學Linux驅(qū)動：應(yīng)先了解總線驅(qū)動模型

時間：2020-05-19 23:44:23

關(guān)鍵字：總線模型 LINUX驅(qū)動 BSP

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[導讀][導讀] Linux設(shè)備林林總總，嵌入式開發(fā)一個繞不開的話題就是設(shè)備驅(qū)動開發(fā)，在做具體設(shè)備驅(qū)動開發(fā)之前，有必要對Linux設(shè)驅(qū)動模型有一個相對清晰的認識，將會幫助驅(qū)動開發(fā)，明白具體驅(qū)動接口操作符相應(yīng)都做些什么。個人對于驅(qū)動模型的理解概括起來就是一句話：

[導讀] Linux設(shè)備林林總總，嵌入式開發(fā)一個繞不開的話題就是設(shè)備驅(qū)動開發(fā)，在做具體設(shè)備驅(qū)動開發(fā)之前，有必要對Linux設(shè)驅(qū)動模型有一個相對清晰的認識，將會幫助驅(qū)動開發(fā)，明白具體驅(qū)動接口操作符相應(yīng)都做些什么。

個人對于驅(qū)動模型的理解概括起來就是一句話：利用面向?qū)ο缶幊趟枷耄瑢崿F(xiàn)設(shè)備分層管理軟件體系結(jié)構(gòu)。

注：代碼分析基于linux-5.4.31

為啥要驅(qū)動模型

隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化越來越復雜，Linux內(nèi)核對設(shè)備描述衍生出一般性的抽象描述，形成一個分層體系結(jié)構(gòu)，從而引入了設(shè)備驅(qū)動模型。這樣描述還是不夠讓人理解，來看一下這些需求就好理解些：

Linux內(nèi)核可以在各種體系結(jié)構(gòu)和硬件平臺上運行，因此需要最大限度地提高代碼在平臺之間的可重用性。
分層實現(xiàn)也實現(xiàn)了軟件工程的高內(nèi)聚-低耦合的設(shè)計思想。低耦合體現(xiàn)在對外提供統(tǒng)一的抽象訪問接口，高內(nèi)聚將相關(guān)度緊密的集中抽象實現(xiàn)。
Linux內(nèi)核驅(qū)動程序模型是先前在內(nèi)核中使用的所有不同驅(qū)動程序模型的統(tǒng)一。它旨在通過將一組數(shù)據(jù)和操作整合到全局可訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，來擴展基于基礎(chǔ)總線來橋接設(shè)備驅(qū)動程序。

傳統(tǒng)的驅(qū)動模型為它們所控制的設(shè)備實現(xiàn)了某種類似于樹的結(jié)構(gòu)(有時只是一個列表)。不同類型的總線之間沒有任何一致性。

驅(qū)動模型抽象了啥

當前驅(qū)動程序模型為描述總線和總線下可能出現(xiàn)的設(shè)備提供了一個通用的、統(tǒng)一的模型。統(tǒng)一總線模型包括一組所有總線都具有的公共屬性和一組公共回調(diào)，如總線探測期間的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、總線關(guān)閉、總線電源管理等。

通用的設(shè)備和橋接接口反映了現(xiàn)代計算機的目標：即執(zhí)行無縫設(shè)備“即插即用”，電源管理和熱插拔的能力。特別是，英特爾和微軟規(guī)定的模型（即ACPI）可確保與x86兼容的系統(tǒng)上幾乎任何總線上的幾乎所有設(shè)備都可以在此范式下工作。當然，雖然大多數(shù)總線都支持其中大多數(shù)操作，但并不是每條總線都能夠支持所有此類操作。

那么哪些通用需求被抽象出來了呢？

電源系統(tǒng)和系統(tǒng)關(guān)機，對于電源管理與系統(tǒng)關(guān)機對于設(shè)備相關(guān)的操作進行抽象實現(xiàn)。關(guān)機為什么要被抽象出來管理，比如設(shè)備操作正在進行此時系統(tǒng)收到關(guān)機指令，那么在設(shè)備模型層就會遍歷系統(tǒng)設(shè)備硬件，確保系統(tǒng)正確關(guān)機。
用戶空間訪問：sysfs虛擬文件系統(tǒng)實現(xiàn)與設(shè)備模型對外的訪問抽象，這也是為什么說Linux 設(shè)備也是文件的由來。實際從軟件架構(gòu)層面看，這其實是一個軟件橋接模塊，抽象出統(tǒng)一用戶訪問接口，橋接了設(shè)備驅(qū)動。
熱插拔管理：熱插拔管理機制定義統(tǒng)一的抽象接口操作符kset_hotplug_ops，不同設(shè)備利用操作符實現(xiàn)差異化。
設(shè)備類型：設(shè)備分類機制，從高層級抽象描述設(shè)備類型，具體可以在sysfs下面體現(xiàn)。

