Linux驱动基础04-总线设备驱动模型

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一、Linux 的设备模型

分离硬件和驱动 → 设备驱动模型分层概念

编写的驱动代码分成了两块：设备与驱动。设备负责提供硬件资源而驱动负责使用设备提供的硬件资源。并由总线将它们联系起来。这样子就构成下图中的关系。

设备模型通过几个数据结构来反映当前系统中总线、设备以及驱动的工作状况：

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该设备的操作方式；

总线（bus) ：负责管理挂载对应总线的设备以及驱动；

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；

sys文件目录讲解

根文件系统中有个/sys文件目录，里面记录各个设备之间的关系。下面介绍/sys下几个较为重要目录的作用。

其中

/sys/bus总线类型集合，每个总线类型下有devices和drivers文件夹

devices 该总线下面所有设备，这些设备是符号链接，真正指向的是/sys/devices下面设备。
drivers 所有注册在这个总线上的驱动，每个driver子目录下是一些可以观察和修改的driver参数。

/sys/devices 注册在各种总线上，已被系统发现的物理设备。按照总线拓扑结构分类。

/sys/class注册在kernel上设备类型，按照设备功能分类。

拓扑图分析

通过下面拓扑图，记录着设备与设备之间关系。

由上图，usb总线下需要编写drivers和devices，drivers提供usb-hid人机交互设备驱动，devices真实链接的是Devices下usb2。

Devices下面是根据总线类型分布，是系统已经发现的物理设备。

class 下面比如鼠标，根据输入设备分类，在Devices找到对应总线下对应物理设备，和drivers下HID驱动连接起来。

“总线-设备-驱动”机制

在总线上管理着两个链表，分别管理着设备和驱动，当我们向系统注册一个驱动时，便会向驱动的管理链表插入我们的新驱动，同样当我们向系统注册一个设备时，便会向设备的管理链表插入我们的新设备。

在插入的同时总线会执行一个bus_type结构体中match的方法对新插入的设备/驱动进行匹配。 (它们之间最简单的匹配方式则是对比名字，存在名字相同的设备/驱动便成功匹配)。在匹配成功的时候会调用驱动device_driver结构体中probe方法(通常在probe中获取设备资源，具体的功能可由驱动编写人员自定义)，并且在移除设备或驱动时，会调用device_driver结构体中remove方法。

以上只是设备驱动模型的机制，上面的match、probe、remove等方法需要我们来实现需要的功能。接下来进一步了解总线、驱动、设备，具体了解如何使用代码来实现创建总线，并在总线上创建设备及驱动。同时也可以将我们驱动的某个控制变量，导出到用户空间。

二、进一步了解

2.1 总线

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

总线驱动则负责实现总线的各种行为，其管理着两个链表，分别是添加到该总线的设备链表以及注册到该总线的驱动链表。

在内核中使用结构体bus_type来表示总线，如下所示：

name: 指定总线的名称，新注册总线类型，会在/sys/bus目录创建一个新的目录，目录名就是该参数的值；

drv_groups、dev_groups、bus_groups: 分别表示驱动、设备以及总线的属性。驱动属性存放/在sys/bus/<bus-name>/driver/<driver-name>下，设备属性存放在目录/sys/bus/<bus-name>/devices/<driver-name>中；

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。为新设备匹配驱动，或者为新驱动匹配设备；

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（probe 通常是获取资源）。

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_devices和klist_drivers记录了挂载在该总线的设备和驱动；

在实际编写 Linux 驱动模块时，Linux内核已经为我们写好了大部分总线驱动，正常情况下我们一般不会去注册一个新的总线。但我们还是了解一下内核提供过的注册总线和注销总线函数：

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。bus目录中包含了当前系统中已经注册了的所有总线，例如 i2c，spi，platform 等。我们看到每个总线目录都拥有两个子目录devices和drivers，分别记录着挂载在该总线的所有设备以及驱动。

