Linux内核设备树编译机制深度解析

难度级别：🔴 高级
目标读者：项目维护者、想深入理解设备树编译机制的技术人员
阅读时间：15-20分钟
前置知识：熟悉Makefile、了解设备树基本概念、理解Shell脚本

概述

Linux内核使用两阶段编译流程来处理设备树源文件（.dts）：

预处理阶段：使用gcc -E处理#include指令和宏定义
编译阶段：使用dtc将预处理后的文件编译成二进制格式（.dtb）

这种设计的优势：

✅ 支持C预处理器语法（#include、#define、#ifdef等）
✅ 完整的依赖关系管理
✅ 支持复杂的条件编译
✅ 与内核构建系统无缝集成

核心文件结构

1. 主要Makefile文件

third_party/linux_mainline/
├── scripts/
│   ├── Makefile.dtbs          # 设备树编译主Makefile ⭐
│   ├── Makefile.lib           # 通用库Makefile
│   └── dtc/
│       ├── include-prefixes/  # 包含前缀符号链接 ⭐
│       └── dtc.c              # DTC工具源码
└── arch/arm/boot/dts/
    └── Makefile               # ARM架构设备树Makefile

2. 关键源码位置

文件：third_party/linux_mainline/scripts/Makefile.dtbs

这是设备树编译的核心控制文件，定义了完整的编译规则。

两阶段编译流程

编译命令分析

源码位置：scripts/Makefile.dtbs 第132-137行

makefile

quiet_cmd_dtc = DTC $(quiet_dtb_check_tag) $@
      cmd_dtc = \
        $(HOSTCC) -E $(dtc_cpp_flags) -x assembler-with-cpp -o $(dtc-tmp) $< ; \
        $(DTC) -o $@ -b 0 $(addprefix -i,$(dir $<) $(DTC_INCLUDE)) \
               $(DTC_FLAGS) -d $(depfile).dtc.tmp $(dtc-tmp) ; \
        cat $(depfile).pre.tmp $(depfile).dtc.tmp > $(depfile) \
        $(cmd_dtb_check)

阶段1：GCC预处理

bash

$(HOSTCC) -E $(dtc_cpp_flags) -x assembler-with-cpp -o $(dtc-tmp) $<

参数解析：

$(HOSTCC) - 主机系统的gcc编译器
-E - 只进行预处理，不编译
$(dtc_cpp_flags) - 预处理标志（后文详解）
-x assembler-with-cpp - 指定输入为汇编语言（启用预处理）
-o $(dtc-tmp) - 输出到临时文件（.dts.tmp）
$< - 第一个依赖文件（.dts文件）

预处理标志（第127行）：

makefile

dtc_cpp_flags = -Wp,-MMD,$(depfile).pre.tmp -nostdinc -I $(DTC_INCLUDE) -undef -D__DTS__

参数说明：

-Wp,-MMD,$(depfile).pre.tmp - 生成预处理依赖文件
-nostdinc - 禁用标准C头文件路径（关键！）
-I $(DTC_INCLUDE) - 只添加设备树特定的包含路径
-undef - 取消所有预定义宏
-D__DTS__ - 定义设备树编译宏

为什么使用 -x assembler-with-cpp？

这个选项告诉gcc将输入文件视为汇编语言，但启用C预处理器。这样：

✅ 支持C预处理语法（#include、#define）
✅ 不要求C语法（设备树不是C代码）
✅ 允许设备树特有的语法

阶段2：DTC编译

bash

$(DTC) -o $@ -b 0 $(addprefix -i,$(dir $<) $(DTC_INCLUDE)) \
       $(DTC_FLAGS) -d $(depfile).dtc.tmp $(dtc-tmp)

参数解析：

$(DTC) - 设备树编译器
-o $@ - 输出文件（.dtb）
-b 0 - 设备树版本为0（自动检测）
-i ... - 添加include搜索路径
$(DTC_FLAGS) - DTC编译标志
-d $(depfile).dtc.tmp - 生成DTC依赖文件
$(dtc-tmp) - 输入文件（预处理后的临时文件）

include路径展开：

bash

$(addprefix -i,$(dir $<) $(DTC_INCLUDE))