用戶空間訪問

由于具有系統(tǒng)中所有設(shè)備的完整分層視圖，因此將完整的分層視圖導出到用戶空間變得相對容易。這是通過實現(xiàn)名為sysfs虛擬文件系統(tǒng)來完成的。

sysfs的自動掛載通常是通過/etc/fstab文件中的以下條目來完成的：

none   /sys	sysfs  defaults	 0 0

對于Debian系統(tǒng)而言，可能在/lib/init/fstab采用下面的形式掛載：

none  /sys    sysfs    nodev,noexec,nosuid    0 0

當然也可以采用手動方式掛載：

# mount -t sysfs sysfs /sys

當將設(shè)備插入樹中時，都會為其創(chuàng)建一個目錄。該目錄可以填充在發(fā)現(xiàn)的每個層（全局層，總線層或設(shè)備層）中。

全局層當前創(chuàng)建兩個文件-'name'和'power'。前者報告設(shè)備名稱。后者報告設(shè)備的當前電源狀態(tài)。它還將用于設(shè)置當前電源狀態(tài)。

總線層為探測總線時發(fā)現(xiàn)的設(shè)備創(chuàng)建文件。例如，PCI層當前為每個PCI設(shè)備創(chuàng)建“ irq”和“resource”文件。

特定于設(shè)備的驅(qū)動程序也可以在其目錄中導出文件，以暴露特定于設(shè)備的數(shù)據(jù)或可用接口。

驅(qū)動模型實現(xiàn)

先來梳理一下內(nèi)部幾個主要與驅(qū)動模型相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

./include/linux/Device.h 定義設(shè)備驅(qū)動主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

bus_type：抽象描述總線類型，如USB/PCI/I2C/MMC等
device_driver：實現(xiàn)具體連接在總線上的設(shè)備驅(qū)動。
device：描述連接在總線上的設(shè)備

./include/linux/Kobject.h中定義了隱藏在后臺的類似于基類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

kset：可以認為是kobject的頂層容器類。每個kset內(nèi)部都包含了自己的kobject.
kobject：在 sysfs 中出現(xiàn)的每個對象都對應(yīng)一個 kobject, 它和內(nèi)核交互來創(chuàng)建它的可見表述,每一個 kobject 對應(yīng) 文件系統(tǒng) /sys 里的一個目錄，目錄的名字就是結(jié)構(gòu)體中的 name

bus_type

bus_type用以驅(qū)動總線，具體的驅(qū)動USB/I2C/PCI/MMC等：

注冊總線，利用bus_register注冊總線，bus_unregister刪除總線。如下例子，每種總線須定義一個bus_type對象，并利用bus_register注冊總線，或bus_unregister刪除總線。

/*i2c-core-base.c*/
struct bus_type i2c_bus_type = {
 .name  = "i2c",
 .match  = i2c_device_match,
 .probe  = i2c_device_probe,
 .remove  = i2c_device_remove,
 .shutdown = i2c_device_shutdown,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_bus_type);
static int __init i2c_init(void)
{
 int retval;

 retval = of_alias_get_highest_id("i2c");

 down_write(&__i2c_board_lock);
 if (retval >= __i2c_first_dynamic_bus_num)
  __i2c_first_dynamic_bus_num = retval + 1;
 up_write(&__i2c_board_lock);
    /*注冊I2C總線*/
 retval = bus_register(&i2c_bus_type);
 if (retval)
  return retval;

 is_registered = true;

#ifdef CONFIG_I2C_COMPAT
 i2c_adapter_compat_class = class_compat_register("i2c-adapter");
 if (!i2c_adapter_compat_class) {
  retval = -ENOMEM;
  goto bus_err;
 }
#endif
 retval = i2c_add_driver(&dummy_driver);
 if (retval)
  goto class_err;

 if (IS_ENABLED(CONFIG_OF_DYNAMIC))
  WARN_ON(of_reconfig_notifier_register(&i2c_of_notifier));
 if (IS_ENABLED(CONFIG_ACPI))
  WARN_ON(acpi_reconfig_notifier_register(&i2c_acpi_notifier));

 return 0;

class_err:
#ifdef CONFIG_I2C_COMPAT
 class_compat_unregister(i2c_adapter_compat_class);
bus_err:
#endif
 is_registered = false;
    /*錯誤時刪除總線*/
 bus_unregister(&i2c_bus_type);
 return retval;
}