2.2 设备

驱动开发的过程中，我们最关心的莫过于设备以及对应的驱动了。

目录/sys/devices记录了系统中所有设备，实际上在sys目录下所有设备文件最终都会指向该目录对应的设备文件；

目录/sys/dev记录所有的设备节点，但实际上都是些链接文件，同样指向了devices目录下的文件。

在内核使用device结构体来描述我们的物理设备，如下所示：

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，前面提到过，旧版本的设备之间没有任何关联，引入Linux设备模型之后，设备之间呈树状结构，便于管理各种设备；

bus: 表示该设备依赖于哪个总线，当我们注册设备时，内核便会将该设备注册（添加链表）到对应的总线；

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: 同上，驱动层可通过dev_set/get_drvdata函数来获取该成员；

class: 指向了该设备对应类，开篇我们提到的触摸，鼠标以及键盘等设备，对于计算机而言，他们都具有相同的功能，都归属于输入设备。我们可以在/sys/class目录下对应的类找到该设备，如input、leds、pwm等目录；

dev: dev_t类型变量，字符设备章节提及过，它是用于标识设备的设备号，该变量主要用于向/sys目录中导出对应的设备；

release: 回调函数，当设备被注销时，会调用该函数。如果我们没定义该函数时，移除设备时，会提示“Device ‘xxxx’ does not have a release() function, it is broken and must be fixed”的错误；

group: 指向struct attribute_group类型的指针，指定该设备的属性。

内核也提供相关的API来注册和注销设备，如下所示：

在讲解总线的时候，我们说过，当成功注册总线时，会在/sys/bus目录下创建对应总线的目录，该目录下有两个子目录，分别是drivers和devices，我们使用device_register注册的设备从属于某个总线时，该总线的devices目录下便会存在该设备文件。

2.3 驱动

设备能否正常工作，取决于驱动。驱动需要告诉内核，自己可以驱动哪些设备，如何初始化设备。在内核中，使用device_driver结构体来描述我们的驱动，如下所示：

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: 表示该驱动依赖于哪个总线，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 bind 与 unbind 文件，bind 与unbind 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。

probe: 当匹配驱动以及设备后，会执行该回调函数（总线中回调函数实际上会调用该处的），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。

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；

group: 指向struct attribute_group类型的指针，指定该驱动的属性；

内核提供了driver_register函数以及driver_unregister函数来注册/注销驱动，成功注册的驱动会记录在/sys/bus/<bus>/drivers目录，函数原型如下所示：

小结

到为止简单地介绍了总线、设备、驱动的数据结构以及注册/注销接口函数。下图是总线关联上设备与驱动之后的数据结构关系图

大致注册流程如下：

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。

三、属性文件

bus_type、device、device_driver 结构体中都包含了一种数据类型struct attribute_group，如下所示，它是多个attribute文件集合，利用其进行初始化，可以提高注册attribute效率。注册的attribute用于描述在/sys 目录下生成文件（文件名和文件权限）。

3.1 设备属性文件

DEVICE_ATTR宏 定义用于定义一个device_attribute类型的变量（带dev_attr_前缀）。四个参数_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cat和echo命令
参数_mode的值，可以使用S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR等宏定义

device_create_file 函数用于创建文件

device结构体，在总线的devices子目录创建一个属于该设备的目录
device_attribute类型变量

device_remove_file 函数用于删除文件

3.2 驱动属性文件

驱动属性文件，和设备属性文件的作用是一样，唯一的区别在于函数参数的不同，函数接口如下：

DRIVER_ATTR_RW、DRIVER_ATTR_RO 以及 DRIVER_ATTR_WO 宏定义用于定义一个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。而且你会发现，DRIVER_ATTR类型的宏定义没有参数来设置show和store回调函数，那如何设置这两个参数呢？在写驱动代码时，只需要你提供xxx_store以及xxx_show这两个函数，并确保两个函数的xxx和DRIVER_ATTR类型的宏定义中名字是一致的即可。