前言

6. 总线-设备-驱动

总线-设备-驱动 又称为 设备驱动模型

6.1 概念

总线(bus):负责管理挂载对应总线的设备以及驱动;

设备(device):挂载在某个总线的物理设备;

驱动(driver):与特定设备相关的软件,负责初始化该设备以及提供一些操作该设备的操作方式;

类(class):对于具有相同功能的设备,归结到一种类别,进行分类管理;

6.2 工作原理

以下只说 总线-设备-驱动 模式下的操作

总线

  • 总线管理着两个链表:设备链表驱动链表
  • 当我们向内核注册一个驱动时,便插入到总线的驱动链表
  • 当我们向内核注册一个设备时,便插入到总线的设备链表
  • 在插入的同时,总线会执行一个 bus_type 结构体中的 match 方法对新插入的 设备/驱动 进行匹配。(例如以名字的方式匹配。方式有很多总,下面再详细分析。
  • 匹配成功后,会调用 驱动 device_driver 结构体中的 probe 方法。(通常在 probe 中获取设备资源。具体有开发人员决定。
  • 在移除设备或驱动时,会调用 device_driver 结构体中的 remove 方法。

6.3 总线

6.3.1 总线介绍

总线

  • 总线是连接处理器和设备之间的桥梁
  • 代表着同类设备需要共同遵循的工作时序。

总线驱动

  • 负责实现总线行为,管理两个链表。

总线结构体

struct bus_type {
const char *name;
const struct attribute_group **bus_groups;
const struct attribute_group **dev_groups;
const struct attribute_group **drv_groups; int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
int (*probe)(struct device *dev);
int (*remove)(struct device *dev); int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
int (*resume)(struct device *dev); const struct dev_pm_ops *pm; struct subsys_private *p;
};
  • name:指定总线的名称,当新注册一种总线类型时,会在 /sys/bus 目录创建一个新的目录,目录名就是该参数的值;
  • bus_groups、dev_groups、drv_groups:分别表示 总线、设备、驱动的属性。
    • 通常会在对应的 /sys 目录下在以文件的形式存在,对于驱动而言,在目录 /sys/bus//driver/ 存放了驱动的默认属性;设备则在目录 /sys/bus//devices/ 中。这些文件一般是可读写的,用户可以通过读写操作来获取和设置这些 attribute 的值。
  • match:当向总线注册一个新的设备或者是新的驱动时,会调用该回调函数。该设备主要负责匹配工作。
  • uevent:总线上的设备发生添加、移除或者其它动作时,就会调用该函数,来通知驱动做出相应的对策。
  • probe:当总线将设备以及驱动相匹配之后,执行该回调函数,最终会调用驱动提供的probe 函数。
  • remove:当设备从总线移除时,调用该回调函数。
  • suspend、resume:电源管理的相关函数,当总线进入睡眠模式时,会调用suspend回调函数;而resume回调函数则是在唤醒总线的状态下执行。
  • pm:电源管理的结构体,存放了一系列跟总线电源管理有关的函数,与 device_driver 结构体中的 pm_ops 有关。
  • p:该结构体用于存放特定的私有数据,其成员 klist_devicesklist_drivers 记录了挂载在该总线的设备和驱动。

6.3.2 注册总线

在实际的驱动开发中,Linux 已经为我们编写好了大部分的总线驱动。

但是内核也提供了注册总线的 API。

bus_register()

  • bus_register() 函数用于注册总线。
  • 内核源码路径:内核源码/drivers/base/bus.c
  • 函数原型:int bus_register(struct bus_type *bus);
    • bus:bus_type 类型的结构体指针。
    • 返回值:
      • 成功:0;
      • 失败:负数。

bus_unregister()

  • bus_unregister() 用于注销总线。
  • 内核源码路径:内核源码/drivers/base/bus.c
  • 函数原型:int bus_unregister(struct bus_type *bus);
    • bus:bus_type 类型的结构体指针。
    • 返回值:无。

