如何正確認(rèn)識(shí)Linux設(shè)驅(qū)動(dòng)模型

[導(dǎo)讀] Linux設(shè)備林林總總，嵌入式開發(fā)一個(gè)繞不開的話題就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)，在做具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)之前，有必要對(duì)Linux設(shè)驅(qū)動(dòng)模型有一個(gè)相對(duì)清晰的認(rèn)識(shí)，將會(huì)幫助驅(qū)動(dòng)開發(fā)，明白具體驅(qū)動(dòng)接口操作符相應(yīng)都做些什么。

個(gè)人對(duì)于驅(qū)動(dòng)模型的理解概括起來就是一句話：利用面向?qū)ο?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程思想，實(shí)現(xiàn)設(shè)備分層管理軟件體系結(jié)構(gòu)。

注：代碼分析基于linux-5.4.31

為啥要驅(qū)動(dòng)模型

隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化越來越復(fù)雜，Linux內(nèi)核對(duì)設(shè)備描述衍生出一般性的抽象描述，形成一個(gè)分層體系結(jié)構(gòu)，從而引入了設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型。這樣描述還是不夠讓人理解，來看一下這些需求就好理解些：

Linux內(nèi)核可以在各種體系結(jié)構(gòu)和硬件平臺(tái)上運(yùn)行，因此需要最大限度地提高代碼在平臺(tái)之間的可重用性。

分層實(shí)現(xiàn)也實(shí)現(xiàn)了軟件工程的高內(nèi)聚-低耦合的設(shè)計(jì)思想。低耦合體現(xiàn)在對(duì)外提供統(tǒng)一的抽象訪問接口，高內(nèi)聚將相關(guān)度緊密的集中抽象實(shí)現(xiàn)。

Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序模型是先前在內(nèi)核中使用的所有不同驅(qū)動(dòng)程序模型的統(tǒng)一。它旨在通過將一組數(shù)據(jù)和操作整合到全局可訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，來擴(kuò)展基于基礎(chǔ)總線來橋接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模型為它們所控制的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了某種類似于樹的結(jié)構(gòu)(有時(shí)只是一個(gè)列表)。不同類型的總線之間沒有任何一致性。

驅(qū)動(dòng)模型抽象了啥

當(dāng)前驅(qū)動(dòng)程序模型為描述總線和總線下可能出現(xiàn)的設(shè)備提供了一個(gè)通用的、統(tǒng)一的模型。統(tǒng)一總線模型包括一組所有總線都具有的公共屬性和一組公共回調(diào)，如總線探測(cè)期間的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、總線關(guān)閉、總線電源管理等。

通用的設(shè)備和橋接接口反映了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的目標(biāo)：即執(zhí)行無縫設(shè)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(guī)定的模型（即ACPI）可確保與x86兼容的系統(tǒng)上幾乎任何總線上的幾乎所有設(shè)備都可以在此范式下工作。當(dāng)然，雖然大多數(shù)總線都支持其中大多數(shù)操作，但并不是每條總線都能夠支持所有此類操作。

那么哪些通用需求被抽象出來了呢？

電源系統(tǒng)和系統(tǒng)關(guān)機(jī)，對(duì)于電源管理與系統(tǒng)關(guān)機(jī)對(duì)于設(shè)備相關(guān)的操作進(jìn)行抽象實(shí)現(xiàn)。關(guān)機(jī)為什么要被抽象出來管理，比如設(shè)備操作正在進(jìn)行此時(shí)系統(tǒng)收到關(guān)機(jī)指令，那么在設(shè)備模型層就會(huì)遍歷系統(tǒng)設(shè)備硬件，確保系統(tǒng)正確關(guān)機(jī)。

用戶空間訪問：sysfs虛擬文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備模型對(duì)外的訪問抽象，這也是為什么說Linux 設(shè)備也是文件的由來。實(shí)際從軟件架構(gòu)層面看，這其實(shí)是一個(gè)軟件橋接模塊，抽象出統(tǒng)一用戶訪問接口，橋接了設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

熱插拔管理：熱插拔管理機(jī)制定義統(tǒng)一的抽象接口操作符kset_hotplug_ops，不同設(shè)備利用操作符實(shí)現(xiàn)差異化。

設(shè)備類型：設(shè)備分類機(jī)制，從高層級(jí)抽象描述設(shè)備類型，具體可以在sysfs下面體現(xiàn)。

用戶空間訪問

由于具有系統(tǒng)中所有設(shè)備的完整分層視圖，因此將完整的分層視圖導(dǎo)出到用戶空間變得相對(duì)容易。這是通過實(shí)現(xiàn)名為sysfs虛擬文件系統(tǒng)來完成的。

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

none /syssysfs defaults 0 0

對(duì)于Debian系統(tǒng)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

當(dāng)然也可以采用手動(dòng)方式掛載：

# mount -t sysfs sysfs /sys

當(dāng)將設(shè)備插入樹中時(shí)，都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)目錄。該目錄可以填充在發(fā)現(xiàn)的每個(gè)層（全局層，總線層或設(shè)備層）中。

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

總線層為探測(cè)總線時(shí)發(fā)現(xiàn)的設(shè)備創(chuàng)建文件。例如，PCI層當(dāng)前為每個(gè)PCI設(shè)備創(chuàng)建“ irq”和“resource”文件。

特定于設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序也可以在其目錄中導(dǎo)出文件，以暴露特定于設(shè)備的數(shù)據(jù)或可用接口。

驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)

先來梳理一下內(nèi)部幾個(gè)主要與驅(qū)動(dòng)模型相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

