【linux】驅動-6-匯流排-裝置-驅動

李柱明發表於2021-03-30
Linux

目錄

前言

6. 匯流排-裝置-驅動

匯流排-裝置-驅動 又稱為 裝置驅動模型。

6.1 概念

匯流排（bus)：負責管理掛載對應匯流排的裝置以及驅動；
裝置(device)：掛載在某個匯流排的物理裝置；
驅動(driver)：與特定裝置相關的軟體，負責初始化該裝置以及提供一些操作該裝置的操作方式；
類(class)：對於具有相同功能的裝置，歸結到一種類別，進行分類管理；

6.2 工作原理

以下只說 匯流排-裝置-驅動 模式下的操作
匯流排：

  • 匯流排管理著兩個連結串列：裝置連結串列 和 驅動連結串列。
  • 當我們向核心註冊一個驅動時，便插入到匯流排的驅動連結串列。
  • 當我們向核心註冊一個裝置時，便插入到匯流排的裝置連結串列。
  • 在插入的同時，匯流排會執行一個 bus_type 結構體中的 match 方法對新插入的 裝置/驅動 進行匹配。（例如以名字的方式匹配。方式有很多總，下面再詳細分析。）
  • 匹配成功後，會呼叫 驅動 device_driver 結構體中的 probe 方法。（通常在 probe 中獲取裝置資源。具體有開發人員決定。）
  • 在移除裝置或驅動時，會呼叫 device_driver 結構體中的 remove 方法。

6.3 匯流排

6.3.1 匯流排介紹

匯流排：

  • 匯流排是連線處理器和裝置之間的橋樑
  • 代表著同類裝置需要共同遵循的工作時序。

匯流排驅動：

  • 負責實現匯流排行為，管理兩個連結串列。

匯流排結構體：

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：指定匯流排的名稱，當新註冊一種匯流排型別時，會在 /sys/bus 目錄建立一個新的目錄，目錄名就是該引數的值；
  • bus_groups、dev_groups、drv_groups：分別表示 匯流排、裝置、驅動的屬性。
    • 通常會在對應的 /sys 目錄下在以檔案的形式存在，對於驅動而言，在目錄 /sys/bus//driver/ 存放了驅動的預設屬性；裝置則在目錄 /sys/bus//devices/ 中。這些檔案一般是可讀寫的，使用者可以通過讀寫操作來獲取和設定這些 attribute 的值。
  • match：當向匯流排註冊一個新的裝置或者是新的驅動時，會呼叫該回撥函式。該裝置主要負責匹配工作。
  • uevent：匯流排上的裝置發生新增、移除或者其它動作時，就會呼叫該函式，來通知驅動做出相應的對策。
  • probe：當匯流排將裝置以及驅動相匹配之後，執行該回撥函式，最終會呼叫驅動提供的probe 函式。
  • remove：當裝置從匯流排移除時，呼叫該回撥函式。
  • suspend、resume：電源管理的相關函式，當匯流排進入睡眠模式時，會呼叫suspend回撥函式；而resume回撥函式則是在喚醒匯流排的狀態下執行。
  • pm：電源管理的結構體，存放了一系列跟匯流排電源管理有關的函式，與 device_driver 結構體中的 pm_ops 有關。
  • p：該結構體用於存放特定的私有資料，其成員 klist_devices 和 klist_drivers 記錄了掛載在該匯流排的裝置和驅動。

6.3.2 註冊匯流排

在實際的驅動開發中，Linux 已經為我們編寫好了大部分的匯流排驅動。
但是核心也提供了註冊匯流排的 API。

bus_register()：

  • bus_register() 函式用於註冊匯流排。
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/drivers/base/bus.c。
  • 函式原型：int bus_register(struct bus_type *bus);。
    • bus：bus_type 型別的結構體指標。
    • 返回值：
      • 成功：0；
      • 失敗：負數。

bus_unregister()：

  • bus_unregister() 用於登出匯流排。
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/drivers/base/bus.c。
  • 函式原型：int bus_unregister(struct bus_type *bus);。
    • bus：bus_type 型別的結構體指標。
    • 返回值：無。