注冊適配器驅(qū)動程序（USB控制器，I2C適配器等），以檢測連接的設(shè)備，并提供與設(shè)備的通信機制
圖中的match函數(shù)接口用于將驅(qū)動程序與設(shè)備進行匹配。match回調(diào)的目的是使總線有機會通過比較驅(qū)動程序支持的設(shè)備ID與特定設(shè)備的設(shè)備ID來確定特定驅(qū)動程序是否支持特定設(shè)備，而不會犧牲特定于總線的功能或類型安全性。當向總線注冊驅(qū)動程序時，將遍歷總線的設(shè)備列表，并為每個沒有與之關(guān)聯(lián)的驅(qū)動程序的設(shè)備調(diào)用match回調(diào)。
提供API函數(shù)以實現(xiàn)適配器驅(qū)動以及設(shè)備驅(qū)動。
同時dev_pm_ops *pm實現(xiàn)對于總線的功耗管理接口抽象。對于特定總線實現(xiàn)這個操作符對應(yīng)的函數(shù)。

struct dev_pm_ops {
 int (*prepare)(struct device *dev);
 void (*complete)(struct device *dev);
 int (*suspend)(struct device *dev);
 int (*resume)(struct device *dev);
 int (*freeze)(struct device *dev);
 int (*thaw)(struct device *dev);
 int (*poweroff)(struct device *dev);
 int (*restore)(struct device *dev);
 int (*suspend_late)(struct device *dev);
 int (*resume_early)(struct device *dev);
 int (*freeze_late)(struct device *dev);
 int (*thaw_early)(struct device *dev);
 int (*poweroff_late)(struct device *dev);
 int (*restore_early)(struct device *dev);
 int (*suspend_noirq)(struct device *dev);
 int (*resume_noirq)(struct device *dev);
 int (*freeze_noirq)(struct device *dev);
 int (*thaw_noirq)(struct device *dev);
 int (*poweroff_noirq)(struct device *dev);
 int (*restore_noirq)(struct device *dev);
 int (*runtime_suspend)(struct device *dev);
 int (*runtime_resume)(struct device *dev);
 int (*runtime_idle)(struct device *dev);
};

iommu_ops 操作符提供總線相關(guān)的IOMMU抽象。
設(shè)備驅(qū)動注冊到總線上時，將在sysfs管理總線/設(shè)備/設(shè)備驅(qū)動的層次關(guān)系，以PCI為例：

/*在總線上注冊的驅(qū)動程序會在總線的驅(qū)動程序目錄中獲得一個目錄*/
/sys/bus/pci/
        |-- devices
        `-- drivers
            |-- Intel ICH
            |-- Intel ICH Joystick
            |-- agpgart
            `-- e100
/*在該類型的總線上發(fā)現(xiàn)的每個設(shè)備都會在總線的設(shè)備目錄中獲得到物理層次結(jié)構(gòu)中該設(shè)備目錄的符號鏈接*/
/sys/bus/pci/
          |-- devices
          |   |-- 00:00.0 -> ../../../root/pci0/00:00.0
          |   |-- 00:01.0 -> ../../../root/pci0/00:01.0
          |   `-- 00:02.0 -> ../../../root/pci0/00:02.0
          `-- drivers

總線屬性：bus_groups/設(shè)備屬性dev_groups/驅(qū)動屬性drv_groups。

device

作用：抽象描述具體的設(shè)備
設(shè)備注冊：發(fā)現(xiàn)設(shè)備的總線驅(qū)動程序使用下面的函數(shù)來向內(nèi)核注冊設(shè)備

int device_register(struct device * dev);

利用device_unregister()從總線上刪除設(shè)備

device_driver

作用：抽象描述連接在總線上的具體設(shè)備的驅(qū)動
驅(qū)動注冊，通過下面的函數(shù)將設(shè)備驅(qū)動程序注冊

int driver_register(struct device_driver *drv);

使用它使用以下命令從驅(qū)動程序目錄中添加和刪除屬性

  int driver_create_file(struct device_driver *, const struct driver_attribute *);
  void driver_remove_file(struct device_driver *, const struct driver_attribute *);

class

作用：抽象設(shè)備的高層視圖，描述的是設(shè)備的集合。抽象了同類型的設(shè)備的底層實現(xiàn)細節(jié)。比如所有的網(wǎng)絡(luò)接口都位于/sys/class/net下
struct subsys_private *p描述類鏈表

kobject/kset

kobject類似于面向?qū)ο笾械膬?nèi)核基類，內(nèi)核利用它將各個對象連接起來組成分層的機構(gòu)體系，其parent指針將形成一個樹狀分層結(jié)構(gòu)。
kset內(nèi)部包含了kobject。重心在描述對象的聚集于集合。這也是set一詞的含義。每一個kset添加到系統(tǒng)中，都將在sysfs中創(chuàng)建一個目錄
kobject/kset一起實現(xiàn)了sysfs虛擬文件系統(tǒng)中設(shè)備/總線/設(shè)備驅(qū)動樹狀分層結(jié)構(gòu)的最關(guān)鍵的底層實現(xiàn)由來。