Linux驱动的分离与分层

驱动的分隔与分离

驱动的分层

platform平台驱动模型简介

platform总线

platform驱动

platform设备

platform设备程序编写

platform驱动程序编写

测试APP编写

运行测试

Linux驱动的分离与分层

像I2C、SPI、LCD 等这些复杂外设的驱动就不能这么去写了,Linux系统要考虑到驱动的可重用性,因此提出了驱动的分离与分层这样的软件思路,在这个思路下诞生了我们将来最常打交道的platform设备驱动,也叫做平台设备驱动。

驱动的分隔与分离

对于Linux这样一个成熟、庞大、复杂的操作系统,代码的重用性非常重要,否则的话就会在Linux内核中存在大量无意义的重复代码。尤其是驱动程序,因为驱动程序占用了Linux内核代码量的大头,如果不对驱动程序加以管理,任由重复的代码肆意增加,那么用不了多久Linux 内核的文件数量就庞大到无法接受的地步。假如现在有三个平台A、B和C,这三个平台(这里的平台说的是SOC)上都有MPU6050这个 I2C 接口的六轴传感器,按照写裸机I2C驱动的时候的思路,每个平台都有一个MPU6050的驱动,因此编写出来的最简单的驱动框架如图所示:

从图可以看出,每种平台下都有一个主机驱动和设备驱动,主机驱动肯定是必须要的,毕竟不同的平台其I2C控制器不同。但是右侧的设备驱动就没必要每个平台都写一个,因为不管对于那个SOC来说, MPU6050都是一样,通过I2C接口读写数据就行了,只需要一个MPU6050的驱动程序即可。如果再来几个I2C设备,比如AT24C02、FT5206(电容触摸屏)等,如果按照图中的写法,那么设备端的驱动将会重复的编写好几次。显然在Linux驱动程序中这种写法是不推荐的,最好的做法就是每个平台的I2C控制器都提供一个统一的接口(也叫做主机驱动),每个设备的话也只提供一个驱动程序(设备驱动),每个设备通过统一的12C接口驱动来访问,这样就可以大大简化驱动文件,比如中三种平台下的MPU6050驱动框架就可以简化为图所示:

实际的I2C驱动设备肯定有很多种,不止MPU6050这一个,那么实际的驱动架构如图所示:

这个就是驱动的分隔,也就是将主机驱动和设备驱动分隔开来,比如I2C、SPI 等等都会采用驱动分隔的方式来简化驱动的开发。在实际的驱动开发中,一般12C主机控制器驱动已经由半导体厂家编写好了,而设备驱动一般也由设备器件的厂家编写好了,我们只需要提供设备信息即可,比如12C设备的话提供设备连接到了哪个12C接口上, I2C的速度是多少等等。相当于将设备信息从设备驱动中剥离开来,驱动使用标准方法去获取到设备信息(比如从设备树中获取到设备信息),然后根据获取到的设备信息来初始化设备。这样就相当于驱动只负责驱动,设备只负责设备,想办法将两者进行匹配即可。这个就是Linux中的总线(bus)、驱动(driver)和设备(device)模型,也就是常说的驱动分离。总线就是驱动和设备信息的月老,负责给两者牵线搭桥,如图所示:

当我们向系统注册一个驱动的时候,总线就会在右侧的设备中查找,看看有没有与之匹配的设备,如果有的话就将两者联系起来。同样的,当向系统中注册一个设备的时候,总线就会在左侧的驱动中查找看有没有与之匹配的设备,有的话也联系起来。Linux内核中大量的驱动程序都采用总线、驱动和设备模式一会要重点讲解的platform驱动就是这一思想下的产物。

