學Linux驅動: 應該先瞭解驅動模型

来源:https://www.cnblogs.com/embInn/archive/2020/06/02/13034226.html
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[導讀] Linux設備林林總總，嵌入式開發一個繞不開的話題就是設備驅動開發，在做具體設備驅動開發之前，有必要對Linux設驅動模型有一個相對清晰的認識，將會幫助驅動開發，明白具體驅動介面操作符相應都做些什麼。 個人對於驅動模型的理解概括起來就是一句話：利用面向對象編程思想，實現設備分層管理軟體體系 ...


[導讀] Linux設備林林總總，嵌入式開發一個繞不開的話題就是設備驅動開發，在做具體設備驅動開發之前，有必要對Linux設驅動模型有一個相對清晰的認識，將會幫助驅動開發，明白具體驅動介面操作符相應都做些什麼。

個人對於驅動模型的理解概括起來就是一句話：利用面向對象編程思想，實現設備分層管理軟體體繫結構。

註：代碼分析基於linux-5.4.31

為啥要驅動模型

隨著系統結構演化越來越複雜，Linux內核對設備描述衍生出一般性的抽象描述，形成一個分層體繫結構，從而引入了設備驅動模型。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內核可以在各種體繫結構和硬體平臺上運行，因此需要最大限度地提高代碼在平臺之間的可重用性。
  • 分層實現也實現了軟體工程的高內聚-低耦合的設計思想。低耦合體現在對外提供統一的抽象訪問介面，高內聚將相關度緊密的集中抽象實現。
  • Linux內核驅動程式模型是先前在內核中使用的所有不同驅動程式模型的統一。 它旨在通過將一組數據和操作整合到全局可訪問的數據結構中，來擴展基於基礎匯流排來橋接設備驅動程式。

傳統的驅動模型為它們所控制的設備實現了某種類似於樹的結構(有時只是一個列表)。不同類型的匯流排之間沒有任何一致性。

驅動模型抽象了啥

當前驅動程式模型為描述匯流排和匯流排下可能出現的設備提供了一個通用的、統一的模型。統一匯流排模型包括一組所有匯流排都具有的公共屬性和一組公共回調，如匯流排探測期間的設備發現、匯流排關閉、匯流排電源管理等。

通用的設備和橋接介面反映了現代電腦的目標：即執行無縫設備“即插即用”，電源管理和熱插拔的能力。 特別是，英特爾和微軟規定的模型（即ACPI）可確保與x86相容的系統上幾乎任何匯流排上的幾乎所有設備都可以在此範式下工作。 當然，雖然大多數匯流排都支持其中大多數操作，但並不是每條匯流排都能夠支持所有此類操作。

那麼哪些通用需求被抽象出來了呢？

  • 電源系統和系統關機，對於電源管理與系統關機對於設備相關的操作進行抽象實現。關機為什麼要被抽象出來管理，比如設備操作正在進行此時系統收到關機指令，那麼在設備模型層就會遍歷系統設備硬體，確保系統正確關機。

  • 用戶空間訪問：sysfs虛擬文件系統實現與設備模型對外的訪問抽象，這也是為什麼說Linux 設備也是文件的由來。實際從軟體架構層面看，這其實是一個軟體橋接模塊，抽象出統一用戶訪問介面，橋接了設備驅動。

  • 熱插拔管理：熱插拔管理機制定義統一的抽象介面操作符kset_hotplug_ops，不同設備利用操作符實現差異化。

  • 設備類型：設備分類機制，從高層級抽象描述設備類型，具體可以在sysfs下麵體現。

用戶空間訪問

由於具有系統中所有設備的完整分層視圖，因此將完整的分層視圖導出到用戶空間變得相對容易。 這是通過實現名為sysfs虛擬文件系統來完成的。

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

對於Debian系統而言，可能在/lib/init/fstab採用下麵的形式掛載：

none  /sys    sysfs    nodev,noexec,nosuid    0 0

當然也可以採用手動方式掛載：

# mount -t sysfs sysfs /sys

當將設備插入樹中時，都會為其創建一個目錄。該目錄可以填充在發現的每個層（全局層，匯流排層或設備層）中。

全局層當前創建兩個文件-'name'和'power'。 前者報告設備名稱。 後者報告設備的當前電源狀態。 它還將用於設置當前電源狀態。

匯流排層為探測匯流排時發現的設備創建文件。 例如，PCI層當前為每個PCI設備創建“ irq”和“resource”文件。

特定於設備的驅動程式也可以在其目錄中導出文件，以暴露特定於設備的數據或可用介面。

驅動模型實現

先來梳理一下內部幾個主要與驅動模型相關的數據結構：

./include/linux/Device.h 定義設備驅動主要數據結構

  • bus_type：抽象描述匯流排類型，如USB/PCI/I2C/MMC等
  • device_driver：實現具體連接在匯流排上的設備驅動。
  • device：描述連接在匯流排上的設備

