Linux设备与驱动之间的联系描述

一、导读

在linux设备驱动模型中，总线是一个抽象的概念，是一类特殊的设备。在设备模型的实现中，内核规定了系统中的每个设备都需要连接到一个总线上，这个总线可以是一个内部的Bus、虚拟的Bus或者Platform 总线。在内核中通过struct but_type结构来描述总线，定义在include/linux/device.h中。

本文首先描述与总线相关的数据结构，重点描述struct bus_type结构体内部各个元素的含义以及内部之间的联系。接着会描述linux设备驱动模型初始化过程中关于总线的初始化流程，这部分由buses_init()完成，最后会描述对总线的几个操作接口函数。

本文所有源码分析基于linux内核版本：4.1.15。

一、导读

二、与总线相关的数据结构

（2-1）struct bus_type

（2-2）struct subsys_private

三、总线的初始化

四、总线的操作接口

（4-1）总线的注册

（4-2）总线的注销

（4-3）device和device_driver的添加

（4-4）driver的probe

二、与总线相关的数据结构

（2-1）struct bus_type

总线是处理器和更多设备之间的通道，对于linux的设备模型，所有的设备都通过总线连接在一起。总线之间可以互相连接，例如：USB控制器通常是一个PCI设备，设备模型表示总线和它们控制的设备之间的实际连接。总线由struct bus_type结构表示，该结构包含了总线名称、默认属性、总线的方法、PM操作和驱动核心的私有数据。sturct bus_type定义如下：

 

struct bus_type {
 const char  *name;
 const char  *dev_name;
 struct device  *dev_root;
 struct device_attribute *dev_attrs; /* use dev_groups instead */
 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);
 void (*shutdown)(struct device *dev);

 int (*online)(struct device *dev);
 int (*offline)(struct device *dev);

 int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
 int (*resume)(struct device *dev);

 const struct dev_pm_ops *pm;

 const struct iommu_ops *iommu_ops;

 struct subsys_private *p;
 struct lock_class_key lock_key;
};

 

name ：总线的名称。

dev_name : 用于子系统枚举设备等，例如("foo%u", dev->id)。

dev_root : 表示要用于父设备的默认设备。

dev_attrs: 设备属性组。

bus_groups: bus属性组。

dev_groups: dev属性组。

drv_groups: drv属性组。

match: 是一个需要由具体bus驱动实现的回调函数，当属于该bus的所有device和驱动添加到内核时，内核都会调用该接口函数。

uevent:也是一个由具体的bus驱动实现的回到函数，当属于该bus的设备，触发添加、移除或者其他动作时，bus模块核心就会调用该接口，这样可以让bus的驱动能够修改环境变量。

probe、 remove:这两个也是回调函数，当有新的设备或者驱动添加到这个bus时，内核则会首先调用这个bus的probe，然后再调用具体驱动程序的probe去初始化匹配设备；当有设备从这个bus上移除的时候则会调用remove，所以这个两个回调函数非常重要。

shutdown:在需要shutdown的时候调用该回调函数，以让设备停止工作。该函数与电源管理相关。

online:当设备再脱机后重新联机时调用该函数。该函数与电源管理相关。

offline:当让设备脱机以便进行热插拔时调用该函数。

suspend:当总线上的设备想要进入睡眠模式时调用。

resume:让这个bus上的一个设备退出睡眠模式时调用该函数。

pm：是与之对应的bus的电源管理操作，会去回调执行特定驱动程序的pm的ops。

iommu_ops:该总线的IOMMU特定操作，用于将IOMMU驱动程序实现附加到总线上，并允许驱动程序进行总线上特殊的设定操作。

p: 一个struct subsys_private类型的指针，是驱动核心的私有数据，只有驱动核心可以使用，

lock_key: 该参数供锁验证器使用。

（2-2）struct subsys_private

在bus_type和class结构中都有一个指向struct subsys_private的指针，用于保存bus_type和class结构的驱动程序核心部分的私有数据。从命名上似乎不容易理解struct subsys_private，由于bus_type和clsss结构中都有一个struct subsys_private指针，所以可以将subsys_private理解成bus_type和class的上层，包含了bus和class。

struct subsys_private结构定义如下(/drivers/base/base.h)：

 

struct subsys_private {
 struct kset subsys;
 struct kset *devices_kset;
 struct list_head interfaces;
 struct mutex mutex;

 struct kset *drivers_kset;
 struct klist klist_devices;
 struct klist klist_drivers;
 struct blocking_notifier_head bus_notifier;
 unsigned int drivers_autoprobe:1;
 struct bus_type *bus;

 struct kset glue_dirs;
 struct class *class;
};

