學(xué)Linux驅動(dòng)：應先了解總線(xiàn)驅動(dòng)模型

學(xué)Linux驅動(dòng)：應先了解總線(xiàn)驅動(dòng)模型

[導讀] Linux設備林林總總，嵌入式開(kāi)發(fā)一個(gè)繞不開(kāi)的話(huà)題就是設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)，在做具體設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)之前，有必要對Linux設驅動(dòng)模型有一個(gè)相對清晰的認識，將會(huì )幫助驅動(dòng)開(kāi)發(fā)，明白具體驅動(dòng)接口操作符相應都做些什么。

注：代碼分析基于linux-5.4.31

隨著(zhù)系統結構演化越來(lái)越復雜，Linux內核對設備描述衍生出一般性的抽象描述，形成一個(gè)分層體系結構，從而引入了設備驅動(dòng)模型。這樣描述還是不夠讓人理解，來(lái)看一下這些需求就好理解些：

· Linux內核可以在各種體系結構和硬件平臺上運行，因此需要最大限度地提高代碼在平臺之間的可重用性。

· 分層實(shí)現也實(shí)現了軟件工程的高內聚-低耦合的設計思想。低耦合體現在對外提供統一的抽象訪(fǎng)問(wèn)接口，高內聚將相關(guān)度緊密的集中抽象實(shí)現。

· Linux內核驅動(dòng)程序模型是先前在內核中使用的所有不同驅動(dòng)程序模型的統一。它旨在通過(guò)將一組數據和操作整合到全局可訪(fǎng)問(wèn)的數據結構中，來(lái)擴展基于基礎總線(xiàn)來(lái)橋接設備驅動(dòng)程序。

傳統的驅動(dòng)模型為它們所控制的設備實(shí)現了某種類(lèi)似于樹(shù)的結構(有時(shí)只是一個(gè)列表)。不同類(lèi)型的總線(xiàn)之間沒(méi)有任何一致性。

通用的設備和橋接接口反映了現代計算機的目標：即執行無(wú)縫設備“即插即用”，電源管理和熱插拔的能力。特別是，英特爾和微軟規定的模型（即ACPI）可確保與x86兼容的系統上幾乎任何總線(xiàn)上的幾乎所有設備都可以在此范式下工作。當然，雖然大多數總線(xiàn)都支持其中大多數操作，但并不是每條總線(xiàn)都能夠支持所有此類(lèi)操作。

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用戶(hù)空間訪(fǎng)問(wèn)：sysfs虛擬文件系統實(shí)現與設備模型對外的訪(fǎng)問(wèn)抽象，這也是為什么說(shuō)Linux 設備也是文件的由來(lái)。實(shí)際從軟件架構層面看，這其實(shí)是一個(gè)軟件橋接模塊，抽象出統一用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)接口，橋接了設備驅動(dòng)。

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熱插拔管理：熱插拔管理機制定義統一的抽象接口操作符kset_hotplug_ops，不同設備利用操作符實(shí)現差異化。

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設備類(lèi)型：設備分類(lèi)機制，從高層級抽象描述設備類(lèi)型，具體可以在sysfs下面體現。

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由于具有系統中所有設備的完整分層視圖，因此將完整的分層視圖導出到用戶(hù)空間變得相對容易。這是通過(guò)實(shí)現名為sysfs虛擬文件系統來(lái)完成的。

sysfs的自動(dòng)掛載通常是通過(guò)/etc/fstab文件中的以下條目來(lái)完成的：

none /sys sysfs defaults 0 0

對于Debian系統而言，可能在/lib/init/fstab采用下面的形式掛載：

none /sys sysfs nodev,noexec,nosuid 0 0

# mount -t sysfs sysfs /sys

全局層當前創(chuàng )建兩個(gè)文件-'name'和'power'。前者報告設備名稱(chēng)。后者報告設備的當前電源狀態(tài)。它還將用于設置當前電源狀態(tài)。

總線(xiàn)層為探測總線(xiàn)時(shí)發(fā)現的設備創(chuàng )建文件。例如，PCI層當前為每個(gè)PCI設備創(chuàng )建“ irq”和“resource”文件。