./include/linux/Device.h 定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

bus_type：抽象描述總線類型，如USB/PCI/I2C/MMC等

device_driver：實(shí)現(xiàn)具體連接在總線上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

device：描述連接在總線上的設(shè)備

./include/linux/Kobject.h中定義了隱藏在后臺(tái)的類似于基類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

kset：可以認(rèn)為是kobject的頂層容器類。每個(gè)kset內(nèi)部都包含了自己的kobject.

kobject：在 sysfs 中出現(xiàn)的每個(gè)對(duì)象都對(duì)應(yīng)一個(gè) kobject, 它和內(nèi)核交互來創(chuàng)建它的可見表述,每一個(gè) kobject 對(duì)應(yīng) 文件系統(tǒng) /sys 里的一個(gè) 目錄，目錄的名字就是結(jié)構(gòu)體中的 name

bus_type

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

注冊(cè)總線，利用bus_register注冊(cè)總線，bus_unregister刪除總線。如下例子，每種總線須定義一個(gè)bus_type對(duì)象，并利用bus_register注冊(cè)總線，或bus_unregister刪除總線。

/*i2c-core-base.c*/ structbus_typei2c_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); staticint__initi2c_init(void) { intretval; 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(cè)I2C總線*/ retval=bus_register(&i2c_bus_type); if(retval) returnretval; is_registered=true; #ifdefCONFIG_I2C_COMPAT i2c_adapter_compat_class=class_compat_register("i2c-adapter"); if(!i2c_adapter_compat_class){ retval=-ENOMEM; gotobus_err; } #endif retval=i2c_add_driver(&dummy_driver); if(retval) gotoclass_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)); return0; class_err: #ifdefCONFIG_I2C_COMPAT class_compat_unregister(i2c_adapter_compat_class); bus_err: #endif is_registered=false; /*錯(cuò)誤時(shí)刪除總線*/ bus_unregister(&i2c_bus_type); returnretval; }

注冊(cè)適配器驅(qū)動(dòng)程序（USB控制器，I2C適配器等），以檢測(cè)連接的設(shè)備，并提供與設(shè)備的通信機(jī)制

圖中的match函數(shù)接口用于將驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備進(jìn)行匹配。match回調(diào)的目的是使總線有機(jī)會(huì)通過比較驅(qū)動(dòng)程序支持的設(shè)備ID與特定設(shè)備的設(shè)備ID來確定特定驅(qū)動(dòng)程序是否支持特定設(shè)備，而不會(huì)犧牲特定于總線的功能或類型安全性 。當(dāng)向總線注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，將遍歷總線的設(shè)備列表，并為每個(gè)沒有與之關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備調(diào)用match回調(diào)。

提供API函數(shù)以實(shí)現(xiàn)適配器驅(qū)動(dòng)以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

同時(shí)dev_pm_ops *pm實(shí)現(xiàn)對(duì)于總線的功耗管理接口抽象。對(duì)于特定總線實(shí)現(xiàn)這個(gè)操作符對(duì)應(yīng)的函數(shù)。

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

iommu_ops 操作符提供總線相關(guān)的IOMMU抽象。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到總線上時(shí)，將在sysfs管理總線/設(shè)備/設(shè)備驅(qū)動(dòng)的層次關(guān)系，以PCI為例：

/*在總線上注冊(cè)的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)在總線的驅(qū)動(dòng)程序目錄中獲得一個(gè)目錄*/ /sys/bus/pci/ |--devices `--drivers |--IntelICH |--IntelICHJoystick |--agpgart `--e100 /*在該類型的總線上發(fā)現(xiàn)的每個(gè)設(shè)備都會(huì)在總線的設(shè)備目錄中獲得到物理層次結(jié)構(gòu)中該設(shè)備目錄的符號(hào)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

總線屬性：bus_groups/設(shè)備屬性dev_groups/驅(qū)動(dòng)屬性drv_groups。

device

作用：抽象描述具體的設(shè)備

設(shè)備注冊(cè)：發(fā)現(xiàn)設(shè)備的總線驅(qū)動(dòng)程序使用下面的函數(shù)來向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備

intdevice_register(structdevice*dev);

利用dvice_unregister()從總線上刪除設(shè)備

device_driver

作用：抽象描述連接在總線上的具體設(shè)備的驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)注冊(cè)，通過下面的函數(shù)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)

intdriver_register(structdevice_driver*drv);

使用它使用以下命令從驅(qū)動(dòng)程序目錄中添加和刪除屬性

intdriver_create_file(structdevice_driver*,conststructdriver_attribute*); voiddriver_remove_file(structdevice_driver*,conststructdriver_attribute*);

class

作用：抽象設(shè)備的高層視圖，描述的是設(shè)備的集合。抽象了同類型的設(shè)備的底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。比如所有的網(wǎng)絡(luò)接口都位于/sys/class/net下

struct subsys_private *p描述類鏈表

kobject/kset

kobject類似于面向?qū)ο笾械膬?nèi)核基類，內(nèi)核利用它將各個(gè)對(duì)象連接起來組成分層的機(jī)構(gòu)體系，其parent指針將形成一個(gè)樹狀分層結(jié)構(gòu)。

kset內(nèi)部包含了kobject。重心在描述對(duì)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(tǒng)中，都將在sysfs中創(chuàng)建一個(gè)目錄

kobject/kset一起實(shí)現(xiàn)了sysfs虛擬文件系統(tǒng)中設(shè)備/總線/設(shè)備驅(qū)動(dòng)樹狀分層結(jié)構(gòu)的最關(guān)鍵的底層實(shí)現(xiàn)由來。

總體上而言：

通過上面一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系分析，總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型最終目的是實(shí)現(xiàn)如下這樣一個(gè)分層驅(qū)動(dòng)模型。