当我们成功注册总线时,会在 /sys/bus/ 目录下创建一个新目录,目录名为我们新注册的总线名。

6.4 设备

6.4.1 设备介绍

/sys/devices 目录记录了系统中所有的设备。

/sys 下的所有设备文件和 /sys/dev 下的所有设备节点都是链接文件,实际上都指向了对应的设备文件。

device 结构体:

struct device
{
const char *init_name;
struct device *parent;
struct bus_type *bus;
struct device_driver *driver;
void *platform_data;
void *driver_data;
struct device_node *of_node;
dev_t devt;
struct class *class;
void (*release)(struct device *dev);
const struct attribute_group **groups; /* optional groups */
struct device_private *p;
};
  • 内核源码路径:内核源码/include/linux/device.h
  • init_name:指定该设备的名称,总线匹配时,一般会根据比较名字来进行配对。
  • parent:表示该设备的父对象,旧版本的设备之间没有任何联系,引入 Linux 设备驱动模块后,设备之间呈现树状结构,便于管理各种设备。
  • bus:归属与哪个总线。当我们注册设备时,内核便会将该设备注册到对应的总线。(相爱
  • of_node:存放设备树中匹配的设备节点。当内核使能设备树,总线负责将驱动的 of_match_table 以及设备树的 compatible 属性进行比较之后,将匹配的节点保存到该变量。
  • platform_data:特定设备的私有数据,通常定义在板级文件中。
  • driver_data:驱动层可以通过 dev_set/get_drvdata 函数来获取该成员变量。
  • class:指向该设备对应类。
  • dev:设备号。dev_t 类型。
  • release:回调函数。当设备被注销时,该函数被调用。
  • group:指向 struct attribute_group 类型指针指定该设备属性。

6.4.2 设备注册、注销

在前面的字符设备驱动编写中,我们使用到了 device_create() 函数和 device_destroy() 函数来创建和删除设备。

现在介绍向总线注册和注销设备。

向总线注册设备

  • 函数原型:int device_register(struct device *dev);

    • 内核源码路径:内核源码/driver/base/core.c
    • devstruct device 结构体类型指针。
    • 返回:
      • 成功:0;
      • 失败:负数。

向总线注销设备

  • 函数原型:int device_unregister(struct device *dev);

    • 内核源码路径:内核源码/driver/base/core.c
    • devstruct device 结构体类型指针。
    • 返回:无。

6.5 驱动

6.5.1 驱动介绍

driver 结构体:


struct device_driver
{
const char *name;
struct bus_type *bus; struct module *owner;
const char *mod_name; /* used for built-in modules */ bool suppress_bind_attrs; /* disables bind/unbind via sysfs */ const struct of_device_id *of_match_table;
const struct acpi_device_id *acpi_match_table; int (*probe) (struct device *dev);
int (*remove) (struct device *dev); const struct attribute_group **groups;
struct driver_private *p;
};
  • 内核源码路径:内核源码/include/linux/device.h
  • name:指定驱动名称,总线进行匹配时,利用该成员与设备名进行比较。
  • bus:归属与哪个总线。内核需要保证在驱动执行之前,对应的总线能够正常工作。
  • suppress_bind_attrs:布尔量,用于指定是否通过 sysfs 导出 bindunbind文件,bindunbind 文件是驱动用于绑定/解绑关联的设备。
  • owner:表示该驱动的拥有者,一般设置为 THIS_MODULE
  • of_match_table:指定该驱动支持的设备类型。当内核使能设备树时,会利用该成员与设备树中的 compatible 属性进行比较。
  • remove:当设备从操作系统中拔出或者是系统重启时,会调用该回调函数。
  • probe:当驱动以及设备匹配后,会执行该回调函数,对设备进行初始化。通常的代码,都是以main函数开始执行的,但是在内核的驱动代码,都是从 probe 函数开始的。
  • group:指向 struct attribute_group 类型的指针,指定该驱动的属性。

6.4.2 驱动注册、注销

向总线注册驱动

  • 函数原型:int driver_register(struct device_driver *drv);

    • 内核源码路径:内核源码/include/linux/device.h
    • drvstruct device_driver 结构体类型指针。
    • 返回:
      • 成功:0;
      • 失败:负数。