./include/linux/Device.h 定義設備驅動(dòng)主要數據結構

· bus_type：抽象描述總線(xiàn)類(lèi)型，如USB/PCI/I2C/MMC等

· device_driver：實(shí)現具體連接在總線(xiàn)上的設備驅動(dòng)。

· device：描述連接在總線(xiàn)上的設備

./include/linux/Kobject.h中定義了隱藏在后臺的類(lèi)似于基類(lèi)的數據結構：

· kset：可以認為是kobject的頂層容器類(lèi)。每個(gè)kset內部都包含了自己的kobject.

· kobject：在 sysfs 中出現的每個(gè)對象都對應一個(gè) kobject, 它和內核交互來(lái)創(chuàng )建它的可見(jiàn)表述,每一個(gè) kobject 對應 文件系統 /sys 里的一個(gè) 目錄，目錄的名字就是結構體中的 name

file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml11608\wps7.jpg

bus_type用以驅動(dòng)總線(xiàn)，具體的驅動(dòng)USB/I2C/PCI/MMC等：

· 注冊總線(xiàn)，利用bus_register注冊總線(xiàn)，bus_unregister刪除總線(xiàn)。如下例子，每種總線(xiàn)須定義一個(gè)bus_type對象，并利用bus_register注冊總線(xiàn)，或bus_unregister刪除總線(xiàn)。

/*i2c-core-base.c*/
struct bus_type i2c_bus_type = {
.name  = "i2c",
.match  = i2c_device_match,
.probe  = i2c_device_probe,
.remove  = i2c_device_remove,
.shutdown = i2c_device_shutdown,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_bus_type);
static int __init i2c_init(void)
{
int retval;

retval = of_alias_get_highest_id("i2c");

down_write(&__i2c_board_lock);
if (retval >= __i2c_first_dynamic_bus_num)
  __i2c_first_dynamic_bus_num = retval + 1;
up_write(&__i2c_board_lock);
    /*注冊I2C總線(xiàn)*/
retval = bus_register(&i2c_bus_type);
if (retval)
  return retval;

is_registered = true;

#ifdef CONFIG_I2C_COMPAT
i2c_adapter_compat_class = class_compat_register("i2c-adapter");
if (!i2c_adapter_compat_class) {
  retval = -ENOMEM;
  goto bus_err;
}
#endif
retval = i2c_add_driver(&dummy_driver);
if (retval)
  goto class_err;

if (IS_ENABLED(CONFIG_OF_DYNAMIC))
  WARN_ON(of_reconfig_notifier_register(&i2c_of_notifier));
if (IS_ENABLED(CONFIG_ACPI))
  WARN_ON(acpi_reconfig_notifier_register(&i2c_acpi_notifier));

return 0;

class_err:
#ifdef CONFIG_I2C_COMPAT
class_compat_unregister(i2c_adapter_compat_class);
bus_err:
#endif
is_registered = false;
    /*錯誤時(shí)刪除總線(xiàn)*/
bus_unregister(&i2c_bus_type);
return retval;
}

· 注冊適配器驅動(dòng)程序（USB控制器，I2C適配器等），以檢測連接的設備，并提供與設備的通信機制

· 圖中的match函數接口用于將驅動(dòng)程序與設備進(jìn)行匹配。match回調的目的是使總線(xiàn)有機會(huì )通過(guò)比較驅動(dòng)程序支持的設備ID與特定設備的設備ID來(lái)確定特定驅動(dòng)程序是否支持特定設備，而不會(huì )犧牲特定于總線(xiàn)的功能或類(lèi)型安全性 。當向總線(xiàn)注冊驅動(dòng)程序時(shí)，將遍歷總線(xiàn)的設備列表，并為每個(gè)沒(méi)有與之關(guān)聯(lián)的驅動(dòng)程序的設備調用match回調。