當我們成功註冊匯流排時，會在 /sys/bus/ 目錄下建立一個新目錄，目錄名為我們新註冊的匯流排名。

6.4 裝置

6.4.1 裝置介紹

在 /sys/devices 目錄記錄了系統中所有的裝置。
/sys 下的所有裝置檔案和 /sys/dev 下的所有裝置節點都是連結檔案，實際上都指向了對應的裝置檔案。

device 結構體：

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;
};
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/device.h。
  • init_name：指定該裝置的名稱，匯流排匹配時，一般會根據比較名字來進行配對。
  • parent：表示該裝置的父物件，舊版本的裝置之間沒有任何聯絡，引入 Linux 裝置驅動模組後，裝置之間呈現樹狀結構，便於管理各種裝置。
  • bus：歸屬與哪個匯流排。當我們註冊裝置時，核心便會將該裝置註冊到對應的匯流排。（相愛）
  • of_node：存放裝置樹中匹配的裝置節點。當核心使能裝置樹，匯流排負責將驅動的 of_match_table 以及裝置樹的 compatible 屬性進行比較之後，將匹配的節點儲存到該變數。
  • platform_data：特定裝置的私有資料，通常定義在板級檔案中。
  • driver_data：驅動層可以通過 dev_set/get_drvdata 函式來獲取該成員變數。
  • class：指向該裝置對應類。
  • dev：裝置號。dev_t 型別。
  • release：回撥函式。當裝置被登出時，該函式被呼叫。
  • group：指向 struct attribute_group 型別指標指定該裝置屬性。

6.4.2 裝置註冊、登出

在前面的字元裝置驅動編寫中，我們使用到了 device_create() 函式和 device_destroy() 函式來建立和刪除裝置。

現在介紹向匯流排註冊和登出裝置。
向匯流排註冊裝置：

  • 函式原型：int device_register(struct device *dev);。
    • 核心原始碼路徑：核心原始碼/driver/base/core.c。
    • dev：struct device 結構體型別指標。
    • 返回：
      • 成功：0；
      • 失敗：負數。

向匯流排登出裝置：

  • 函式原型：int device_unregister(struct device *dev);。
    • 核心原始碼路徑：核心原始碼/driver/base/core.c。
    • dev：struct device 結構體型別指標。
    • 返回：無。

6.5 驅動

6.5.1 驅動介紹

driver 結構體：


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;
};
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/device.h
  • name：指定驅動名稱，匯流排進行匹配時，利用該成員與裝置名進行比較。
  • bus：歸屬與哪個匯流排。核心需要保證在驅動執行之前，對應的匯流排能夠正常工作。
  • suppress_bind_attrs：布林量，用於指定是否通過 sysfs 匯出 bind 與 unbind檔案，bind 與 unbind 檔案是驅動用於繫結/解綁關聯的裝置。
  • owner：表示該驅動的擁有者，一般設定為 THIS_MODULE。
  • of_match_table：指定該驅動支援的裝置型別。當核心使能裝置樹時，會利用該成員與裝置樹中的 compatible 屬性進行比較。
  • remove：當裝置從作業系統中拔出或者是系統重啟時，會呼叫該回撥函式。
  • probe：當驅動以及裝置匹配後，會執行該回撥函式，對裝置進行初始化。通常的程式碼，都是以main函式開始執行的，但是在核心的驅動程式碼，都是從 probe 函式開始的。
  • group：指向 struct attribute_group 型別的指標，指定該驅動的屬性。

6.4.2 驅動註冊、登出

向匯流排註冊驅動：

  • 函式原型：int driver_register(struct device_driver *drv);。
    • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/device.h。
    • drv：struct device_driver 結構體型別指標。
    • 返回：
      • 成功：0；
      • 失敗：負數。

向匯流排登出驅動：

  • 函式原型：int driver_unregister(struct device_driver *drv);。
    • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/device.h。
    • drv：struct device_driver 結構體型別指標。
    • 返回：無。

6.5 便解圖文

資料結構該系統：

註冊流程圖：

  • 系統啟動之後會呼叫buses_init函式建立/sys/bus檔案目錄，這部分系統在開機時已經幫我們準備好了， 接下去就是通過匯流排註冊函式bus_register進行匯流排註冊，註冊完匯流排後在匯流排的目錄下生成devices資料夾和drivers資料夾， 最後分別通過device_register以及driver_register函式註冊相對應的裝置和驅動。

