Linux設(shè)備與驅(qū)動(dòng)之間的聯(lián)系描述

一、導(dǎo)讀

在linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型中，總線(xiàn)是一個(gè)抽象的概念，是一類(lèi)特殊的設(shè)備。在設(shè)備模型的實(shí)現(xiàn)中，內(nèi)核規(guī)定了系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備都需要連接到一個(gè)總線(xiàn)上，這個(gè)總線(xiàn)可以是一個(gè)內(nèi)部的Bus、虛擬的Bus或者Platform 總線(xiàn)。在內(nèi)核中通過(guò)struct but_type結(jié)構(gòu)來(lái)描述總線(xiàn)，定義在include/linux/device.h中。

本文首先描述與總線(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)描述struct bus_type結(jié)構(gòu)體內(nèi)部各個(gè)元素的含義以及內(nèi)部之間的聯(lián)系。接著會(huì)描述linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型初始化過(guò)程中關(guān)于總線(xiàn)的初始化流程，這部分由buses_init()完成，最后會(huì)描述對(duì)總線(xiàn)的幾個(gè)操作接口函數(shù)。

本文所有源碼分析基于linux內(nèi)核版本：4.1.15。

一、導(dǎo)讀

二、與總線(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（2-1）struct bus_type

（2-2）struct subsys_private

三、總線(xiàn)的初始化

四、總線(xiàn)的操作接口

（4-1）總線(xiàn)的注冊(cè)

（4-2）總線(xiàn)的注銷(xiāo)

（4-3）device和device_driver的添加

（4-4）driver的probe

二、與總線(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（2-1）struct bus_type

總線(xiàn)是處理器和更多設(shè)備之間的通道，對(duì)于linux的設(shè)備模型，所有的設(shè)備都通過(guò)總線(xiàn)連接在一起?？偩€(xiàn)之間可以互相連接，例如：USB控制器通常是一個(gè)PCI設(shè)備，設(shè)備模型表示總線(xiàn)和它們控制的設(shè)備之間的實(shí)際連接?？偩€(xiàn)由struct bus_type結(jié)構(gòu)表示，該結(jié)構(gòu)包含了總線(xiàn)名稱(chēng)、默認(rèn)屬性、總線(xiàn)的方法、PM操作和驅(qū)動(dòng)核心的私有數(shù)據(jù)。sturct bus_type定義如下：

structbus_type{
constchar*name;
constchar*dev_name;
structdevice*dev_root;
structdevice_attribute*dev_attrs;/*usedev_groupsinstead*/
conststructattribute_group**bus_groups;
conststructattribute_group**dev_groups;
conststructattribute_group**drv_groups;

int(*match)(structdevice*dev,structdevice_driver*drv);
int(*uevent)(structdevice*dev,structkobj_uevent_env*env);
int(*probe)(structdevice*dev);
int(*remove)(structdevice*dev);
void(*shutdown)(structdevice*dev);

int(*online)(structdevice*dev);
int(*offline)(structdevice*dev);

int(*suspend)(structdevice*dev,pm_message_tstate);
int(*resume)(structdevice*dev);

conststructdev_pm_ops*pm;

conststructiommu_ops*iommu_ops;

structsubsys_private*p;
structlock_class_keylock_key;
};

name ：總線(xiàn)的名稱(chēng)。

dev_name : 用于子系統(tǒng)枚舉設(shè)備等，例如("foo%u", dev->id)。

dev_root : 表示要用于父設(shè)備的默認(rèn)設(shè)備。

dev_attrs: 設(shè)備屬性組。

bus_groups: bus屬性組。

dev_groups: dev屬性組。

drv_groups: drv屬性組。

match: 是一個(gè)需要由具體bus驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的回調(diào)函數(shù)，當(dāng)屬于該bus的所有device和驅(qū)動(dòng)添加到內(nèi)核時(shí)，內(nèi)核都會(huì)調(diào)用該接口函數(shù)。

