Linux设备驱动模型介绍

文库资料 ©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.
第1章 Linux 设备驱动模型介绍
设备驱动模型，对系统的所有设备和驱动进行了抽象，形成了复杂的设备树型结构，采用面向对象的方法，抽象出了device 设备、driver 驱动、bus 总线和class 类等概念，所有已经注册的设备和驱动都挂在总线上，总线来完成设备和驱动之间的匹配。

总线、设备、驱动以及类之间的关系错综复杂，在Linux 内核中通过kobject 、kset 和subsys 来进行管理，驱动编写可以忽略这些管理机制的具体实现。

设备驱动模型的内部结构还在不停的发生改变，如device 、driver 、bus 等数据结构在不同版本都有差异，但是基于设备驱动模型编程的结构基本还是统一的。

Linux 设备驱动模型是Linux 驱动编程的高级内容，这一节只对device 、driver 等这些基本概念作介绍，便于阅读和理解内核中的代码。

实际上，具体驱动也不会孤立的使用这些概念，这些概念都融合在更高层的驱动子系统中。

对于大多数读者可以忽略这一节内容。

1.1.1 设备
在Linux 设备驱动模型中，底层用device 结构来描述所管理的设备。

device 结构在文件<linux/device.h>中定义，如程序清单1.1所示。

程序清单1.1 device 数据结构定义
struct device {
struct device *parent; /* 父设备
*/ struct device_private *p; /* 设备的私有数据 */ struct kobject
kobj; /* 设备的kobject 对象 */ const char *init_name; /*设备的初始名字 */ struct device_type *type;
/* 设备类型
*/ struct mutex mutex; /*同步驱动的互斥信号量 */ struct bus_type *bus; /*设备所在的总线类型 */ struct device_driver *driver; /*管理该设备的驱动程序
*/ void
*platform_data;
/*平台相关的数据 */ struct dev_pm_info
power;
/* 电源管理
*/
#ifdef CONFIG_NUMA int numa_node; /*设备接近的非一致性存储结构
*/ #endif
u64 *dma_mask; /* DMA 掩码
*/ u64 coherent_dma_mask; /*设备一致性的DMA 掩码
*/
struct device_dma_parameters *dma_parms; /* DMA 参数
*/ struct list_head
dma_pools; /* DMA 缓冲池
*/ struct dma_coherent_mem
*dma_mem; /* DMA 一致性内存 */ /*体系结构相关的附加项*/ struct dev_archdata archdata;
/* 体系结构相关的数据
*/ #ifdef CONFIG_OF
struct device_node
*of_node;
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注册和注销device 的函数分别是device_register()和device_unregister()，函数原型如下：
int __must_check device_register(struct device *dev); void device_unregister(struct device *dev);
大多数不会在驱动中单独使用device 结构，而是将device 结构嵌入到更高层的描述结构中。

例如，内核中用spi_device 来描述SPI 设备，spi_device 结构在<linux/spi/spi.h>文件中定义，是一个嵌入了device 结构的更高层的结构体，如程序清单1.2所示。

程序清单1.2 spi_device 数据结构
struct spi_device {
struct device dev;
/* device 数据结构
*/
struct spi_master *master; u32 max_speed_hz; u8 chip_select; u8 mode; u8 bits_per_word; int irq;
void *controller_state; void *controller_data; char modalias[SPI_NAME_SIZE];
};
系统提供了device_create()函数用于在sysfs/classs 中创建dev 文件，以供用户空间使用。

device_create()函数定义如下：
struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);
说明：
● cls 是指向将要被注册的class 结构； ● parent 是设备的父指针； ● devt 是设备的设备编号；
● drvdata 是被添加到设备回调的数据； ● fmt 是设备的名字。

与device_create()函数相反的是device_destroy()函数，用于销毁sysfs/class 目录中的dev 文件。

device_destroy()函数原型如下：
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1.1.2 驱动
与设备相对应，Linux 设备驱动模型中，对管理的驱动也用device_driver 结构来描述，在<linux/device.h>中定义，如程序清单1.3所示。

程序清单1.3 device_driver 结构定义
struct device_driver {
const char *name; /* 驱动的名称
*/ struct bus_type *bus; /* 驱动所在的总线 */ struct module
*owner;
/* 驱动的所属模块
*/ const char *mod_name; /*模块名称（静态编译的时候使用） */ bool suppress_bind_attrs;
/*通过sysfs 禁止bind 或者unbind */ #if defined(CONFIG_OF)
const struct of_device_id *of_match_table; /* 匹配设备的表 */ #endif
int (*probe) (struct device *dev);
/* probe 探测方法 */ int (*remove) (struct device *dev); /* remove 方法 */ void (*shutdown) (struct device *dev); /* shutdown 方法 */ int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);
/* suspend 方法 */ int (*resume) (struct device *dev);
/* resume 方法
*/
const struct attribute_group **groups; const struct dev_pm_ops *pm; /* 电源管理 */ struct driver_private *p;
/* 驱动的私有数据
*/
};
系统提供了driver_register()和driver_ungister()分别用于注册和注销device_driver ，函数原型分别如下：
int __must_check driver_register(struct device_driver *drv); void driver_unregister(struct device_driver *drv);
与device 结构类似，在驱动中一般也不会单独使用device_driver 结构，通常也是嵌入在更高层的描述结构中。

