デバイスツリー

概要

デバイスツリー（Device Tree）は、組み込みLinuxシステムでボードのハードウェア構成をOSに記述・伝えるためのデータ構造とファイル形式です。どのペリフェラルがどのアドレスにあるか、クロック周波数・割り込み番号・GPIO番号・I2Cアドレスなどをテキスト形式（DTS: Device Tree Source）で記述し、コンパイルしたバイナリ（DTB: Device Tree Blob）をブートローダーからカーネルに渡します。

デバイスツリーが登場する以前、組み込みLinuxではボード固有の情報がカーネルのC言語ソースコード（board file）にハードコードされていました。ARM Linuxのboard fileが爆発的に増え「ARM mess問題」と呼ばれた状況を解決するため、2011年にLinus Torvaldsの要請のもとデバイスツリーへの移行が本格化しました。現在ではARMベースの組み込みLinuxで標準的に使われており、Zephyrもデバイスツリーを採用しています。

歴史・背景

デバイスツリーの起源はIBMとAppleが共同開発した「Open Firmware」（IEEE 1275）です。PowerPCマシン向けに1990年代から使われており、ハードウェア構成をOFW（Open Firmware）ツリーとして記述する仕組みが原型です。

Linuxカーネルでは2005年頃からPowerPC向けにデバイスツリー記述（.dts）が採用されていました。2011年にARMアーキテクチャでもデバイスツリーへの移行が決まり、2012〜2013年頃のカーネルではほぼ全ての主要ARMボードがデバイスツリーに対応しました。

2016年以降、Zephyr RTOSもデバイスツリーをLinuxから輸入して採用し、RTOSの世界にも広まりました。デバイスツリー仕様（Device Tree Specification）はlinuxfoundation.orgのワーキンググループが策定・管理しています。

技術仕様

ファイルの種類

拡張子	説明
.dts	Device Tree Source：ルートボード定義ファイル
.dtsi	Device Tree Source Include：共通部分を定義して複数から`#include`する
.dtb	Device Tree Blob：.dtsをコンパイルしたバイナリ
.dtbo	Device Tree Blob Overlay：ベースDTBに追加する差分DTB
.overlay	Zephyrで使うDTSオーバーレイファイル

DTS構文

/dts-v1/;                    /* DTSバージョン宣言 */

/* インクルード（SoC定義ファイル） */
#include "bcm2711.dtsi"
#include "bcm2711-rpi.dtsi"
#include <dt-bindings/gpio/gpio.h>

/* ルートノード */
/ {
    /* ボード名と互換性（文字列リスト） */
    model = "Raspberry Pi 4 Model B";
    compatible = "raspberrypi,4-model-b", "brcm,bcm2711";

    /* メモリ定義（4GB版） */
    memory@0 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x0 0x0 0x0 0x80000000>,   /* 2GB */
              <0x1 0x80000000 0x0 0x80000000>; /* 追加2GB（アドレス拡張） */
    };

    /* I2Cに接続したBME280センサーの定義 */
    &i2c1 {
        status = "okay";
        clock-frequency = <400000>;  /* 400kHz（ファストモード） */

        bme280: bme280@76 {
            compatible = "bosch,bme280";
            reg = <0x76>;            /* I2Cアドレス */
        };
    };

    /* GPIOキー定義 */
    gpio-keys {
        compatible = "gpio-keys";

        button0: button0 {
            label = "USER_BUTTON";
            gpios = <&gpio 17 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* GPIO17, Lowアクティブ */
            linux,code = <11>;                  /* KEY_0 */
        };
    };

    /* PWM制御のLED */
    pwm-leds {
        compatible = "pwm-leds";

        led0 {
            label = "green:act";
            pwms = <&pwm0 0 500000 0>;  /* PWM ch0, 500us周期 */
            max-brightness = <255>;
        };
    };
};

プロパティの型

node@address {
    /* 文字列 */
    compatible = "vendor,my-chip";   /* ドライバマッチングに使う */
    label = "my-uart";

    /* 整数（32bit） */
    reg = <0x40000000 0x1000>;       /* アドレス・サイズ（16進数） */
    clock-frequency = <115200>;      /* 10進数でも可 */

    /* バイト列 */
    mac-address = [01 02 03 04 05 06];

    /* ブール（存在=true） */
    interrupt-controller;

    /* phandle参照（別ノードへの参照） */
    clocks = <&rcc STM32_CLOCK_BUS_APB1 0x00200000>;

    /* ステータス */
    status = "okay";     /* 有効 */
    /* status = "disabled"; 無効 */
};

interrupt指定

uart0: uart@40011000 {
    compatible = "arm,pl011";
    reg = <0x40011000 0x1000>;
    