uevent:也是一個(gè)由具體的bus驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的回到函數(shù)，當(dāng)屬于該bus的設(shè)備，觸發(fā)添加、移除或者其他動(dòng)作時(shí)，bus模塊核心就會(huì)調(diào)用該接口，這樣可以讓bus的驅(qū)動(dòng)能夠修改環(huán)境變量。

probe、 remove:這兩個(gè)也是回調(diào)函數(shù)，當(dāng)有新的設(shè)備或者驅(qū)動(dòng)添加到這個(gè)bus時(shí)，內(nèi)核則會(huì)首先調(diào)用這個(gè)bus的probe，然后再調(diào)用具體驅(qū)動(dòng)程序的probe去初始化匹配設(shè)備；當(dāng)有設(shè)備從這個(gè)bus上移除的時(shí)候則會(huì)調(diào)用remove，所以這個(gè)兩個(gè)回調(diào)函數(shù)非常重要。

shutdown:在需要shutdown的時(shí)候調(diào)用該回調(diào)函數(shù)，以讓設(shè)備停止工作。該函數(shù)與電源管理相關(guān)。

online:當(dāng)設(shè)備再脫機(jī)后重新聯(lián)機(jī)時(shí)調(diào)用該函數(shù)。該函數(shù)與電源管理相關(guān)。

offline:當(dāng)讓設(shè)備脫機(jī)以便進(jìn)行熱插拔時(shí)調(diào)用該函數(shù)。

suspend:當(dāng)總線(xiàn)上的設(shè)備想要進(jìn)入睡眠模式時(shí)調(diào)用。

resume:讓這個(gè)bus上的一個(gè)設(shè)備退出睡眠模式時(shí)調(diào)用該函數(shù)。

pm：是與之對(duì)應(yīng)的bus的電源管理操作，會(huì)去回調(diào)執(zhí)行特定驅(qū)動(dòng)程序的pm的ops。

iommu_ops:該總線(xiàn)的IOMMU特定操作，用于將IOMMU驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)附加到總線(xiàn)上，并允許驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行總線(xiàn)上特殊的設(shè)定操作。

p: 一個(gè)struct subsys_private類(lèi)型的指針，是驅(qū)動(dòng)核心的私有數(shù)據(jù)，只有驅(qū)動(dòng)核心可以使用，

lock_key: 該參數(shù)供鎖驗(yàn)證器使用。

（2-2）struct subsys_private

在bus_type和class結(jié)構(gòu)中都有一個(gè)指向struct subsys_private的指針，用于保存bus_type和class結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)程序核心部分的私有數(shù)據(jù)。從命名上似乎不容易理解struct subsys_private，由于bus_type和clsss結(jié)構(gòu)中都有一個(gè)struct subsys_private指針，所以可以將subsys_private理解成bus_type和class的上層，包含了bus和class。

struct subsys_private結(jié)構(gòu)定義如下(/drivers/base/base.h)：

structsubsys_private{
structksetsubsys;
structkset*devices_kset;
structlist_headinterfaces;
structmutexmutex;

structkset*drivers_kset;
structklistklist_devices;
structklistklist_drivers;
structblocking_notifier_headbus_notifier;
unsignedintdrivers_autoprobe:1;
structbus_type*bus;

structksetglue_dirs;
structclass*class;
};

subsys：用于描述本subsystem的kset，用于代表其自身。

devices_kset: 表示subsystem的device目錄。

interfaces: interfaces是一個(gè)list_head類(lèi)型數(shù)據(jù)，用于保存與之相關(guān)的interface。在內(nèi)核中interface用于抽象bus下所有關(guān)聯(lián)設(shè)備的一些特殊的功能。

