BBB的cape和设备树(device tree)的使用

只要你想用BBB做哪怕一丁点涉及到硬件的东西，你就不可避免地要用到cape和device tree的知识。所以尽管它们看起来很陌生而且有点复杂，但还是得学。其实用起来不难的。下面我只讲使用时必须会的内容，不深究其工作原理。文中基本没有废话，请仔细阅读每个字，勿遗漏细节。

我们已经知道beagleboard官网上有一些官方的硬件外设，比如lcd显示屏之类的，他们管这些外设叫做cape。其实应该说只要是修改了芯片引脚功能，或占用了空闲的引脚的东西，都可以叫做cape。比如之前我们提到的开启某些引脚的I2C功能，其实也是给设备添加了一个虚拟的（virtual）cape。当我们想要使用一个cape的时候，需要做两件事：配置BBB引脚的功能，启动相应的驱动程序。而device tree基本就是用来干这两件事的。


下面我们就来依次认识device tree文件，修改dts文件，编译dts文件，加载device tree，验证是否加载成功。

一、认识device tree文件

那么device tree具体是长什么样的呢？首先要知道它们有三种格式：一个方便人类阅读的源文件*.dts（device tree source），另两个是经过编译送给系统使用的文件*.dtb（device tree blob）和*.dtbo（device tree blob overlay）。
在BBB的/lib/firmware/目录下，你可以看到很多*.dts文件。我们随便打开一个（BB-UART1-00A0.dts）看看它们长什么样：

• /*
• * Copyright (C) 2013 CircuitCo
• *
• * Virtual cape for UART1 on connector pins P9.24 P9.26
• *
• * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
• * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
• * published by the Free Software Foundation.
• */
• /dts-v1/;
• /plugin/;
• / {
•     compatible = "ti,beaglebone", "ti,beaglebone-black";
•         /* identification */
•         part-number = "BB-UART1";
•         version = "00A0";
•         /* state the resources this cape uses */
•         exclusive-use =
•                 /* the pin header uses */
•                 "P9.24",        /* uart1_txd */
•                 "P9.26",        /* uart1_rxd */
•                 /* the hardware ip uses */
•                 "uart1";
•         fragment@0 {
•                 target = <&am33xx_pinmux>;
•                 __overlay__ {
•                         bb_uart1_pins: pinmux_bb_uart1_pins {
•                                 pinctrl-single,pins = <
•                                         0x184 0x20 /* P9.24 uart1_txd.uart1_txd MODE0 OUTPUT (TX) */
•                                         0x180 0x20 /* P9.26 uart1_rxd.uart1_rxd MODE0 INPUT (RX) */
•                                 >;
•                         };
•                 };
•         };
•         fragment@1 {
•                 target = <&uart2>; /* really uart1 */
•                 __overlay__ {
•                         status = "okay";
•                         pinctrl-names = "default";
•                         pinctrl-0 = <&bb_uart1_pins>;
•                 };
•         };
• };
  

可以看到，dts文件是一个树形结构，是由若干节点和属性组成的。compatible = "ti,beaglebone", "ti,beaglebone-black"; 这行代码上面相邻行的斜杠"/"代表根节点，下面的fragment@0和fragment@1是其两个子节点。其中根节点下面的属性声明了本dts文件适用的平台，它的名字、版本号，使用了哪些引脚和硬件资源等。fragment@0节点中配置了两个BBB引脚的功能，把它们设置成了uart1的tx和rx功能。fragment@1节点中使能了uart1这个硬件设备（启用了相应的驱动）。


不要被dts文件复杂的外表吓到！dts文件确实有一定的编写规则，但是这不是我们要操心的。因为BBB已经提供了足够多现成的dts文件，我们要做的就是：1、看懂它们，2、学会复制和粘贴。


二、修改dts文件


我们的最终目的是写出符合自己需求的dts文件，那么单单复制粘还是不够的，我们有时候需要修改里面那些属性的值。那么这些属性都是什么含义呢？其实它们都是有据可循的：https://www.kernel.org/doc/Documentation/devicetree/bindings/ 。提示一点，文档有点乱，请多用Ctrl+F。

前面说到dts里主要有两部分内容：修改BBB引脚功能和启动驱动程序。上面的网址里只告诉了驱动程序的属性，那么引脚功能该如何配置呢？
以前面给出的代码为例，这几行代码是用来配置引脚功能的：

• pinctrl-single,pins = <
• 0x184 0x20 /* P9.24 uart1_txd.uart1_txd MODE0 OUTPUT (TX) */
• 0x180 0x20 /* P9.26 uart1_rxd.uart1_rxd MODE0 INPUT (RX) */
• >;
  

其中第一列的0x184和0x180分别是P9.24和P9.26的地址，第二列的0X20代表要配置成什么功能。它们都是怎么确定的呢？这里就要用到我在这篇帖子里给出的pdf文档《BBB引脚功能速查表》了。我们首先找到P9.24所在的行（在第2页的中间），然后在第三列中可以看到它的偏移地址（OFFSET）是184。至于功能配置，我们按照pdf第2页下面的GPIO Settings提示来写。我们需要把这个引脚配置成“快速模式”、“使能输入”、“使能下拉”、“功能0(uart1_txd)”。每一位按照相应的功能来写，即00100000，即0x20。


如何查看BBB当前的引脚功能呢？

• cat /sys/kernel/debug/pinctrl/44e10800.pinmux/pins
  

因为这个目录很常用，我把它存成了环境变量$PINS。以后我使用 cat $PINS 就可以了。
一般这句后面还会加上grep命令来显示特定的引脚功能，同样在《BBB引脚功能速查表》中第三列找到P9.24的地址是0x984，所以可以这样查找：