6.6 attribute屬性檔案

6.6.1 attribute 介紹

attribute 結構體：

struct attribute {
    const char              *name;
    umode_t                 mode;
};
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/sysfs.h
  • name：指定檔案的檔名。
  • mode：指定檔案的許可權。

bus_type、device、device_driver 結構體中都包含了一種資料型別 struct attribute_group，它是多個 attribute 檔案的集合， 利用它進行初始化，可以避免一個個註冊 attribute。

struct attribute_group 結構體：

struct attribute_group 
{
    const char              *name;
    umode_t                 (*is_visible)(struct kobject *, struct attribute *, int);
    struct attribute        **attrs;
    struct bin_attribute   **bin_attrs;
};
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/sysfs.h

6.6.2 裝置屬性檔案

Linux 提供註冊和登出裝置屬性檔案的 API。我們可以通過這些 API 直接在使用者層進行查詢和修改。

struct device_attribute 結構體：

struct device_attribute 
{
    struct attribute        attr;
    ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf);
    ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, const char *buf, size_t count);
};

#define DEVICE_ATTR(_name, _mode, _show, _store) \
           struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _store)
extern int device_create_file(struct device *device, const struct device_attribute *entry);
extern void device_remove_file(struct device *dev, const struct device_attribute *attr);
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/device.h。
  • DEVICE_ATTR 巨集：用於定義一個device_attribute型別的變數。
    • 引數 _name，_mode，_show，_store，分別代表了檔名， 檔案許可權，show 回撥函式，store 回撥函式。
    • show 回撥函式以及 store 回撥函式分別對應著使用者層的 cat 和 echo 命令，當我們使用 cat 命令，來獲取 /sys 目錄下某個檔案時，最終會執行 show 回撥函式；使用 echo 命令，則會執行 store 回撥函式。 引數 _mode 的值，可以使用S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR 等巨集定義，更多選項可以檢視讀寫檔案章節關於檔案許可權的內容。
  • device_create_file：該函式用於建立檔案。
    • device：表示裝置。也是歸屬匯流排下的 device 目錄下的目錄名稱。
    • entry：自定義的 device_attribute 型別變數。
  • device_remove_file：該函式用於刪除檔案。當登出驅動時，對應目錄以及檔案都被移除。
    • device：表示裝置。也是歸屬匯流排下的 device 目錄下的目錄名稱。
    • entry：自定義的 device_attribute 型別變數。

6.6.3 驅動屬性檔案

Linux 提供註冊和登出驅動屬性檔案的 API。我們可以通過這些 API 直接在使用者層進行查詢和修改。

struct driver_attribute 結構體：

struct driver_attribute
{
    struct attribute attr;
    ssize_t (*show)(struct device_driver *driver, char *buf);
    ssize_t (*store)(struct device_driver *driver, const char *buf, size_t count);};

#define DRIVER_ATTR_RW(_name) \
           struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_RW(_name)
#define DRIVER_ATTR_RO(_name) \
           struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_RO(_name)
#define DRIVER_ATTR_WO(_name) \
           struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_WO(_name)

extern int __must_check driver_create_file(struct device_driver *driver, const struct driver_attribute *attr);
extern void driver_remove_file(struct device_driver *driver, const struct driver_attribute *attr);
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/device.h。
  • DRIVER_ATTR_RW、DRIVER_ATTR_RO 以及 DRIVER_ATTR_WO 巨集：用於定義一個driver_attribute型別的變數。
    • 帶有 driver_attr_ 的字首，區別在於檔案許可權不同；
    • RW 字尾表示檔案可讀寫；
    • RO 字尾表示檔案僅可讀；
    • WO 字尾表示檔案僅可寫。
    • DRIVER_ATTR 型別的巨集定義沒有引數來設定 show 和 store 回撥函式，在寫驅動程式碼時，只需要提供 xxx_store 以及 xxx_show 這兩個函式， 並確保兩個函式的 xxx 和 DRIVER_ATTR 型別的巨集定義中名字是一致的即可。
  • driver_create_file 和 driver_remove_file 函式用於建立和移除檔案，使用driver_create_file 函式， 會在 /sys/bus//drivers// 目錄下建立檔案。