mutex: mutex類(lèi)型鎖，用于保護(hù)設(shè)備和interface鏈表。

drivers_kset: 表示subsystem中驅(qū)動(dòng)相關(guān)鏈表。

klist_devices: 設(shè)備鏈表，用于保存本bus下所有的device的指針，以方便查找。

klist_drivers: 驅(qū)動(dòng)鏈表，用于保存本bus下所有的device_driver的指針，以方便查找。

bus_notifier: bus_notifier是一個(gè)總線(xiàn)通知列表，用于監(jiān)測(cè)bus上發(fā)生的任何事情。

drivers_autoprobe:用于控制該bus下的drivers或者device是否具有自動(dòng)probe屬性。

bus:是一個(gè)指向與之關(guān)聯(lián)的struct bus_type類(lèi)型的指針。用于保存上層的bus。

glue_dirs:表示glue目錄，用于放在父設(shè)備之間，以避免名稱(chēng)空間出現(xiàn)沖突。

class:是一個(gè)指向與之關(guān)聯(lián)的struct class類(lèi)型的指針。用于保存上層的class。

三、總線(xiàn)的初始化

總線(xiàn)屬于linux驅(qū)動(dòng)模型的一部分，所以在內(nèi)核啟動(dòng)過(guò)程中，在driver_init()函數(shù)中會(huì)調(diào)用buses_init()，完成總線(xiàn)相關(guān)的初始化操作：

在buses_init()的操作邏輯中，完成了以下幾件事情：

（1）動(dòng)態(tài)創(chuàng)建bus內(nèi)核kset，并指定其事件操作函數(shù)，然后添加到sysfs中。

（2）動(dòng)態(tài)創(chuàng)建system內(nèi)核kset，并指定其父級(jí)kset為devices_kset->kobj，然后添加到sysfs中。

四、總線(xiàn)的操作接口

本小節(jié)描述linux內(nèi)核中對(duì)總線(xiàn)的操作API接口：

//添加設(shè)備到總線(xiàn)
externintbus_add_device(structdevice*dev);
//為新的設(shè)備探測(cè)驅(qū)動(dòng)
externvoidbus_probe_device(structdevice*dev);
//從總線(xiàn)中將設(shè)備移除
externvoidbus_remove_device(structdevice*dev);

//添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)到總線(xiàn)
externintbus_add_driver(structdevice_driver*drv);
//從總線(xiàn)將移除驅(qū)動(dòng)
externvoidbus_remove_driver(structdevice_driver*drv);

//將驅(qū)動(dòng)程序從該驅(qū)動(dòng)控制的所有設(shè)備中分離
externvoiddriver_detach(structdevice_driver*drv);
//嘗試將設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序綁定在一起
externintdriver_probe_device(structdevice_driver*drv,structdevice*dev);

//注冊(cè)一個(gè)驅(qū)動(dòng)核心總線(xiàn)子系統(tǒng)
externint__must_checkbus_register(structbus_type*bus);

//注銷(xiāo)驅(qū)動(dòng)核心總線(xiàn)子系統(tǒng)
externvoidbus_unregister(structbus_type*bus);

/*注冊(cè)總線(xiàn)通知器。總線(xiàn)通知器，用于獲取當(dāng)設(shè)備添加/移除或者驅(qū)動(dòng)程序與
設(shè)備綁定/解綁定時(shí)的通知。*/
externintbus_register_notifier(structbus_type*bus,
structnotifier_block*nb);

//注銷(xiāo)總線(xiàn)通知器
externintbus_unregister_notifier(structbus_type*bus,
structnotifier_block*nb);

（4-1）總線(xiàn)的注冊(cè)

調(diào)用bus_register執(zhí)行具體總線(xiàn)的注冊(cè)操作，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)在/drivers/base/bus.c中，具體執(zhí)行邏輯如下：

（1）調(diào)用kzalloc()為struct subsys_private創(chuàng)建內(nèi)存，設(shè)置priv->bus的值為想要注冊(cè)的總線(xiàn)類(lèi)型，然后將bus->p賦值為priv。