假设 $< 是 arch/arm/boot/dts/board.dts，展开为：

bash

-i arch/arm/boot/dts/ -i scripts/dtc/include-prefixes

阶段3：依赖合并

bash

cat $(depfile).pre.tmp $(depfile).dtc.tmp > $(depfile)

将预处理依赖和DTC依赖合并成完整的依赖文件，用于增量编译。

include-prefixes机制

DTC_INCLUDE定义

源码位置：scripts/Makefile.dtbs 第125行

makefile

DTC_INCLUDE := $(srctree)/scripts/dtc/include-prefixes

目录结构

scripts/dtc/include-prefixes/
├── arc -> ../../../arch/arc/boot/dts
├── arm -> ../../../arch/arm/boot/dts
├── arm64 -> ../../../arch/arm64/boot/dts
├── dt-bindings -> ../../../include/dt-bindings
├── microblaze -> ../../../arch/microblaze/boot/dts
├── mips -> ../../../arch/mips/boot/dts
├── nios2 -> ../../../arch/nios2/boot/dts
├── openrisc -> ../../../arch/openrisc/boot/dts
├── powerpc -> ../../../arch/powerpc/boot/dts
├── riscv -> ../../../arch/riscv/boot/dts
├── sh -> ../../../arch/sh/boot/dts
└── xtensa -> ../../../arch/xtensa/boot/dts

工作原理

使用符号链接将架构特定的DTS目录映射到统一的include-prefixes目录：

优势：

✅ 架构无关的include路径（<dt-bindings/...>）
✅ 自动适配当前编译的架构
✅ 简化跨平台设备树的编写

示例：

在设备树中可以这样写：

#include <dt-bindings/interrupt-controller/irq.h>
#include "imx6ull.dtsi"  // 自动查找当前架构的目录

编译时，dt-bindings会被解析为include/dt-bindings，imx6ull.dtsi会在arch/arm/boot/dts/中查找。

依赖关系管理

双重依赖文件

内核生成两个阶段的依赖文件：

1. 预处理依赖（.pre.tmp）

由gcc -E的-MMD选项生成，记录：

.dts文件包含的所有头文件
#include指令引用的文件

2. DTC依赖（.dtc.tmp）

由dtc的-d选项生成，记录：

DTC工具内部的依赖
引用的其他设备树文件

3. 合并依赖

bash

cat $(depfile).pre.tmp $(depfile).dtc.tmp > $(depfile)

将两个依赖文件合并，形成完整的依赖关系。

增量编译

依赖文件使得内核构建系统能够：

✅ 只重新编译修改过的文件
✅ 追踪头文件变化
✅ 支持并行编译

完整编译示例

示例设备树文件

文件：arch/arm/boot/dts/board.dts

// SPDX-License-Identifier: (GPL-2.0 OR MIT)
/dts-v1/;
#include "imx6ull.dtsi"
#include "board-common.dtsi"
#include <dt-bindings/interrupt-controller/irq.h>

/ {
    model = "Test Board";
    compatible = "test,test-board";

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;
    };
};

实际编译过程

1. 预处理阶段

bash

gcc -E \
    -Wp,-MMD,board.dts.pre.tmp \
    -nostdinc \
    -I scripts/dtc/include-prefixes \
    -undef -D__DTS__ \
    -x assembler-with-cpp \
    -o board.dts.tmp \
    arch/arm/boot/dts/board.dts

生成的board.dts.tmp（预处理后的内容）：

// ... imx6ull.dtsi的内容展开 ...
// ... board-common.dtsi的内容展开 ...
// ... irq.h的内容展开 ...

/dts-v1/;

/ {
    model = "Test Board";
    compatible = "test,test-board";

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;
    };
};

2. DTC编译阶段

bash

dtc -o board.dtb \
    -b 0 \
    -i arch/arm/boot/dts/ \
    -i scripts/dtc/include-prefixes \
    -Wno-unique_unit_address \
    -d board.dtc.tmp \
    board.dts.tmp

生成文件：

board.dtb - 二进制设备树文件
board.dtc.tmp - DTC依赖文件
board.dts.tmp - 预处理后的临时文件

3. 依赖合并

bash

cat board.dts.pre.tmp board.dtc.tmp > .board.dtb.d

关键参数详解

dtc_cpp_flags完整解析

makefile

dtc_cpp_flags = -Wp,-MMD,$(depfile).pre.tmp -nostdinc -I $(DTC_INCLUDE) -undef -D__DTS__