· 提供API函數以實(shí)現適配器驅動(dòng)以及設備驅動(dòng)。

· 同時(shí)dev_pm_ops *pm實(shí)現對于總線(xiàn)的功耗管理接口抽象。對于特定總線(xiàn)實(shí)現這個(gè)操作符對應的函數。

struct dev_pm_ops {
int (*prepare)(struct device *dev);
void (*complete)(struct device *dev);
int (*suspend)(struct device *dev);
int (*resume)(struct device *dev);
int (*freeze)(struct device *dev);
int (*thaw)(struct device *dev);
int (*poweroff)(struct device *dev);
int (*restore)(struct device *dev);
int (*suspend_late)(struct device *dev);
int (*resume_early)(struct device *dev);
int (*freeze_late)(struct device *dev);
int (*thaw_early)(struct device *dev);
int (*poweroff_late)(struct device *dev);
int (*restore_early)(struct device *dev);
int (*suspend_noirq)(struct device *dev);
int (*resume_noirq)(struct device *dev);
int (*freeze_noirq)(struct device *dev);
int (*thaw_noirq)(struct device *dev);
int (*poweroff_noirq)(struct device *dev);
int (*restore_noirq)(struct device *dev);
int (*runtime_suspend)(struct device *dev);
int (*runtime_resume)(struct device *dev);
int (*runtime_idle)(struct device *dev);
};

· iommu_ops 操作符提供總線(xiàn)相關(guān)的IOMMU抽象。

· 設備驅動(dòng)注冊到總線(xiàn)上時(shí)，將在sysfs管理總線(xiàn)/設備/設備驅動(dòng)的層次關(guān)系，以PCI為例：

/*在總線(xiàn)上注冊的驅動(dòng)程序會(huì )在總線(xiàn)的驅動(dòng)程序目錄中獲得一個(gè)目錄*/
/sys/bus/pci/
        |-- devices
        `-- drivers
            |-- Intel ICH
            |-- Intel ICH Joystick
            |-- agpgart
            `-- e100
/*在該類(lèi)型的總線(xiàn)上發(fā)現的每個(gè)設備都會(huì )在總線(xiàn)的設備目錄中獲得到物理層次結構中該設備目錄的符號鏈接*/
/sys/bus/pci/
          |-- devices
          |   |-- 00:00.0 -> ../../../root/pci0/00:00.0
          |   |-- 00:01.0 -> ../../../root/pci0/00:01.0
          |   `-- 00:02.0 -> ../../../root/pci0/00:02.0
          `-- drivers

· 總線(xiàn)屬性：bus_groups/設備屬性dev_groups/驅動(dòng)屬性drv_groups。

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int device_register(struct device * dev);

· 利用device_unregister()從總線(xiàn)上刪除設備

· 作用：抽象描述連接在總線(xiàn)上的具體設備的驅動(dòng)

· 驅動(dòng)注冊，通過(guò)下面的函數將設備驅動(dòng)程序注冊

int driver_register(struct device_driver *drv);

· 使用它使用以下命令從驅動(dòng)程序目錄中添加和刪除屬性

  int driver_create_file(struct device_driver *, const struct driver_attribute *);
  void driver_remove_file(struct device_driver *, const struct driver_attribute *);

· 作用：抽象設備的高層視圖，描述的是設備的集合。抽象了同類(lèi)型的設備的底層實(shí)現細節。比如所有的網(wǎng)絡(luò )接口都位于/sys/class/net下

· struct subsys_private *p描述類(lèi)鏈表

· kobject類(lèi)似于面向對象中的內核基類(lèi)，內核利用它將各個(gè)對象連接起來(lái)組成分層的機構體系，其parent指針將形成一個(gè)樹(shù)狀分層結構。

· kset內部包含了kobject。重心在描述對象的聚集于集合。這也是set一詞的含義。每一個(gè)kset添加到系統中，都將在sysfs中創(chuàng )建一個(gè)目錄

· kobject/kset一起實(shí)現了sysfs虛擬文件系統中設備/總線(xiàn)/設備驅動(dòng)樹(shù)狀分層結構的最關(guān)鍵的底層實(shí)現由來(lái)。

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