Linux設(shè)備模型：基本概念

1. 前言

在“Linux內(nèi)核的整體架構(gòu)”中，蝸蝸有提到，由于Linux支持世界上幾乎所有的、不同功能的硬件設(shè)備（這是Linux的優(yōu)點），導(dǎo)致Linux內(nèi)核中有一半的代碼是設(shè)備驅(qū)動，而且隨著硬件的快速升級換代，設(shè)備驅(qū)動的代碼量也在快速增長。個人意見，這種現(xiàn)象打破了“簡潔就是美”的理念，是丑陋的。它導(dǎo)致Linux內(nèi)核看上去非常臃腫、雜亂、不易維護。但蝸蝸也知道，這不是Linux的錯，Linux是一個宏內(nèi)核，它必須面對設(shè)備的多樣性，并實現(xiàn)對應(yīng)的驅(qū)動。

為了降低設(shè)備多樣性帶來的Linux驅(qū)動開發(fā)的復(fù)雜度，以及設(shè)備熱拔插處理、電源管理等，Linux內(nèi)核提出了設(shè)備模型（也稱作Driver Model）的概念。設(shè)備模型將硬件設(shè)備歸納、分類，然后抽象出一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口。驅(qū)動的開發(fā)，就簡化為對內(nèi)核所規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的填充和實現(xiàn)。

本文將會從設(shè)備模型的基本概念開始，通過分析內(nèi)核相應(yīng)的代碼，一步一步解析Linux設(shè)備模型的實現(xiàn)及使用方法。

2. Linux設(shè)備模型的基本概念

2.1 Bus, Class, Device和Device Driver的概念

下圖是嵌入式系統(tǒng)常見的硬件拓撲的一個示例：?

硬件拓撲描述Linux設(shè)備模型中四個重要概念中三個：Bus，Class和Device（第四個為Device Driver，后面會說）。

Bus（總線）：Linux認為（可以參考include/linux/device.h中struct bus_type的注釋），總線是CPU和一個或多個設(shè)備之間信息交互的通道。而為了方便設(shè)備模型的抽象，所有的設(shè)備都應(yīng)連接到總線上（無論是CPU內(nèi)部總線、虛擬的總線還是“platform Bus”）。

Class（分類）：在Linux設(shè)備模型中，Class的概念非常類似面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的Class（類），它主要是集合具有相似功能或?qū)傩缘脑O(shè)備，這樣就可以抽象出一套可以在多個設(shè)備之間共用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口函數(shù)。因而從屬于相同Class的設(shè)備的驅(qū)動程序，就不再需要重復(fù)定義這些公共資源，直接從Class中繼承即可。

Device（設(shè)備）：抽象系統(tǒng)中所有的硬件設(shè)備，描述它的名字、屬性、從屬的Bus、從屬的Class等信息。

Device Driver（驅(qū)動）：Linux設(shè)備模型用Driver抽象硬件設(shè)備的驅(qū)動程序，它包含設(shè)備初始化、電源管理相關(guān)的接口實現(xiàn)。而Linux內(nèi)核中的驅(qū)動開發(fā)，基本都圍繞該抽象進行（實現(xiàn)所規(guī)定的接口函數(shù)）。

注：什么是Platform Bus？?
在計算機中有這樣一類設(shè)備，它們通過各自的設(shè)備控制器，直接和CPU連接，CPU可以通過常規(guī)的尋址操作訪問它們（或者說訪問它們的控制器）。這種連接方式，并不屬于傳統(tǒng)意義上的總線連接。但設(shè)備模型應(yīng)該具備普適性，因此Linux就虛構(gòu)了一條Platform Bus，供這些設(shè)備掛靠。

2.2 設(shè)備模型的核心思想

Linux設(shè)備模型的核心思想是（通過xxx手段，實現(xiàn)xxx目的）：

1. 用Device（struct device）和Device Driver（struct device_driver）兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別從“有什么用”和“怎么用”兩個角度描述硬件設(shè)備。這樣就統(tǒng)一了編寫設(shè)備驅(qū)動的格式，使驅(qū)動開發(fā)從論述題變?yōu)樘羁阵w，從而簡化了設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)。

2. 同樣使用Device和Device Driver兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件設(shè)備的即插即用（熱拔插）。?
在Linux內(nèi)核中，只要任何Device和Device Driver具有相同的名字，內(nèi)核就會執(zhí)行Device Driver結(jié)構(gòu)中的初始化函數(shù)（probe），該函數(shù)會初始化設(shè)備，使其為可用狀態(tài)。?
而對大多數(shù)熱拔插設(shè)備而言，它們的Device Driver一直存在內(nèi)核中。當(dāng)設(shè)備沒有插入時，其Device結(jié)構(gòu)不存在，因而其Driver也就不執(zhí)行初始化操作。當(dāng)設(shè)備插入時，內(nèi)核會創(chuàng)建一個Device結(jié)構(gòu)（名稱和Driver相同），此時就會觸發(fā)Driver的執(zhí)行。這就是即插即用的概念。

3. 通過"Bus-->Device”類型的樹狀結(jié)構(gòu)（見2.1章節(jié)的圖例）解決設(shè)備之間的依賴，而這種依賴在開關(guān)機、電源管理等過程中尤為重要。?
試想，一個設(shè)備掛載在一條總線上，要啟動這個設(shè)備，必須先啟動它所掛載的總線。很顯然，如果系統(tǒng)中設(shè)備非常多、依賴關(guān)系非常復(fù)雜的時候，無論是內(nèi)核還是驅(qū)動的開發(fā)人員，都無力維護這種關(guān)系。?
而設(shè)備模型中的這種樹狀結(jié)構(gòu)，可以自動處理這種依賴關(guān)系。啟動某一個設(shè)備前，內(nèi)核會檢查該設(shè)備是否依賴其它設(shè)備或者總線，如果依賴，則檢查所依賴的對象是否已經(jīng)啟動，如果沒有，則會先啟動它們，直到啟動該設(shè)備的條件具備為止。而驅(qū)動開發(fā)人員需要做的，就是在編寫設(shè)備驅(qū)動時，告知內(nèi)核該設(shè)備的依賴關(guān)系即可。

4. 使用Class結(jié)構(gòu)，在設(shè)備模型中引入面向?qū)ο蟮母拍?，這樣可以最大限度地抽象共性，減少驅(qū)動開發(fā)過程中的重復(fù)勞動，降低工作量。

?