驱动的分层

大家应该听说过网络的7层模型,不同的层负责不同的内容。同样的, Linux下的驱动往往也是分层的,分层的目的也是为了在不同的层处理不同的内容。以其他书籍或者资料常常使用到的input为例,简单介绍一下驱动的分层。input子系统负责管理所有跟输入有关的驱动,包括键盘、鼠标、触摸等,最底层的就是设备原始驱动,负责获取输入设备的原始值,获取到的输入事件上报给input核心层。input核心层会处理各种IO模型,并且提供file_operations操作集合。在编写输入设备驱动的时候只需要处理好输入事件的上报即可,至于如何处理这些上报的输入事件那是上层去考虑的,我们不用管。可以看出借助分层模型可以极大的简化我们的驱动编写,对于驱动编写来说非常的友好。

platform平台驱动模型简介

前面我们讲了设备驱动的分离,并且引出了总线(bus)、驱动(driver)和设备(device)模型,比如 I2C、SPI、USB等总线。但是在SOC中有些外设是没有总线这个概念的,但是又要使用总线、驱动和设备模型该怎么办呢?为了解决此问题,Linux提出了platform这个虚拟总线,相应的就有platform_driver和platform_device。

platform总线

Linux系统内核使用bus_type结构体表示总线,此结构体定义在文件

include/linux/device.h,bus_type结构体内容如下:

第10行, match函数,此函数很重要,单词match的意思就是“匹配、相配”,因此此函数就是完成设备和驱动之间匹配的,总线就是使用match函数来根据注册的设备来查找对应的驱动,或者根据注册的驱动来查找相应的设备,因此每一条总线都必须实现此函数。match函数有两个参数: dev和drv,这两个参数分别为device和device_driver类型,也就是设备和驱动。

platform总线是 bus_type的一个具体实例，定义在文件 drivers/base/platform.c, platform总线定义如下:

platform_bus_type就是platform平台总线,其中platform_match就是匹配函数。来看一下驱动和设备是如何匹配的,platform_match函数定义在文件drivers/base/platform.c中,函数内容如下所示:

驱动和设备的匹配有四种方法,依次来看一下:

第11~12行,第一种匹配方式,OF类型的匹配,也就是设备树采用的匹配方式,of_driver_match_device函数定义在文件include/linux/of_device.h中。device_driver结构体(表示设备驱动)中有个名为of_match_table的成员变量,此成员变量保存着驱动的compatible匹配表,设备树中的每个设备节点的compatible属性会和of_match_table表中的所有成员比较,查看是否有相同的条目,如果有的话就表示设备和此驱动匹配,设备和驱动匹配成功以后probe函数就会执行。

第15~16行,第二种匹配方式,ACPI匹配方式。

第19-20行,第三种匹配方式,id_table匹配,每个platform_driver结构体有一个id_table成员变量,顾名思义,保存了很多id信息。这些id信息存放着这个platformd驱动所支持的驱动类型。

第23行,第四种匹配方式,如果第三种匹配方式的id_table不存在的话就直接比较驱动和设备的name字段,看看是不是相等,如果相等的话就匹配成功。

对于支持设备树的Linux版本号,一般设备驱动为了兼容性都支持设备树和无设备树两种匹配方式。也就是第一种匹配方式一般都会存在,第三种和第四种只要存在一种就可以,一般用的最多的还是第四种,也就是直接比较驱动和设备的name字段,毕竟这种方式最简单了。

platform驱动

platform_driver结构体表示platform驱动,此结构体定义在文件

include/linux/platform_device.h中,内容如下:

第2行,probe 函数,当驱动与设备匹配成功以后probe函数就会执行,非常重要的函数！！一般驱动的提供者会编写,如果自己要编写一个全新的驱动,那么probe就需要自行实现。

第7行, driver成员,为device_driver结构体变量, Linux内核里面大量使用到了面向对象的思维,device_driver相当于基类,提供了最基础的驱动框架。plaform_driver继承了这个基类,然后在此基础上又添加了一些特有的成员变量。

第8行,id_table表,也就是platform总线匹配驱动和设备的时候采用的第三种方法, id_table是个表(也就是数组),每个元素的类型为platform_device_id,platform device id结构体内容如下:

device_driver结构体定义在include/linux/device.h,device_driver结构体内容如下:

第10行, of_match_table就是采用设备树的时候驱动使用的匹配表,同样是数组,每个匹配项都为of_deviceid结构体类型,此结构体定义在文件include/linux/mod-devicetable.h中,内容如下:

