【Linux】总线-设备-驱动模型

背景

前面，我们介绍了写驱动代码的一些常规步骤，并且也写了最基本的驱动代码，但是那些代码存在着问题，我们将硬件的信息都写进了驱动里了，如果我们在杂项设备驱动中控制led，那么会在硬件操作接口中包含硬件信息，如果引脚有变化，这个驱动代码就得重新修改，虽然修改也很简单，但是从框架的角度来看，这是不合理的，相当于驱动代码写死了。

于是，Linux引入了设备驱动模型分层的概念，将我们编写的驱动代码分为两块：设备和驱动。设备负责提供硬件资源，驱动代码负责去使用这些设备提供的硬件资源。并由总线将他们联系起来。

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。

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。

重要目录

/sys/bus目录下的每个子目录都是注册好了的总线类型，每个总线类型下包含两个子目录（/sys/bus/devices和sys/bus/drivers）。其中/sys/bus/devices下是该总线下的所有设备，而这些设备都是符号链接，他们分别指向真正的设备（/sys/devices目录下）。sys/bus/drivers目录下是所有注册在这个总线上的驱动，每个子目录下是一些可以观察和修改的driver参数。

/sys/devices目录下是全局设备结构体系，包含所有被发现的注册在各种总线上的各种物理设备。

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

/sys/class目录下则是包含所有注册在kernel里面的设备类型，这是按照设备功能分类的设备模型。
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框架原理

总线管理着两个链表：设备链表和驱动链表。
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或驱动进行匹配。
匹配成功后，会调用驱动device_driver结构体中的probe方法。通常在probe方法中获取设备资源，具体的功能可自定义。
移除设备或驱动时，会调用device_driver结构体中remove方法。

设备驱动模型

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。

在这里插入图片描述

bus_type结构体(内核源码/include/linux/device.h)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；
drv_groups、dev_groups、bus_groups :分别表示驱动、设备以及总线的属性。这些属性可以是内部变量、字符串等等。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/存放了设备的默认属性；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。该回调函数主要负责判断是否有注册了的驱动适合新的设备，或者新的驱动能否驱动总线上已注册但没有驱动匹配的设备；
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。
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，内核中提供了bus_register函数来注册总线，以及bus_unregister函数来注销总线。

注册/注销总线API(内核源码/drivers/base/bus.c)int bus_register(struct bus_type *bus);
void bus_unregister(struct bus_type *bus);

设备

device结构体(内核源码/include/linux/device.h)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;
........
};

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 :一个指针，用于保存具体的平台相关的数据。具体的driver模块，可以将一些私有的数据，暂存在这里，需要使用的时候，再拿出来，因此设备模型并不关心该指针得实际含义。
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；
*p:是私有数据结构指针，该指针中会保存子设备链表、用于添加到bus/driver/prent等设备中的链表头等等。

内核也提供相关的API来注册和注销设备int device_register(struct device *dev);
void device_unregister(struct device *dev);

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。

驱动

device_driver结构体(内核源码/include/linux/device.h)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;};

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。
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；

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//drivers目录

device_driver结构体(内核源码/include/linux/device.h)int driver_register(struct device_driver *drv);
void driver_unregister(struct device_driver *drv);