还是以SPI 为例，SPI 设备的驱动结构为spi_driver ，在<linux/spi/spi.h>文件中定义，是一个内嵌了device_driver 结构的更高层的结构体，原型如程序清单1.4所示。

程序清单1.4 spi_driver 数据结构
struct spi_driver {
const struct spi_device_id *id_table;
int (*probe)(struct spi_device *spi); int
(*remove)(struct spi_device *spi);
void (*shutdown)(struct spi_device *spi);
int (*suspend)(struct spi_device *spi, pm_message_t mesg); int (*resume)(struct spi_device *spi);
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1.1.3 总线
在设备驱动模型中，所有的设备都通过总线相连，总线既可以是实际的物理总线，也可以是内核虚拟的platform 总线。

驱动也挂在总线上，总线是设备和驱动之间的媒介，为它们提供服务。

当设备插入系统，总线将在所注册的驱动中寻找匹配的驱动，当驱动插入系统中，总线也会在所注册的设备中寻找匹配的设备。

在Linux 设备驱动模型中，总线用bus_type 结构来描述。

bus_type 结构在<linux/device.h>中定义，如程序清单1.5所示。

程序清单1.5 bus_type 结构定义
struct bus_type {
const char *name;
/* 总线名称 */ struct bus_attribute *bus_attrs; /* 总线属性 */ struct device_attribute *dev_attrs; /* 设备属性 */ struct driver_attribute *drv_attrs;
/* 驱动属性
*/
int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv); /* match 方法：匹配设备和驱动 */
int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env); /* uevent 方法，支持热插拔
*/ int (*probe)(struct device *dev);
/* probe 方法
*/ int (*remove)(struct device *dev); /* remove 方法 */ void (*shutdown)(struct device *dev); /* shutdown 方法 * int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
/* suspend 方法 */ int (*resume)(struct device *dev); /* resume 方法
*/
const struct dev_pm_ops *pm; /* 电源管理
*/ struct bus_type_private *p;
/* 总线的私有数据结构
*/
};
说明一下bus 总线的match 方法。

当往总线添加一个新设备或者新驱动的时候，match 方法会被调用，为设备或者驱动寻找匹配的驱动程序或者设备。

注册和注销bus 总线的函数分别是bus_register()和bus_unregister()，函数原型分别如下：
int __must_check bus_register(struct bus_type *bus); void bus_unregister(struct bus_type *bus);
一般情况下，无需用户再往系统注册一个总线，因为目前Linux 的设备驱动模型已经比较完善，几乎任何设备都可以套用既有的总线。

1.1.4 类
类是Linux 设备驱动模型中的一个高层抽象，为用户空间提供设备的高层视图。

如在驱动中SCSI 磁盘和ATA 磁盘，它们是不同的设备，但是从类的角度来看，它们都是磁盘，在用户用户空间无需关心底层设备和驱动的具体实现。

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在sysfs 中，类一般都放在/sys/class/目录下，例外的是块设备放在/sys/block 目录下。

在类子系统中，可以向用户空间导出信息，用户空间可以通过这些信息与内核交互。

最典型就是已经接触过的udev ，udev 是用户空间的程序，根据/sys/class 目录下的dev 文件来创建设备节点。

在Linux 设备驱动模型中，类用class 结构来描述，在<linux/device.h>中定义，如程序清单1.6所示。

程序清单1.6 class 结构定义
struct class {
const char *name; /* 类的名称 */ struct module
*owner;
/* 类的所属模块
*/ struct class_attribute *class_attrs; /* 类的属性 */ struct device_attribute *dev_attrs;
/* 设备属性
*/ struct kobject *dev_kobj;
/* 类的kobject 对象
*/
int (*dev_uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env); char *(*devnode)(struct device *dev, mode_t *mode); void (*class_release)(struct class *class); void (*dev_release)(struct device *dev);
int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state); int (*resume)(struct device *dev);
const struct kobj_ns_type_operations *ns_type; const void *(*namespace)(struct device *dev); const struct dev_pm_ops *pm; struct class_private *p; };
注册或者注销一个类的函数分别是class_register()和class_unregister()，函数原型分别如下：
int __must_check __class_register(struct class *class,struct lock_class_key *key); #define class_register(class) \ ({ \ static struct lock_class_key __key; \
__class_register(class, &__key); \
})
void class_unregister(struct class *class);
调用class_create()可以在sysfs/class 目录下创建自定义的类，调用class_destroy()函数则以销毁自定义类，函数原型分别如下：
extern struct class * __must_check __class_create(struct module *owner, const char *name,
struct lock_class_key *key); #define class_create(owner, name) \
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