第4行的compatible非常重要,因为对于设备树而言,就是通过设备节点的compatible属性值和of_match_table中每个项目的compatible成员变量进行比较,如果有相等的就表示设备和此驱动匹配成功。

在编写platform驱动的时候,首先定义一个platform_driver结构体变量,然后实现结构体中的各个成员变量,重点是实现匹配方法以及probe函数。当驱动和设备匹配成功以后probe函数就会执行,具体的驱动程序在probe函数里面编写,比如字符设备驱动等等。

当我们定义并初始化好platform_driver结构体变量以后,需要在驱动入口函数里面调用platform_driver_register函数向Linux内核注册一个platform驱动,platform_driver_register 函数原型如下所示:

driver:要注册的platform驱动。

返回值:负数,失败; 0,成功。

还需要在驱动卸载函数中通过platform_driver_unregister函数卸载platform驱动,platform_driver_unregister函数原型如下:

drv:要卸载的platform驱动。

返回值:无。

platform驱动框架如下所示:

第1-27行,传统的字符设备驱动,所谓的platform驱动并不是独立于字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动之外的其他种类的驱动。platform只是为了驱动的分离与分层而提出来的一种框架,其驱动的具体实现还是需要字符设备驱动、块设备驱动或网络设备驱动。

第33~39行,xxx_probe函数,当驱动和设备匹配成功以后此函数就会执行,以前在驱动入口 init函数里面编写的字符设备驱动程序就全部放到此probe函数里面。比如注册字符设备驱动、添加cdev、创建类等等。

第41~47行,xxx_remove函数,platform_driver结构体中的remove成员变量,当关闭platform设备驱动的时候此函数就会执行,以前在驱动卸载exit函数里面要做的事情就放到此函数中来。比如,使用iounmap释放内存、删除cdev,注销设备号等等。

第50-53行,xxx_of_match匹配表,如果使用设备树的话将通过此匹配表进行驱动和设备的匹配。

第51行设置了一个匹配项,此匹配项的compatible值为“xxx-gpio”,因此当设备树中设备节点的compatible属性值为“xxx-gpio”的时候此设备就会与此驱动匹配。

第52行是一个标记,of_device_id表最后一个匹配项必须是空的。

第58~65行,定义一个platform_driver结构体变量xxx_driver,表示platform驱动。

第59-62行设置paltform_driver中的device_driver成员变量的name和of_match_table这两个属性。其中name属性用于传统的驱动与设备匹配,也就是检查驱动和设备的name字段是不是相同。of_match_table属性就是用于设备树下的驱动与设备检查。对于一个完整的驱动程序,必须提供有设备树和无设备树两种匹配方法。最后63和64这两行设置probe和remove这两成员变量。

第68-71行,驱动入口函数,调用platform_driver_register函数向Linux内核注册一个platform驱动,也就是上面定义的xxx_driver结构体变量。

第74-77行,驱动出口函数,调用platform_driver_unregister函数卸载前面注册的platform驱动。

总体来说, platform驱动还是传统的字符设备驱动、块设备驱动或网络设备驱动,只是套上了一张“platform”的皮,目的是为了使用总线、驱动和设备这个驱动模型来实现驱动的分离与分层。

platform设备

platform驱动已经准备好了,还需要platform设备,否则的话单单一个驱动也做不了什么。platform_device这个结构体表示platform设备,这里要注意,如果内核支持设备树的话就不要再使用platform_device来描述设备了,因为改用设备树去描述了。当然了,如果一定要用 platform_device来描述设备信息的话也是可以的。platform_device结构体定义在文件include/linux/platform_device.h中,结构体内容如下:

第23行,name表示设备名字,要和所使用的platform驱动的name字段相同,否则的话设备就无法匹配到对应的驱动。比如对应的platform驱动的name字段为"xxx-gpio",那么此name字段也要设置为“xxx-gpio”。