    /* インタラプトコントローラへの参照 */
    interrupt-parent = <&gic>;
    /* GIC SPI割り込み番号37、レベルトリガ（高） */
    interrupts = <GIC_SPI 37 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    
    clocks = <&rcc CLK_UART0>;
    status = "okay";
};

動作原理

DTSからDTBへのコンパイル

.dtsファイルはDTCコンパイラ（Device Tree Compiler）で.dtb（バイナリ）に変換されます：

# DTSをDTBにコンパイル
dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts

# DTBをDTSに逆コンパイル（解析用）
dtc -I dtb -O dts -o myboard.dts myboard.dtb

# Linuxカーネルビルド時に自動でDTBが生成される
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- dtbs
# → arch/arm64/boot/dts/broadcom/bcm2711-rpi-4-b.dtb 等が生成

ブートローダーからカーネルへの受け渡し

U-Bootは起動時にDTBのアドレスをカーネルに渡します（ARM64の場合、レジスタx0=DTBアドレス）：

# U-Boot シェルでの手動起動例
fatload mmc 0:1 0x80000000 Image           # カーネル
fatload mmc 0:1 0x83000000 bcm2711-rpi-4-b.dtb  # DTB
booti 0x80000000 - 0x83000000              # カーネル起動（"-"はinitramfs省略）

カーネルでのDTB解析

Linuxカーネルは起動時にDTBを解析してデバイスを認識します。compatibleプロパティを使ってドライバとデバイスをマッチングします：

/* ドライバのマッチングテーブル（カーネル内のI2Cドライバ例） */
static const struct of_device_id bme280_of_match[] = {
    { .compatible = "bosch,bme280", },
    { .compatible = "bosch,bmp280", },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, bme280_of_match);

/* プローブ関数（デバイスが認識されたときに呼ばれる） */
static int bme280_probe(struct i2c_client *client,
                        const struct i2c_device_id *id) {
    /* DTから設定値を取得 */
    int irq = of_irq_get(client->dev.of_node, 0);
    /* ... */
}

DTBオーバーレイ（Raspberry Piのoverlayシステム）

Raspberry Piではベースのシステム設定（bcm2711-rpi-4-b.dtb）に対して、追加の.dtboオーバーレイを適用することで設定を拡張できます：

# /boot/config.txt（Raspberry Pi のブートローダー設定）
dtparam=i2c_arm=on       # I2C有効化
dtoverlay=i2c-rtc,ds3231 # RTCモジュール追加
dtoverlay=dwc2           # USB OTGモード

用途・ユースケース

組み込みLinuxのSBC・カスタムボード

Raspberry Pi・BeagleBone・ODROID・産業用SBCなど、ARMベースのボードでは必ずDTBが使われます。カスタム設計のボードではボード固有の.dtsを作成してLinuxをポーティングします。

Zephyrでのハードウェア定義

ZephyrはデバイスツリーをLinuxから採用し、MCUのペリフェラル構成を定義します。アプリケーションは.overlayファイルでベースボード定義をカスタマイズします。

Yocto / BuildrootでのBSP管理

YoctoやBuildrootのBSPレイヤーにはボードのDTSファイルが含まれており、製品カスタマイズのDTSオーバーレイを追加できます。

実装・開発のポイント

よくある間違いと確認方法

# 起動中にDTBが読まれているか確認
ls /sys/firmware/devicetree/base/

# 特定ノードのプロパティ確認
cat /sys/firmware/devicetree/base/i2c@7e804000/status
# → okay

# ドライバがデバイスを認識しているか確認
ls /sys/bus/i2c/devices/
# → 1-0076（I2Cバス1のアドレス0x76）

# DTBの内容を全展開
dtc -I fs /sys/firmware/devicetree/base/ 2>/dev/null | less

カスタムDTSの作成

/* my-product.dts */
/dts-v1/;

/* ベースボードのDTSをインクルード */
#include "stm32mp157c-dk2.dts"

/* カスタム追加 */
&i2c4 {
    my-sensor@48 {
        compatible = "myvendor,my-sensor";
        reg = <0x48>;
        vdd-supply = <&v3v3>;
    };
};

/* 使用しないデバイスを無効化 */
&sdmmc2 {
    status = "disabled";
};

Zephyrでのオーバーレイ活用

/* app.overlay（Zephyrアプリ用カスタマイズ） */
&i2c0 {
    bme280@76 {
        compatible = "bosch,bme280";
        reg = <0x76>;
    };
};

&uart0 {
    current-speed = <9600>;  /* デフォルトの115200から変更 */
};

他技術との比較