./include/linux/Kobject.h中定義了隱藏在後臺的類似於基類的數據結構：

  • kset：可以認為是kobject的頂層容器類。每個kset內部都包含了自己的kobject.
  • kobject：在 sysfs 中出現的每個對象都對應一個 kobject, 它和內核交互來創建它的可見表述,每一個 kobject 對應 文件系統 /sys 里的一個 目錄，目錄的名字就是結構體中的 name

bus_type

bus_type用以驅動匯流排，具體的驅動USB/I2C/PCI/MMC等：

  • 註冊匯流排，利用bus_register註冊匯流排，bus_unregister刪除匯流排。如下例子，每種匯流排須定義一個bus_type對象，並利用bus_register註冊匯流排，或bus_unregister刪除匯流排。
/*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);
    /*註冊I2C匯流排*/
	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;
    /*錯誤時刪除匯流排*/
	bus_unregister(&i2c_bus_type);
	return retval;
}
  • 註冊適配器驅動程式（USB控制器，I2C適配器等），以檢測連接的設備，並提供與設備的通信機制
  • 圖中的match函數介面用於將驅動程式與設備進行匹配。match回調的目的是使匯流排有機會通過比較驅動程式支持的設備ID與特定設備的設備ID來確定特定驅動程式是否支持特定設備，而不會犧牲特定於匯流排的功能或類型安全性 。當向匯流排註冊驅動程式時，將遍歷匯流排的設備列表，併為每個沒有與之關聯的驅動程式的設備調用match回調。
  • 提供API函數以實現適配器驅動以及設備驅動。
  • 同時dev_pm_ops *pm實現對於匯流排的功耗管理介面抽象。對於特定匯流排實現這個操作符對應的函數。
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 操作符提供匯流排相關的IOMMU抽象。
  • 設備驅動註冊到匯流排上時，將在sysfs管理匯流排/設備/設備驅動的層次關係，以PCI為例：
/*在匯流排上註冊的驅動程式會在匯流排的驅動程式目錄中獲得一個目錄*/
/sys/bus/pci/
        |-- devices
        `-- drivers
            |-- Intel ICH
            |-- Intel ICH Joystick
            |-- agpgart
            `-- e100
/*在該類型的匯流排上發現的每個設備都會在匯流排的設備目錄中獲得到物理層次結構中該設備目錄的符號鏈接*/
/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
  • 匯流排屬性：bus_groups/設備屬性dev_groups/驅動屬性drv_groups。

device

  • 作用：抽象描述具體的設備

  • 設備註冊：發現設備的匯流排驅動程式使用下麵的函數來向內核註冊設備

int device_register(struct device * dev);
  • 利用device_unregister()從匯流排上刪除設備

device_driver

  • 作用：抽象描述連接在匯流排上的具體設備的驅動
  • 驅動註冊，通過下麵的函數將設備驅動程式註冊
int driver_register(struct device_driver *drv);
  • 使用它使用以下命令從驅動程式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：抽象設備的高層視圖，描述的是設備的集合。抽象了同類型的設備的底層實現細節。比如所有的網路介面都位於/sys/class/net下
  • struct subsys_private *p描述類鏈表

kobject/kset

  • kobject類似於面向對象中的內核基類，內核利用它將各個對象連接起來組成分層的機構體系，其parent指針將形成一個樹狀分層結構。
  • kset內部包含了kobject。重心在描述對象的聚集於集合。這也是set一詞的含義。每一個kset添加到系統中，都將在sysfs中創建一個目錄
  • kobject/kset一起實現了sysfs虛擬文件系統中設備/匯流排/設備驅動樹狀分層結構的最關鍵的底層實現由來。

總體上而言：

通過上面一些關鍵數據結構關係分析，匯流排設備驅動模型最終目的是實現如下這樣一個分層驅動模型。

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