 

subsys：用于描述本subsystem的kset，用于代表其自身。

devices_kset: 表示subsystem的device目录。

interfaces: interfaces是一个list_head类型数据，用于保存与之相关的interface。在内核中interface用于抽象bus下所有关联设备的一些特殊的功能。

mutex: mutex类型锁，用于保护设备和interface链表。

drivers_kset: 表示subsystem中驱动相关链表。

klist_devices: 设备链表，用于保存本bus下所有的device的指针，以方便查找。

klist_drivers: 驱动链表，用于保存本bus下所有的device_driver的指针，以方便查找。

bus_notifier: bus_notifier是一个总线通知列表，用于监测bus上发生的任何事情。

drivers_autoprobe:用于控制该bus下的drivers或者device是否具有自动probe属性。

bus:是一个指向与之关联的struct bus_type类型的指针。用于保存上层的bus。

glue_dirs:表示glue目录，用于放在父设备之间，以避免名称空间出现冲突。

class:是一个指向与之关联的struct class类型的指针。用于保存上层的class。

三、总线的初始化

总线属于linux驱动模型的一部分，所以在内核启动过程中，在driver_init()函数中会调用buses_init()，完成总线相关的初始化操作：

在buses_init()的操作逻辑中，完成了以下几件事情：

（1）动态创建bus内核kset，并指定其事件操作函数，然后添加到sysfs中。

（2）动态创建system内核kset，并指定其父级kset为devices_kset->kobj，然后添加到sysfs中。

四、总线的操作接口

本小节描述linux内核中对总线的操作API接口：

 

//添加设备到总线
extern int bus_add_device(struct device *dev);
//为新的设备探测驱动
extern void bus_probe_device(struct device *dev);
//从总线中将设备移除
extern void bus_remove_device(struct device *dev);

//添加一个驱动到总线
extern int bus_add_driver(struct device_driver *drv);
//从总线将移除驱动
extern void bus_remove_driver(struct device_driver *drv);

//将驱动程序从该驱动控制的所有设备中分离
extern void driver_detach(struct device_driver *drv);
//尝试将设备和驱动程序绑定在一起
extern int driver_probe_device(struct device_driver *drv, struct device *dev);

//注册一个驱动核心总线子系统
extern int __must_check bus_register(struct bus_type *bus);

//注销驱动核心总线子系统
extern void bus_unregister(struct bus_type *bus);

/*注册总线通知器。总线通知器，用于获取当设备添加/移除或者驱动程序与
设备绑定/解绑定时的通知。*/
extern int bus_register_notifier(struct bus_type *bus,
     struct notifier_block *nb);
         
//注销总线通知器
extern int bus_unregister_notifier(struct bus_type *bus,
       struct notifier_block *nb);

 

（4-1）总线的注册

调用bus_register执行具体总线的注册操作，该函数实现在/drivers/base/bus.c中，具体执行逻辑如下：

（1）调用kzalloc()为struct subsys_private创建内存，设置priv->bus的值为想要注册的总线类型，然后将bus->p赋值为priv。

（2）初始化总线通知器。

（3）为priv->subsys.kobj重新设置名称，即总线的名称。

（4）初始化priv->subsys.kobj的kset和ktype字段。

（5）调用kset_register将private->subsys.kobj注册到内核中。

（6）调用bus_create_file向sysfs文件系统中的bus目录下添加一个uevnet attribute：

（7）调用kset_create_and_add()向内核分别添加devices和drivers kset，这样便可以在sysfs中查看了：

（8）初始化priv指针中的mutex、klist_devices和klist_drivers等变量。

（9）调用add_probe_files函数，在bus下添加bus_attr_drivers_probe和bus_attr_drivers_autoprobe两个attribute：

（10）调用bus_add_groups添加bus_groups属性组。

（4-2）总线的注销

调用bus_unregister执行具体总线的注销操作，该函数同样实现在/drivers/base/bus.c中：

 

void bus_unregister(struct bus_type *bus)
{
 pr_debug("bus: '%s': unregistering
", bus->name);
 if (bus->dev_root)
  device_unregister(bus->dev_root);
 bus_remove_groups(bus, bus->bus_groups);
 remove_probe_files(bus);
 kset_unregister(bus->p->drivers_kset);
 kset_unregister(bus->p->devices_kset);
 bus_remove_file(bus, &bus_attr_uevent);
 kset_unregister(&bus->p->subsys);
}