6.6.4 匯流排屬性檔案

struct bus_attribute 結構體：

struct bus_attribute 
{
    struct attribute        attr;
    ssize_t (*show)(struct bus_type *bus, char *buf);
    ssize_t (*store)(struct bus_type *bus, const char *buf, size_t count);
};

#define BUS_ATTR(_name, _mode, _show, _store)       \
           struct bus_attribute bus_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _store)
           
extern int __must_check bus_create_file(struct bus_type *, struct bus_attribute *);
extern void bus_remove_file(struct bus_type *, struct bus_attribute *);
  • 核心原始碼路徑：核心原始碼/include/linux/device.h。
  • BUS_ATTR 巨集定義用於定義一個 bus_attribute 變數；
  • 使用 bus_create_file 函式，會在 /sys/bus/ 下建立對應的檔案。
  • bus_remove_file 則用於移除該檔案。

6.7 匹配規則 **

下章筆記就是記錄平臺裝置。本次匹配規則就參考 平臺裝置驅動 原始碼。

6.7.1 最先比較

最先比較 platform_device.driver_override 和 platform_driver.driver.name。

可以設定 platform_device 的 driver_override，強制選擇某個 platform_driver。

6.7.2 其次比較

其次比較 platform_device.name 和 platform_driver.id_table[i].name。

platform_driver.id_table 是 platform_device_id 指標，表示該 drv 支援若干個 device，它裡面列出了各個 device 的 {.name, .driver_data}，其中的 name 表示該 drv 支援的裝置的名字，driver_data是些提供給該 device 的私有資料。

6.7.3 最後比較

最後比較 platform_device.name 和 platform_driver.driver.name。

由於 platform_driver.id_table 可能為空，所以，接下來就可以使用 platform_driver.driver.name 來匹配。

6.7.4 函式呼叫關係

platform_device_register
platform_device_add
    device_add
        bus_add_device // 放入連結串列
        bus_probe_device // probe 列舉裝置，即找到匹配的(dev, drv)
            device_initial_probe
                __device_attach
                    bus_for_each_drv(...,__device_attach_driver,...)
                        __device_attach_driver
                            driver_match_device(drv, dev) // 是否匹配
                            driver_probe_device // 呼叫 drv 的 probe
                            
                            
platform_driver_register
__platform_driver_register
    driver_register
        bus_add_driver // 放入連結串列
            driver_attach(drv)
                bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
                    __driver_attach
                        driver_match_device(drv, dev) // 是否匹配
                        driver_probe_device // 呼叫 drv 的 probe

6.8 實現裝置模型的簡要步驟 *

匯流排、裝置、驅動都基於驅動模型上實現，方便插入。

模組三步驟：

  1. 入口函式；
  2. 出口函式；
  3. 協議。

6.8.1 匯流排

  1. 實現匯流排結構體內容；
  2. 填充匯流排結構體；
  3. 實現屬性檔案內容，包括設定屬性檔案結構體；
  4. 註冊匯流排；（模組入口函式）
  5. 建立屬性檔案；
  6. 移除屬性檔案；（模組出口函式）
  7. 登出匯流排。

6.8.2 裝置

  1. 宣告外部匯流排變數；
  2. 實現匯流排裝置結構體內容；
  3. 填充匯流排裝置結構體；
  4. 實現匯流排裝置屬性檔案內容，包括設定屬性檔案結構體；
  5. 註冊匯流排裝置；（模組入口函式）
  6. 建立匯流排裝置屬性檔案；
  7. 移除匯流排裝置屬性檔案；（模組出口函式）
  8. 登出匯流排裝置。

6.8.3 驅動

  1. 宣告外部匯流排變數；
  2. 實現匯流排驅動結構體內容；
  3. 填充匯流排驅動結構體；
  4. 實現匯流排驅動屬性檔案內容，包括設定屬性檔案結構體；
  5. 註冊匯流排驅動；（模組入口函式）
  6. 建立匯流排驅動屬性檔案；
  7. 移除匯流排驅動屬性檔案；（模組出口函式）
  8. 登出匯流排驅動。
  • 注意：匯流排驅動只是一個框架，類似於模組框架，填空，然後核心幫你操作。具體的裝置檔案、裝置號、裝置節點這些還是和以前一樣自己實現。

參考

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