（2）初始化總線(xiàn)通知器。

（3）為priv->subsys.kobj重新設(shè)置名稱(chēng)，即總線(xiàn)的名稱(chēng)。

（4）初始化priv->subsys.kobj的kset和ktype字段。

（5）調(diào)用kset_register將private->subsys.kobj注冊(cè)到內(nèi)核中。

（6）調(diào)用bus_create_file向sysfs文件系統(tǒng)中的bus目錄下添加一個(gè)uevnet attribute：

（7）調(diào)用kset_create_and_add()向內(nèi)核分別添加devices和drivers kset，這樣便可以在sysfs中查看了：

（8）初始化priv指針中的mutex、klist_devices和klist_drivers等變量。

（9）調(diào)用add_probe_files函數(shù)，在bus下添加bus_attr_drivers_probe和bus_attr_drivers_autoprobe兩個(gè)attribute：

（10）調(diào)用bus_add_groups添加bus_groups屬性組。

（4-2）總線(xiàn)的注銷(xiāo)

調(diào)用bus_unregister執(zhí)行具體總線(xiàn)的注銷(xiāo)操作，該函數(shù)同樣實(shí)現(xiàn)在/drivers/base/bus.c中：

voidbus_unregister(structbus_type*bus)
{
pr_debug("bus:'%s':unregistering
",bus->name);
if(bus->dev_root)
device_unregister(bus->dev_root);
bus_remove_groups(bus,bus->bus_groups);
remove_probe_files(bus);
kset_unregister(bus->p->drivers_kset);
kset_unregister(bus->p->devices_kset);
bus_remove_file(bus,&bus_attr_uevent);
kset_unregister(&bus->p->subsys);
}

（4-3）device和device_driver的添加

linux內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)模型中，提供了device_register()和driver_register()兩個(gè)接口，供各個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊使用。從linux內(nèi)核多個(gè)子系統(tǒng)的源碼中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于各種驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)最終都會(huì)調(diào)用到driver_register()。然而這兩個(gè)接口函數(shù)的核心邏輯中，是通過(guò)調(diào)用總線(xiàn)的bus_add_device()和bus_add_driver()實(shí)現(xiàn)的：在driver_register()中調(diào)用driver_find()在給定的總線(xiàn)中查找給定名稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)，如果驅(qū)動(dòng)已經(jīng)存在則返回-EBUSY；如果驅(qū)動(dòng)在總線(xiàn)中不存在，則調(diào)用bus_add_driver()注冊(cè)驅(qū)動(dòng)。在device_register()中則首先調(diào)用device_initialize初始化設(shè)備（本質(zhì)上是對(duì)sturct device結(jié)構(gòu)賦值），然后調(diào)用device_add向linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模型注冊(cè)設(shè)備。

device_register()和driver_register()兩個(gè)接口都在/drivers/base/bus.c文件中實(shí)現(xiàn)。下文來(lái)具體看看這兩個(gè)接口的執(zhí)行邏輯：

1、bus_add_device的執(zhí)行邏輯：

（1）從dev->bus中取得bus_type*類(lèi)型的指針bus，如果獲取bus不成功，則函數(shù)直接返回；如果bus獲取成功，則會(huì)繼續(xù)后續(xù)的第（2）步操作。

（2）調(diào)用device_add_attrs接口，將由bus->dev_attrs指針定義的默認(rèn)attribute添加到內(nèi)核中，這個(gè)操作會(huì)體現(xiàn)在sysfs文件系統(tǒng)中的/sys/devices/xxx/xxx_device/目錄中。

（3）調(diào)用device_add_groups將bus_dev_groups添加到內(nèi)核中。

（4）調(diào)用sysfs_create_link將該設(shè)備在sysfs中的目錄，鏈接到該bus的devices目錄下

（5）接著依然調(diào)用sysfs_create_link，在該設(shè)備的sysfs目錄中，創(chuàng)建一個(gè)指向該設(shè)備所在bus目錄的鏈接，命名為subsystem。