向总线注销驱动

  • 函数原型:int driver_unregister(struct device_driver *drv);

    • 内核源码路径:内核源码/include/linux/device.h
    • drvstruct device_driver 结构体类型指针。
    • 返回:无。

6.5 便解图文

数据结构该系统

注册流程图

  • 系统启动之后会调用buses_init函数创建/sys/bus文件目录,这部分系统在开机时已经帮我们准备好了, 接下去就是通过总线注册函数bus_register进行总线注册,注册完总线后在总线的目录下生成devices文件夹和drivers文件夹, 最后分别通过device_register以及driver_register函数注册相对应的设备和驱动。

6.6 attribute属性文件

6.6.1 attribute 介绍

attribute 结构体:

struct attribute {
const char *name;
umode_t mode;
};
  • 内核源码路径:内核源码/include/linux/sysfs.h
  • name:指定文件的文件名。
  • mode:指定文件的权限。

bus_type、device、device_driver 结构体中都包含了一种数据类型 struct attribute_group,它是多个 attribute 文件的集合, 利用它进行初始化,可以避免一个个注册 attribute

struct attribute_group 结构体:

struct attribute_group
{
const char *name;
umode_t (*is_visible)(struct kobject *, struct attribute *, int);
struct attribute **attrs;
struct bin_attribute **bin_attrs;
};
  • 内核源码路径:内核源码/include/linux/sysfs.h

6.6.2 设备属性文件

Linux 提供注册和注销设备属性文件的 API。我们可以通过这些 API 直接在用户层进行查询和修改。

struct device_attribute 结构体:

struct device_attribute
{
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf);
ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, const char *buf, size_t count);
}; #define DEVICE_ATTR(_name, _mode, _show, _store) \
struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _store)
extern int device_create_file(struct device *device, const struct device_attribute *entry);
extern void device_remove_file(struct device *dev, const struct device_attribute *attr);
  • 内核源码路径:内核源码/include/linux/device.h
  • DEVICE_ATTR 宏:用于定义一个device_attribute类型的变量。
    • 参数 _name,_mode,_show,_store,分别代表了文件名, 文件权限,show 回调函数,store 回调函数。
    • show 回调函数以及 store 回调函数分别对应着用户层的 catecho 命令,当我们使用 cat 命令,来获取 /sys 目录下某个文件时,最终会执行 show 回调函数;使用 echo 命令,则会执行 store 回调函数。 参数 _mode 的值,可以使用S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR 等宏定义,更多选项可以查看读写文件章节关于文件权限的内容。
  • device_create_file:该函数用于创建文件。
    • device:表示设备。也是归属总线下的 device 目录下的目录名称。
    • entry:自定义的 device_attribute 类型变量。
  • device_remove_file:该函数用于删除文件。当注销驱动时,对应目录以及文件都被移除。
    • device:表示设备。也是归属总线下的 device 目录下的目录名称。
    • entry:自定义的 device_attribute 类型变量。

6.6.3 驱动属性文件

Linux 提供注册和注销驱动属性文件的 API。我们可以通过这些 API 直接在用户层进行查询和修改。

struct driver_attribute 结构体:

struct driver_attribute
{
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct device_driver *driver, char *buf);
ssize_t (*store)(struct device_driver *driver, const char *buf, size_t count);}; #define DRIVER_ATTR_RW(_name) \
struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_RW(_name)
#define DRIVER_ATTR_RO(_name) \
struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_RO(_name)
#define DRIVER_ATTR_WO(_name) \
struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_WO(_name) extern int __must_check driver_create_file(struct device_driver *driver, const struct driver_attribute *attr);
extern void driver_remove_file(struct device_driver *driver, const struct driver_attribute *attr);
  • 内核源码路径:内核源码/include/linux/device.h
  • DRIVER_ATTR_RW、DRIVER_ATTR_RO 以及 DRIVER_ATTR_WO 宏:用于定义一个driver_attribute类型的变量。
    • 带有 driver_attr_ 的前缀,区别在于文件权限不同;
    • RW 后缀表示文件可读写;
    • RO 后缀表示文件仅可读;
    • WO 后缀表示文件仅可写。
    • DRIVER_ATTR 类型的宏定义没有参数来设置 showstore 回调函数,在写驱动代码时,只需要提供 xxx_store 以及 xxx_show 这两个函数, 并确保两个函数的 xxxDRIVER_ATTR 类型的宏定义中名字是一致的即可。
  • driver_create_filedriver_remove_file 函数用于创建和移除文件,使用driver_create_file 函数, 会在 /sys/bus//drivers// 目录下创建文件。

