找回密码
 注册
搜索

Linux设备模型(5)_device和device driver

已有 143 次阅读2014-5-22 12:29 |个人分类:Linux内核分析| Linux, device, driver

1. 前言

device和device driver是Linux驱动开发的基本概念。Linux kernel的思路很简单:驱动开发,就是要开发指定的软件(driver)以驱动指定的设备,所以kernel就为设备和驱动它的driver定义了两个数据结构,分别是device和device_driver。因此本文将会围绕这两个数据结构,介绍Linux设备模型的核心逻辑,包括:

设备及设备驱动在kernel中的抽象、使用和维护;

设备及设备驱动的注册、加载、初始化原理;

设备模型在实际驱动开发过程中的使用方法。

注:在介绍device和device_driver的过程中,会遇到很多额外的知识点,如Class、Bus、DMA、电源管理等等,这些知识点都很复杂,任何一个都可以作为一个单独的专题区阐述,因此本文不会深入解析它们,而会在后续的文章中专门描述。

2. struct device和struct device_driver

在阅读Linux内核源代码时,通过核心数据结构,即可理解某个模块60%以上的逻辑,设备模型部分尤为明显。

在include/linux/device.h中,Linux内核定义了设备模型中最重要的两个数据结构,struct device和struct device_driver。

  • struct device
1: /* include/linux/device.h, line 660 */ 2: struct device { 3:     struct device *parent; 4:  5:     struct device_private *p; 6:  7:     struct kobject kobj; 8:     const char *init_name; /* initial name of the device */ 9:     const struct device_type *type; 10:  11:    struct mutex mutex; /* mutex to synchronize calls to 12:                             * its driver. 13:                             */ 14:  15:    struct bus_type *bus; /* type of bus device is on */ 16:    struct device_driver *driver; /* which driver has allocated this 17:                                 device */ 18:    void *platform_data; /* Platform specific data, device 19:                         core doesn't touch it */ 20:    struct dev_pm_info power; 21:    struct dev_pm_domain *pm_domain; 22:  23: #ifdef CONFIG_PINCTRL 24:    struct dev_pin_info *pins; 25: #endif 26:  27: #ifdef CONFIG_NUMA 28:    int numa_node; /* NUMA node this device is close to */ 29: #endif 30:    u64 *dma_mask; /* dma mask (if dma'able device) */ 31:    u64 coherent_dma_mask;/* Like dma_mask, but for 32:                             alloc_coherent mappings as 33:                             not all hardware supports 34:                             64 bit addresses for consistent 35:                             allocations such descriptors. */ 36:  37:    struct device_dma_parameters *dma_parms; 38:  39:    struct list_head dma_pools; /* dma pools (if dma'ble) */ 40:  41:    struct dma_coherent_mem *dma_mem; /* internal for coherent mem 42:                            override */ 43: #ifdef CONFIG_CMA 44:    struct cma *cma_area; /* contiguous memory area for dma 45:                            allocations */ 46: #endif 47:    /* arch specific additions */ 48:    struct dev_archdata archdata; 49:  50:    struct device_node *of_node; /* associated device tree node */ 51:    struct acpi_dev_node acpi_node; /* associated ACPI device node */ 52:  53:    dev_t devt; /* dev_t, creates the sysfs "dev" */ 54:    u32 id; /* device instance */ 55:  56:    spinlock_t devres_lock; 57:    struct list_head devres_head; 58:  59:    struct klist_node knode_class; 60:    struct class *class; 61:    const struct attribute_group **groups; /* optional groups */ 62:  63:    void (*release)(struct device *dev); 64:    struct iommu_group *iommu_group; 65: };

device结构很复杂(不过linux内核的开发人员素质是很高的,该接口的注释写的非常详细,感兴趣的同学可以参考内核源代码),这里将会选一些对理解设备模型非常关键的字段进行说明。

parent,该设备的父设备,一般是该设备所从属的bus、controller等设备。

p,一个用于struct device的私有数据结构指针,该指针中会保存子设备链表、用于添加到bus/driver/prent等设备中的链表头等等,具体可查看源代码。

kobj,该数据结构对应的struct kobject。

init_name,该设备的名称。

       注1:在设备模型中,名称是一个非常重要的变量,任何注册到内核中的设备,都必须有一个合法的名称,可以在初始化时给出,也可以由内核根据“bus name + device ID”的方式创造。

type,struct device_type结构是新版本内核新引入的一个结构,它和struct device关系,非常类似stuct kobj_type和struct kobject之间的关系,后续会再详细说明。

bus,该device属于哪个总线(后续会详细描述)。

driver,该device对应的device driver。

platform_data,一个指针,用于保存具体的平台相关的数据。具体的driver模块,可以将一些私有的数据,暂存在这里,需要使用的时候,再拿出来,因此设备模型并不关心该指针得实际含义。

power、pm_domain,电源管理相关的逻辑,后续会由电源管理专题讲解。

pins,"PINCTRL”功能,暂不描述。

numa_node,"NUMA”功能,暂不描述。

dma_mask~archdata,DMA相关的功能,暂不描述。

devt,dev_t是一个32位的整数,它由两个部分(Major和Minor)组成,在需要以设备节点的形式(字符设备和块设备)向用户空间提供接口的设备中,当作设备号使用。在这里,该变量主要用于在sys文件系统中,为每个具有设备号的device,创建/sys/dev/* 下的对应目录,如下:

1|root@android:/storage/sdcard0 #ls /sys/dev/char/1\:                                                                     
1:1/  1:11/ 1:13/ 1:14/ 1:2/  1:3/  1:5/  1:7/  1:8/  1:9/  
1|root@android:/storage/sdcard0 #ls /sys/dev/char/1:1                                                                     
1:1/  1:11/ 1:13/ 1:14/ 
1|root@android:/storage/sdcard0 # ls /sys/dev/char/1\:1  
/sys/dev/char/1:1  

class,该设备属于哪个class。

groups,该设备的默认attribute集合。将会在设备注册时自动在sysfs中创建对应的文件。

 

  • struct device_driver
1: /* include/linux/device.h, line 213 */ 2: struct device_driver { 3:     const char *name; 4:     struct bus_type *bus; 5:  6:     struct module *owner; 7:     const char *mod_name; /* used for built-in modules */ 8:  9:     bool suppress_bind_attrs; /* disables bind/unbind via sysfs */ 10:  11:    const struct of_device_id *of_match_table; 12:    const struct acpi_device_id *acpi_match_table; 13:  14:    int (*probe) (struct device *dev); 15:    int (*remove) (struct device *dev); 16:    void (*shutdown) (struct device *dev); 17:    int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state); 18:    int (*resume) (struct device *dev); 19:    const struct attribute_group **groups; 20:  21:    const struct dev_pm_ops *pm; 22:  23:    struct driver_private *p; 24: };

device_driver就简单多了(在早期的内核版本中driver的数据结构为"struct driver”,不知道从哪个版本开始,就改成device_driver了):

name,该driver的名称。和device结构一样,该名称非常重要,后面会再详细说明。

bus,该driver所驱动设备的总线设备。为什么driver需要记录总线设备的指针呢?因为内核要保证在driver运行前,设备所依赖的总线能够正确初始化。

owner、mod_name,內核module相关的变量,暂不描述。

suppress_bind_attrs,是不在sysfs中启用bind和unbind attribute,如下:root@android:/storage/sdcard0 # ls /sys/bus/platform/drivers/switch-gpio/                                                   
bind   uevent unbind 
在kernel中,bind/unbind是从用户空间手动的为driver绑定/解绑定指定的设备的机制。这种机制是在bus.c中完成的,后面会详细解释。

probe、remove,这两个接口函数用于实现driver逻辑的开始和结束。Driver是一段软件code,因此会有开始和结束两个代码逻辑,就像PC程序,会有一个main函数,main函数的开始就是开始,return的地方就是结束。而内核driver却有其特殊性:在设备模型的结构下,只有driver和device同时存在时,才需要开始执行driver的代码逻辑。这也是probe和remove两个接口名称的由来:检测到了设备和移除了设备(就是为热拔插起的!)。

shutdown、suspend、resume、pm,电源管理相关的内容,会在电源管理专题中详细说明。

groups,和struct device结构中的同名变量类似,driver也可以定义一些默认attribute,这样在将driver注册到内核中时,内核设备模型部分的代码(driver/base/driver.c)会自动将这些attribute添加到sysfs中。

p,私有数据的指针,具体的driver代码可以把任何需要的内容放在这里,反正设备模型代码不关心。

3. 设备模型框架下驱动开发的基本步骤

在设备模型框架下,设备驱动的开发是一件很简单的事情,主要包括2个步骤:

步骤1:分配一个struct device类型的变量,填充必要的信息后,把它注册到内核中。

步骤2:分配一个struct device_driver类型的变量,填充必要的信息后,把它注册到内核中。

这两步完成后,内核会在合适的时机(后面会讲),调用struct device_driver变量中的probe、remove、suspend、resume等回调函数,从而触发或者终结设备驱动的执行。而所有的驱动程序逻辑,都会由这些回调函数实现,此时,驱动开发者眼中便不再有“设备模型”,转而只关心驱动本身的实现。

以上两个步骤的补充说明:

1. 一般情况下,Linux驱动开发很少直接使用device和device_driver,因为内核在它们之上又封装了一层,如soc device、platform device等等,而这些层次提供的接口更为简单、易用(也正是因为这个原因,本文并不会过多涉及device、device_driver等模块的实现细节)。

2. 内核提供很多struct device结构的操作接口(具体可以参考include/linux/device.h和drivers/base/core.c的代码),主要包括初始化(device_initialize)、注册到内核(device_register)、分配存储空间+初始化+注册到内核(device_create)等等,可以根据需要使用。

3. device和device_driver必须具备相同的名称,内核才能完成匹配操作,进而调用device_driver中的相应接口。这里的同名,作用范围是同一个bus下的所有device和device_driver

4. device和device_driver必须挂载在一个bus之下,该bus可以是实际存在的,也可以是虚拟的。

5. driver开发者可以在struct device变量中,保存描述设备特征的信息,如寻址空间、依赖的GPIOs等,因为device指针会在执行probe等接口时传入,这时driver就可以根据这些信息,执行相应的逻辑操作了。

4. 设备驱动probe的时机

所谓的"probe”,是指在Linux内核中,如果存在相同名称的device和device_driver(注:还存在其它方式,我们先不关注了),内核就会执行device_driver中的probe回调函数,而该函数就是所有driver的入口,可以执行诸如硬件设备初始化、字符设备注册、设备文件操作ops注册等动作("remove”是它的反操作,发生在device或者device_driver任何一方从内核注销时,其原理类似,就不再单独说明了)。

设备驱动prove的时机有如下几种(分为自动触发和手动触发):

  • 将struct device类型的变量注册到内核中时自动触发(device_register,device_add,device_create_vargs,device_create)
  • 将struct device_driver类型的变量注册到内核中时自动触发(driver_register)
  • 手动查找同一bus下的所有device_driver,如果有和指定device同名的driver,执行probe操作(device_attach)
  • 手动查找同一bus下的所有device,如果有和指定driver同名的device,执行probe操作(driver_attach)
  • 自行调用driver的probe接口,并在该接口中将该driver绑定到某个device结构中----即设置dev->driver(device_bind_driver)

注2:probe动作实际是由bus模块(会在下一篇文章讲解)实现的,这不难理解:device和device_driver都是挂载在bus这根线上,因此只有bus最清楚应该为哪些device、哪些driver配对。

注3:每个bus都有一个drivers_autoprobe变量,用于控制是否在device或者driver注册时,自动probe。该变量默认为1(即自动probe),bus模块将它开放到sysfs中了,因而可在用户空间修改,进而控制probe行为。

5. 其它杂项

5.1 device_attribute和driver_attribute

在"Linux设备模型(4)_sysfs”中,我们有讲到,大多数时候,attribute文件的读写数据流为:vfs---->sysfs---->kobject---->attibute---->kobj_type---->sysfs_ops---->xxx_attribute,其中kobj_type、sysfs_ops和xxx_attribute都是由包含kobject的上层数据结构实现。

Linux内核中关于该内容的例证到处都是,device也不无例外的提供了这种例子,如下:

1: /* driver/base/core.c, line 118 */ 2: static ssize_t dev_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, 3: char *buf) 4: { 5:     struct device_attribute *dev_attr = to_dev_attr(attr); 6:     struct device *dev = kobj_to_dev(kobj); 7:     ssize_t ret = -EIO; 8: 9:     if (dev_attr->show) 10:        ret = dev_attr->show(dev, dev_attr, buf); 11:        if (ret >= (ssize_t)PAGE_SIZE) { 12:            print_symbol("dev_attr_show: %s returned bad count\n", 13:                        (unsigned long)dev_attr->show); 14:    } 15:    return ret; 16: } 17:  18: static ssize_t dev_attr_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, 19: const char *buf, size_t count) 20: { 21:    struct device_attribute *dev_attr = to_dev_attr(attr); 22:    struct device *dev = kobj_to_dev(kobj); 23:    ssize_t ret = -EIO; 24: 25:    if (dev_attr->store) 26:        ret = dev_attr->store(dev, dev_attr, buf, count); 27:    return ret; 28: } 29:  30: static const struct sysfs_ops dev_sysfs_ops = { 31:    .show = dev_attr_show, 32:    .store = dev_attr_store, 33: }; 34:  35: /* driver/base/core.c, line 243 */ 36: static struct kobj_type device_ktype = { 37:    .release = device_release, 38:    .sysfs_ops = &dev_sysfs_ops, 39:    .namespace = device_namespace, 40: }; 41:  42: /* include/linux/device.h, line 478 */ 43: /* interface for exporting device attributes */ 44: struct device_attribute { 45:    struct attribute attr; 46:    ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, 47:                    char *buf); 48:    ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, 49:                    const char *buf, size_t count); 50: };

 

至于driver的attribute,则要简单的多,其数据流为:vfs---->sysfs---->kobject---->attribute---->driver_attribute,如下:

1: /* include/linux/device.h, line 247 */ 2: /* sysfs interface for exporting driver attributes */ 3:  4: struct driver_attribute { 5:     struct attribute attr; 6:     ssize_t (*show)(struct device_driver *driver, char *buf); 7:     ssize_t (*store)(struct device_driver *driver, const char *buf, 8:                     size_t count); 9: }; 10:  11: #define DRIVER_ATTR(_name, _mode, _show, _store) \ 12: struct driver_attribute driver_attr_##_name = \ 13:    __ATTR(_name, _mode, _show, _store)

5.2 device_type

device_type是内嵌在struct device结构中的一个数据结构,用于指明设备的类型,并提供一些额外的辅助功能。它的的形式如下:

1: /* include/linux/device.h, line 467 */ 2: struct device_type { 3:     const char *name; 4:     const struct attribute_group **groups; 5:     int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env); 6:     char *(*devnode)(struct device *dev, umode_t *mode, 7:                     kuid_t *uid, kgid_t *gid); 8:     void (*release)(struct device *dev); 9:  10:    const struct dev_pm_ops *pm; 11: };

device_type的功能包括:

  • name表示该类型的名称,当该类型的设备添加到内核时,内核会发出"DEVTYPE=‘name’”类型的uevent,告知用户空间某个类型的设备available了
  • groups,该类型设备的公共attribute集合。设备注册时,会同时注册这些attribute。这就是面向对象中“继承”的概念
  • uevent,同理,所有相同类型的设备,会有一些共有的uevent需要发送,由该接口实现
  • devnode,devtmpfs有关的内容,暂不说明
  • release,如果device结构没有提供release接口,就要查询它所属的type是否提供。用于释放device变量所占的空间

5.3 root device

在sysfs中有这样一个目录:/sys/devices,系统中所有的设备,都归集在该目录下。有些设备,是通过device_register注册到Kernel并体现在/sys/devices/xxx/下。但有时候我们仅仅需要在/sys/devices/下注册一个目录,该目录不代表任何的实体设备,这时可以使用下面的接口:

1: /* include/linux/device.h, line 859 */ 2: /* 3: * Root device objects for grouping under /sys/devices 4: */ 5: extern struct device *__root_device_register(const char *name, 6: struct module *owner); 7:  8: /* 9: * This is a macro to avoid include problems with THIS_MODULE, 10: * just as per what is done for device_schedule_callback() above. 11: */ 12: #define root_device_register(name) \ 13: __root_device_register(name, THIS_MODULE) 14:  15: extern void root_device_unregister(struct device *root);

该接口会调用device_register函数,向内核中注册一个设备,但是(你也想到了),没必要注册与之对应的driver(顺便提一下,内核中有很多不需要driver的设备,这是之一)。

 

原创文章,转发请注明出处。蜗窝科技,www.wowotech.net


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

评论 (0 个评论)

facelist

您需要登录后才可以评论 登录 | 注册

Archiver|手机版|小黑屋|52RD我爱研发网 ( 沪ICP备2022007804号-2 )

GMT+8, 2024-11-24 09:53 , Processed in 0.030352 second(s), 17 queries , Gzip On.

Powered by Discuz! X3.5

© 2001-2023 Discuz! Team.

返回顶部