此外，在工业自动化等领域中，Linux的Device Tree应用和Device Tree文件的编写都是非常重要的。强大的Device Tree功能使工业自动化系统更加可靠、先进、高效。