• root@beaglebone:~# cat $PINS | grep 984
• pin 97 (44e10984) 00000037 pinctrl-single
  

可以看到，这个引脚的当前功能是0x37，即00110111，从最后三位看出是功能7，查表知是GPIO功能。


另外一个要注意的是每个dts里根节点下都有这两个属性：

• part-number = "BB-UART1";
• version = "00A0";
  

第一个是名字，第二个是版本号。你自己写的dts文件要新起一个名字，版本号则必须按照00A0，00A1……这样的顺序依次排下去。你的dts文件名必须是“名字+版本号.dts”的格式，如这里的BB-UART1-00A0.dts。


三、编译dts文件

写好dts文件以后，要把它转化成系统可识别的格式。上面说到有dtb和dtbo两种格式，我们这里要转化成的是dtbo格式。因为BBB的Angstrom系统在上电启动的时候就加载了一个dtb文件，给每个引脚配置了默认的功能，加载了需要加载的驱动程序。因为这个dtb文件已经加载，我们在系统运行着的情况下是不能修改它的。我们能做的，是在系统这个dtb的基础上，“叠加（Overlay）”一些新的功能，因此要用dtbo（dtb overlay）格式。

实际上，dts和dtbo文件可以随时编译和反编译，即dts可以生成dtbo，dtbo也可以复原成dts（但是复原的dts里没有注释等无用的东西了）。编译和反编译使用的命令都是相同的：dtc（device tree compile）。
dts编译成dtbo：

• dtc -I dts -O dtb -@ BB-UART1-00A0.dts > BB-UART1-00A0.dtbo
  

dtbo反编译成dts：

• dtc -I dtb -O dts BB-UART1-00A0.dtbo > BB-UART1-00A0.dts
  

（注：有的网站上编译用的是这样的命令：dtc -O dtb -o BB-UART1-00A0.dtbo -b 0 -@ BB-UART1-00A0.dts，其实都一样啦。我觉得上面给出的写法更好记一点。）

四、加载dtbo文件


加载之前，一定记住要把编译好的dtbo文件放到/lib/firmare/目录中，否则程序是找不到你的dtbo文件的。

Beaglebone Black中用一个叫做cape manager的软件管理所有的cape，不论它是实实在在的扩展板，还是虚拟的cape。这个软件的目录是
/sys/devices/bone_capemgr.8/（这里的数字也有可能是9，与启动顺序有关，你可以直接用*代替它）。这个目录内有一个叫做slots的文件，这就是capemgr这个软件的对外接口。我们要加载某个cape的话，只需要向这个文件中写入dts文件里定义的名字（part-number属性）即可：

• echo BB-UART1 > /sys/devices/bone_capemgr.8/slots
  

slot这个单词是“插槽”的意思，看，很形象吧！我要插上一个cape，就向这个“插槽”里“插入”(echo)相应的设备。echo这个命令的含义是“向标准设备输出”嘛。因为这个目录很常用，所以我把它存成环境变量$SLOTS，这样以后只需写 echo BB-UART1 > $SLOTS 即可了。

（注：如果那个dtbo有多个版本，比如有00A0，00A1，00A2这3个版本，如果你只写 echo BB-UART1 > $SLOTS 的话，它会自动加载最新的版本。而且，必须保证从00A0开始每个版本都存在才可以成功加载，就是说，如果/lib/firmware/目录中只有00A2这一个版本的话，加载会失败。但是，你可以通过 echo BB-UART1:00A2 > $SLOTS 像这样添加版本号来加载某个特定版本。）

五、查看和卸载已加载的cape

使用命令：

• cat $SLOTS
  

可以查看当前已经加载的所有cape。比如在我的BBB上执行命令后得到输出：

• root@beaglebone:~# cat $SLOTS
• 0: 54:P---L Beaglebone LCD4 Cape,00A1,BeagleboardToys,BB-BONE-LCD4-01
• 1: 55:PF---
• 2: 56:PF---
• 3: 57:PF---
• 4: ff:P-O-L Bone-LT-eMMC-2G,00A0,Texas Instrument,BB-BONE-EMMC-2G
• 7: ff:P-O-L Override Board Name,00A0,Override Manuf,BB-ADC
• 8: ff:P-O-L Override Board Name,00A0,Override Manuf,BB-UART1
  

前面说了slots是“插槽”的意思，可以看到我这里已经“插入”了4个cape，包括1个实体的LCD cape和3个虚拟cape。

BBB可以插入4个实体cape，它们只能插在0、1、2、3这四个slot里，这也是1、2、3号slot是空白的原因。后面的slot里都是虚拟cape，只要引脚不冲突，可以不限数量地添加。一旦你的dtbo文件使用的引脚与已加载的cape有冲突，就会提示：

• -sh: echo: write error: File exists
  

另外注意上面显示的几个已加载cape里的这部分内容“ff:P-O-L”，这里最后的“L”代表这个cape已经被load，即已经启用。也许你将来会遇到虽然显示在$SLOTS里，但是没有这个“L”的cape，那样的话它基本等于不存在。

至于卸载cape，假设我要卸载我的第8个cape，按照官方的说法，应当这样操作：

• echo -8 > $SLOTS
  

但因为系统bug的原因，这样操作会导致系统重启……所以目前只能通过重启系统来卸载cape。等出系统更新也许就解决这个bug 了。