第27行,num_resources表示资源数量,一般为第28行resource资源的大小。

第28行,resource表示资源,也就是设备信息,比如外设寄存器等。Linux内核使用resource结构体表示资源,resource 结构体内容如下:

start和end分别表示资源的起始和终止信息,对于内存类的资源,就表示内存起始和终止地址, name表示资源名字, flags表示资源类型,可选的资源类型都定义在了文件include/linux/ioport.h里面,如下所示:

在以前不支持设备树的Linux版本中,用户需要编写platform_device变量来描述设备信息,然后使用platform_device_register函数将设备信息注册到Linux内核中,此函数原型如下所示:

pdev:要注册的platform设备。

返回值:负数,失败; 0,成功。

如果不再使用platform的话可以通过platform_device_unregister函数注销掉相应的platform设备,platform_device_unregister函数原型如下:

pdev:要注销的platform设备。

返回值:无。

platform设备信息框架如下所示:

第7~18行,数组 xxx_resources表示设备资源,一共有两个资源,分别为设备外设1和外设2 的寄存器信息。因此flags都为IORESOURCE_MEM,表示资源为内存类型的。

第21-26行, platform设备结构体变量,注意name字段要和所使用的驱动中的name字段一致,否则驱动和设备无法匹配成功。num_resources表示资源大小,其实就是数组 xxx_resources的元素数量,这里用 ARRAY_SIZE 来测量一个数组的元素个数。

第29-32行,设备模块加载函数,在此函数中调用platform_device_register向Linux内核注册platform设备。

第35~38行,设备模块卸载函数,在此函数中调用platform_device_unregister从Linux内核中卸载platform设备。

示例代码主要是在不支持设备树的Linux版本中使用的,当Linux内核支持了设备树以后就不需要用户手动去注册platform设备了。因为设备信息都放到了设备树中去描述,Linux内核启动的时候会从设备树中读取设备信息,然后将其组织成platform_device形式,至于设备树到 platform_device的具体过程就不去详细的追究了,感兴趣的可以去看一下,网上也有很多博客详细的讲解了整个过程。

platform设备程序编写

第56~82行,led_resources数组,也就是设备资源,描述了LED所要使用到的寄存器信息,也就是IORESOURCE_MEM资源。

第88-96, platform设备结构体变量leddevice,这里要注意name字段为“imx6ul-led”,所以稍后编写platform驱动中的name字段也要为“imx6ul-led”,否则设备和驱动匹配失败。

第103~106行,设备模块加载函数,在此函数里面通过platform_device_register向Linux内核注册leddevice这个platform设备。

第113-116行,设备模块卸载函数,在此函数里面通过 platform_device_unregister从Linux内核中删除掉leddevice这个platform设备。

platform驱动程序编写

第34-122行,传统的字符设备驱动。

第130-206行,probe函数,当设备和驱动匹配以后此函数就会执行,当匹配成功以后会在终端上输出"led driver and device has matched!"这样语句。在probe函数里面初始化LED、注册字符设备驱动。也就是将原来在驱动加载函数里面做的工作全部放到probe函数里面完成。

第213~226行,remobe 函数,当卸载platform驱动的时候此函数就会执行。在此函数里面释放内存、注销字符设备等。也就是将原来驱动卸载函数里面的工作全部都放到remove函数中完成。

第229-235行,platform_driver驱动结构体,注意name字段为"imx6ul-led",和我们在leddevice.c文件里面设置的设备name字段一致。

测试APP编写

运行测试

根文件系统中/sys/bus/platform/目录下保存着当前板子platform总线下的设备和驱动,其中devices子目录为platform设备, drivers子目录为plartofim驱动。查看/sys/bus/platform/devices/目录,看看我们的设备是否存在,在leddevice.c中设置 leddevice(platform_device类型)name字段为"imx6ul-led",也就是设备名字为 imx6ul-led,因此肯定在/sys/bus/platform/devices/目录下存在一个名字“imx6ul-led”的文件,否则说明设备模块加载失败,结果如图:

同理,查看/sys/bus/platform/drivers/目录,看一下驱动是否存在,在leddriver.c中设置led_driver(platform_driver类型)的name字段为“imx6ul-led”,因此会在/sys/bus/platform/drivers/目录下存在名为“imx6ul-led”这个文件,结果如图所示: