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【linux kernel】Linux设备驱动模型 | bus

文章目录

    • 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

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

文章目录

    • 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

bus_typeclass结构中都有一个指向struct subsys_private的指针,用于保存bus_typeclass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_typeclsss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:


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()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_registerprivate->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devicesdriverskset,这样便可以在sysfs中查看了:
  • (8)初始化priv指针中的mutexklist_devicesklist_drivers等变量。
  • (9)调用add_probe_files函数,在bus下添加bus_attr_drivers_probebus_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\n", 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()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()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()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_groupsbus_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_devicespriv->driverpriv->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_groupsbus->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()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()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,这样可以使同一个Driver驱动相同名称的多个设备)则调用device_driver的probe接口。

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