6.6.4 总线属性文件

struct bus_attribute 结构体:

struct bus_attribute
{
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct bus_type *bus, char *buf);
ssize_t (*store)(struct bus_type *bus, const char *buf, size_t count);
}; #define BUS_ATTR(_name, _mode, _show, _store) \
struct bus_attribute bus_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _store) extern int __must_check bus_create_file(struct bus_type *, struct bus_attribute *);
extern void bus_remove_file(struct bus_type *, struct bus_attribute *);
  • 内核源码路径:内核源码/include/linux/device.h
  • BUS_ATTR 宏定义用于定义一个 bus_attribute 变量;
  • 使用 bus_create_file 函数,会在 /sys/bus/ 下创建对应的文件。
  • bus_remove_file 则用于移除该文件。

6.7 匹配规则 **

下章笔记就是记录平台设备。本次匹配规则就参考 平台设备驱动 源码。

6.7.1 最先比较

最先比较 platform_device.driver_overrideplatform_driver.driver.name

可以设置 platform_devicedriver_override,强制选择某个 platform_driver

6.7.2 其次比较

其次比较 platform_device.nameplatform_driver.id_table[i].name

platform_driver.id_tableplatform_device_id 指针,表示该 drv 支持若干个 device,它里面列出了各个 device{.name, .driver_data},其中的 name 表示该 drv 支持的设备的名字,driver_data是些提供给该 device 的私有数据。

6.7.3 最后比较

最后比较 platform_device.nameplatform_driver.driver.name

由于 platform_driver.id_table 可能为空,所以,接下来就可以使用 platform_driver.driver.name 来匹配。

6.7.4 函数调用关系

platform_device_register
platform_device_add
device_add
bus_add_device // 放入链表
bus_probe_device // probe 枚举设备,即找到匹配的(dev, drv)
device_initial_probe
__device_attach
bus_for_each_drv(...,__device_attach_driver,...)
__device_attach_driver
driver_match_device(drv, dev) // 是否匹配
driver_probe_device // 调用 drv 的 probe platform_driver_register
__platform_driver_register
driver_register
bus_add_driver // 放入链表
driver_attach(drv)
bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
__driver_attach
driver_match_device(drv, dev) // 是否匹配
driver_probe_device // 调用 drv 的 probe

6.8 实现设备模型的简要步骤 *

总线、设备、驱动都基于驱动模型上实现,方便插入。

模块三步骤:

  1. 入口函数;
  2. 出口函数;
  3. 协议。

6.8.1 总线

  1. 实现总线结构体内容;
  2. 填充总线结构体;
  3. 实现属性文件内容,包括设置属性文件结构体;
  4. 注册总线;(模块入口函数
  5. 创建属性文件;
  6. 移除属性文件;(模块出口函数
  7. 注销总线。

6.8.2 设备

  1. 声明外部总线变量;
  2. 实现设备结构体内容;
  3. 填充设备结构体;
  4. 实现属性文件内容,包括设置属性文件结构体;
  5. 注册设备;(模块入口函数
  6. 创建属性文件;
  7. 移除属性文件;(模块出口函数
  8. 注销设备。

6.8.3 驱动

  1. 声明外部总线变量;
  2. 实现驱动结构体内容;
  3. 填充驱动结构体;
  4. 实现属性文件内容,包括设置属性文件结构体;
  5. 注册驱动;(模块入口函数
  6. 创建属性文件;
  7. 移除属性文件;(模块出口函数
  8. 注销驱动。

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