 

（4-3）device和device_driver的添加

linux内核的驱动模型中，提供了device_register()和driver_register()两个接口，供各个驱动模块使用。从linux内核多个子系统的源码中可以发现，对于各种驱动程序的注册最终都会调用到driver_register()。然而这两个接口函数的核心逻辑中，是通过调用总线的bus_add_device()和bus_add_driver()实现的：在driver_register()中调用driver_find()在给定的总线中查找给定名称的驱动，如果驱动已经存在则返回-EBUSY；如果驱动在总线中不存在，则调用bus_add_driver()注册驱动。在device_register()中则首先调用device_initialize初始化设备（本质上是对sturct device结构赋值），然后调用device_add向linux内核驱动模型注册设备。

device_register()和driver_register()两个接口都在/drivers/base/bus.c文件中实现。下文来具体看看这两个接口的执行逻辑：

1、bus_add_device的执行逻辑：

（1）从dev->bus中取得bus_type*类型的指针bus，如果获取bus不成功，则函数直接返回；如果bus获取成功，则会继续后续的第（2）步操作。

（2）调用device_add_attrs接口，将由bus->dev_attrs指针定义的默认attribute添加到内核中，这个操作会体现在sysfs文件系统中的/sys/devices/xxx/xxx_device/目录中。

（3）调用device_add_groups将bus_dev_groups添加到内核中。

（4）调用sysfs_create_link将该设备在sysfs中的目录，链接到该bus的devices目录下

（5）接着依然调用sysfs_create_link，在该设备的sysfs目录中，创建一个指向该设备所在bus目录的链接，命名为subsystem。

（6）前面几个操作实则是向sysfs文件系统注册关于设备的信息，向用户空间抛出接口。最后步骤则是调用klist_add_tail()将该设备指针保存到bus->p->klist_devices中。

2、bus_add_driver的执行逻辑：

（1）首先调用bus_get从驱动程序中获取到该驱动程序所属的bus_type指针。如果该指针为零（即获取失败）则返回-EINVAL；反之则继续执行后续操作。

（2）为该驱动的struct driver_private指针（priv）分配空间，并初始化其中的priv->klist_devices、priv->driver、priv->kobj.kset等变量，同时将priv保存到device_driver的p中。

（3）调用kobject_init_and_add，并传入该驱动的名称作为参数，向sysfs中注册driver的kobject。该操作体现在sysfs文件中的/sys/bus/xxx/drivers/目录下。

（4）调用klist_add_tail将驱动添加到总线的klist_drivers链表中，如果该驱动的drivers_autoprobe为真，还将调用driver_attach尝试将驱动绑定到设备。

（5）调用module_add_driver()将驱动添加到drv->owner中，咱不过多分析。

（6）调用driver_create_file，在sysfs文件系统中的driver目录下，创建uevent attribute。

（7）调用driver_add_groups将bus->drv_groups属性组添加到驱动中。

（4-4）driver的probe

当一个driver在进行probe的时候，大部分逻辑都会依赖总线的具体实现，核心操作是bus_probe_device()和driver_attach()两个接口，这两个接口都是在drivers/base/base.h中声明，在drivers/base/bus.c中实现。

bus_probe_device()实现如下：

driver_attach()实现如下：



从上图可知，driver_attach中会调用bus_for_each_dev遍历设备，该函数用于遍历drv->bus的设备列表，并为每个设备调用__driver_attach()，并将drv传递给__driver_attach，故而可以明确知道对每个设备执行的操作则是__driver_attach()，该函数定义在/drivers/base/dd.c文件中，具体的执行逻辑如下：

（1）使用driver_match_device()判断驱动和设备是否匹配（本质上是判断是否指定了drv->bus->match，如果指定了则执行与之对应的函数，否则返回1），如果驱动和设备已经匹配了则直接返回；否则，则继续执行后续的操作。

（2）调用driver_probe_device()尝试将驱动和设备绑定在一起。

总体上，bus_probe_device()和driver_attach()这两个接口的操作流程类似，即：搜索所在的总线，比对是否有同名的device_driver（或device），如果有并且该设备没有绑定Driver（注：这一点很重要，则可以使同一个Driver驱动相同名称的多个设备）则调用device_driver的probe接口。

审核编辑：刘清