参数	作用	原因
`-Wp,-MMD,file`	生成依赖文件	追踪头文件变化
`-nostdinc`	禁用标准头文件	避免包含系统头文件
`-I $(DTC_INCLUDE)`	添加DT特定路径	只包含设备树相关文件
`-undef`	取消预定义宏	避免编译器内置宏干扰
`-D__DTS__`	定义DTS宏	允许条件编译

DTC_FLAGS常见设置

makefile

DTC_FLAGS += -Wno-unique_unit_address \
             -Wno-unit_address_vs_reg \
             -Wno-avoid_unnecessary_addr_size \
             -Wno-alias_paths \
             -Wno-interrupt_map \
             -Wno-simple_bus_reg

这些标志禁用了一些设备树编译器的警告，因为：

设备树可能包含多个相似的节点
某些验证规则在不同架构下不适用

符号输出选项（-@）

makefile

DTC_FLAGS += $(if $(filter $(patsubst $(obj)/%,%,$@), $(base-dtb-y)), -@)

如果设备树是基础DTB（支持overlay），则添加-@选项：

-@ - 生成符号信息，允许设备树overlay动态添加节点

编译产物链

完整的编译链路：

源文件:
  board.dts
    ↓ [gcc -E 预处理]
临时文件:
  board.dts.tmp (预处理后的DTS)
    ↓ [dtc 编译]
  board.dtb (二进制设备树)
    ↓ [包装成汇编]
  board.dtb.S
    ↓ [汇编器]
  board.dtb.o (目标文件)

为什么要包装成目标文件？

✅ 将设备树链接到内核镜像
✅ 支持模块化设备树
✅ 统一的构建流程

总结

Linux内核的设备树编译机制体现了几个重要设计原则：

分离关注点：预处理和编译分离
依赖管理：完整的依赖追踪
跨平台支持：通过符号链接实现架构无关
构建系统集成：与Make构建系统无缝集成

关键要点

⭐ 使用gcc -E进行预处理，支持完整的C预处理器语法
⭐ 使用-nostdinc隔离设备树编译环境
⭐ 通过符号链接实现架构无关的include路径
⭐ 双重依赖文件确保增量编译正确性

扩展阅读

设备树规范（Devicetree Specification）
Linux内核设备树文档
DTC工具源码：third_party/linux_mainline/scripts/dtc/

Linux内核设备树编译机制深度解析 ​

目录 ​

概述 ​

核心文件结构 ​

1. 主要Makefile文件 ​

2. 关键源码位置 ​

两阶段编译流程 ​

编译命令分析 ​

阶段1：GCC预处理 ​

阶段2：DTC编译 ​

阶段3：依赖合并 ​

include-prefixes机制 ​

DTC_INCLUDE定义 ​

目录结构 ​

工作原理 ​

依赖关系管理 ​

双重依赖文件 ​

1. 预处理依赖（.pre.tmp） ​

2. DTC依赖（.dtc.tmp） ​

3. 合并依赖 ​

增量编译 ​

完整编译示例 ​

示例设备树文件 ​

实际编译过程 ​

1. 预处理阶段 ​

2. DTC编译阶段 ​

3. 依赖合并 ​

关键参数详解 ​

dtc_cpp_flags完整解析 ​

DTC_FLAGS常见设置 ​

符号输出选项（-@） ​

编译产物链 ​

为什么要包装成目标文件？ ​

总结 ​

关键要点 ​

扩展阅读 ​

Linux内核设备树编译机制深度解析

目录

概述

核心文件结构

1. 主要Makefile文件

2. 关键源码位置

两阶段编译流程

编译命令分析

阶段1：GCC预处理

阶段2：DTC编译

阶段3：依赖合并

include-prefixes机制

DTC_INCLUDE定义

目录结构

工作原理

依赖关系管理

双重依赖文件

1. 预处理依赖（.pre.tmp）

2. DTC依赖（.dtc.tmp）

3. 合并依赖

增量编译

完整编译示例

示例设备树文件

实际编译过程

1. 预处理阶段

2. DTC编译阶段

3. 依赖合并

关键参数详解

dtc_cpp_flags完整解析

DTC_FLAGS常见设置

符号输出选项（-@）

编译产物链

为什么要包装成目标文件？

总结

关键要点

扩展阅读