（6）前面幾個(gè)操作實(shí)則是向sysfs文件系統(tǒng)注冊(cè)關(guān)于設(shè)備的信息，向用戶(hù)空間拋出接口。最后步驟則是調(diào)用klist_add_tail()將該設(shè)備指針保存到bus->p->klist_devices中。

2、bus_add_driver的執(zhí)行邏輯：

（1）首先調(diào)用bus_get從驅(qū)動(dòng)程序中獲取到該驅(qū)動(dòng)程序所屬的bus_type指針。如果該指針為零（即獲取失?。﹦t返回-EINVAL；反之則繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。

（2）為該驅(qū)動(dòng)的struct driver_private指針（priv）分配空間，并初始化其中的priv->klist_devices、priv->driver、priv->kobj.kset等變量，同時(shí)將priv保存到device_driver的p中。

（3）調(diào)用kobject_init_and_add，并傳入該驅(qū)動(dòng)的名稱(chēng)作為參數(shù)，向sysfs中注冊(cè)driver的kobject。該操作體現(xiàn)在sysfs文件中的/sys/bus/xxx/drivers/目錄下。

（4）調(diào)用klist_add_tail將驅(qū)動(dòng)添加到總線(xiàn)的klist_drivers鏈表中，如果該驅(qū)動(dòng)的drivers_autoprobe為真，還將調(diào)用driver_attach嘗試將驅(qū)動(dòng)綁定到設(shè)備。

（5）調(diào)用module_add_driver()將驅(qū)動(dòng)添加到drv->owner中，咱不過(guò)多分析。

（6）調(diào)用driver_create_file，在sysfs文件系統(tǒng)中的driver目錄下，創(chuàng)建uevent attribute。

（7）調(diào)用driver_add_groups將bus->drv_groups屬性組添加到驅(qū)動(dòng)中。

（4-4）driver的probe

當(dāng)一個(gè)driver在進(jìn)行probe的時(shí)候，大部分邏輯都會(huì)依賴(lài)總線(xiàn)的具體實(shí)現(xiàn)，核心操作是bus_probe_device()和driver_attach()兩個(gè)接口，這兩個(gè)接口都是在drivers/base/base.h中聲明，在drivers/base/bus.c中實(shí)現(xiàn)。

bus_probe_device()實(shí)現(xiàn)如下：

driver_attach()實(shí)現(xiàn)如下：



從上圖可知，driver_attach中會(huì)調(diào)用bus_for_each_dev遍歷設(shè)備，該函數(shù)用于遍歷drv->bus的設(shè)備列表，并為每個(gè)設(shè)備調(diào)用__driver_attach()，并將drv傳遞給__driver_attach，故而可以明確知道對(duì)每個(gè)設(shè)備執(zhí)行的操作則是__driver_attach()，該函數(shù)定義在/drivers/base/dd.c文件中，具體的執(zhí)行邏輯如下：

（1）使用driver_match_device()判斷驅(qū)動(dòng)和設(shè)備是否匹配（本質(zhì)上是判斷是否指定了drv->bus->match，如果指定了則執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)，否則返回1），如果驅(qū)動(dòng)和設(shè)備已經(jīng)匹配了則直接返回；否則，則繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的操作。

（2）調(diào)用driver_probe_device()嘗試將驅(qū)動(dòng)和設(shè)備綁定在一起。

總體上，bus_probe_device()和driver_attach()這兩個(gè)接口的操作流程類(lèi)似，即：搜索所在的總線(xiàn)，比對(duì)是否有同名的device_driver（或device），如果有并且該設(shè)備沒(méi)有綁定Driver（注：這一點(diǎn)很重要，則可以使同一個(gè)Driver驅(qū)動(dòng)相同名稱(chēng)的多個(gè)設(shè)備）則調(diào)用device_driver的probe接口。

審核編輯：劉清