個(gè)人對(duì)于驅(qū)動(dòng)模型的理解概括起來(lái)就是一句話：利用面向?qū)ο缶幊趟枷?，?shí)現(xiàn)設(shè)備分層管理軟件體系結(jié)構(gòu)。

注：代碼分析基于linux-5.4.31

為啥要驅(qū)動(dòng)模型

隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化越來(lái)越復(fù)雜，Linux內(nèi)核對(duì)設(shè)備描述衍生出一般性的抽象描述，形成一個(gè)分層體系結(jié)構(gòu)，從而引入了設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型。這樣描述還是不夠讓人理解，來(lái)看一下這些需求就好理解些：

• Linux內(nèi)核可以在各種體系結(jié)構(gòu)和硬件平臺(tái)上運(yùn)行，因此需要最大限度地提高代碼在平臺(tái)之間的可重用性。
• 分層實(shí)現(xiàn)也實(shí)現(xiàn)了軟件工程的高內(nèi)聚-低耦合的設(shè)計(jì)思想。低耦合體現(xiàn)在對(duì)外提供統(tǒng)一的抽象訪問(wèn)接口，高內(nèi)聚將相關(guān)度緊密的集中抽象實(shí)現(xiàn)。
• Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序模型是先前在內(nèi)核中使用的所有不同驅(qū)動(dòng)程序模型的統(tǒng)一。它旨在通過(guò)將一組數(shù)據(jù)和操作整合到全局可訪問(wèn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，來(lái)擴(kuò)展基于基礎(chǔ)總線來(lái)橋接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模型為它們所控制的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了某種類似于樹的結(jié)構(gòu)(有時(shí)只是一個(gè)列表)。不同類型的總線之間沒有任何一致性。

驅(qū)動(dòng)模型抽象了啥

當(dāng)前驅(qū)動(dòng)程序模型為描述總線和總線下可能出現(xiàn)的設(shè)備提供了一個(gè)通用的、統(tǒng)一的模型。統(tǒng)一總線模型包括一組所有總線都具有的公共屬性和一組公共回調(diào)，如總線探測(cè)期間的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、總線關(guān)閉、總線電源管理等。

通用的設(shè)備和橋接接口反映了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的目標(biāo)：即執(zhí)行無(wú)縫設(shè)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(guī)定的模型（即ACPI）可確保與x86兼容的系統(tǒng)上幾乎任何總線上的幾乎所有設(shè)備都可以在此范式下工作。當(dāng)然，雖然大多數(shù)總線都支持其中大多數(shù)操作，但并不是每條總線都能夠支持所有此類操作。

那么哪些通用需求被抽象出來(lái)了呢？

• 電源系統(tǒng)和系統(tǒng)關(guān)機(jī)，對(duì)于電源管理與系統(tǒng)關(guān)機(jī)對(duì)于設(shè)備相關(guān)的操作進(jìn)行抽象實(shí)現(xiàn)。關(guān)機(jī)為什么要被抽象出來(lái)管理，比如設(shè)備操作正在進(jìn)行此時(shí)系統(tǒng)收到關(guān)機(jī)指令，那么在設(shè)備模型層就會(huì)遍歷系統(tǒng)設(shè)備硬件，確保系統(tǒng)正確關(guān)機(jī)。

• 用戶空間訪問(wèn)：sysfs虛擬文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備模型對(duì)外的訪問(wèn)抽象，這也是為什么說(shuō)Linux 設(shè)備也是文件的由來(lái)。實(shí)際從軟件架構(gòu)層面看，這其實(shí)是一個(gè)軟件橋接模塊，抽象出統(tǒng)一用戶訪問(wèn)接口，橋接了設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

• 熱插拔管理：熱插拔管理機(jī)制定義統(tǒng)一的抽象接口操作符kset_hotplug_ops，不同設(shè)備利用操作符實(shí)現(xiàn)差異化。

• 設(shè)備類型：設(shè)備分類機(jī)制，從高層級(jí)抽象描述設(shè)備類型，具體可以在sysfs下面體現(xiàn)。

用戶空間訪問(wèn)

由于具有系統(tǒng)中所有設(shè)備的完整分層視圖，因此將完整的分層視圖導(dǎo)出到用戶空間變得相對(duì)容易。這是通過(guò)實(shí)現(xiàn)名為sysfs虛擬文件系統(tǒng)來(lái)完成的。

sysfs的自動(dòng)掛載通常是通過(guò)/etc/fstab文件中的以下條目來(lái)完成的：

none   /sys	sysfs  defaults	 0 0

對(duì)于Debian系統(tǒng)而言，可能在/lib/init/fstab采用下面的形式掛載：

none  /sys    sysfs    nodev,noexec,nosuid    0 0

當(dāng)然也可以采用手動(dòng)方式掛載：

# mount -t sysfs sysfs /sys

當(dāng)將設(shè)備插入樹中時(shí)，都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)目錄。該目錄可以填充在發(fā)現(xiàn)的每個(gè)層（全局層，總線層或設(shè)備層）中。

全局層當(dāng)前創(chuàng)建兩個(gè)文件-'name'和'power'。前者報(bào)告設(shè)備名稱。后者報(bào)告設(shè)備的當(dāng)前電源狀態(tài)。它還將用于設(shè)置當(dāng)前電源狀態(tài)。

總線層為探測(cè)總線時(shí)發(fā)現(xiàn)的設(shè)備創(chuàng)建文件。例如，PCI層當(dāng)前為每個(gè)PCI設(shè)備創(chuàng)建“ irq”和“resource”文件。

特定于設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序也可以在其目錄中導(dǎo)出文件，以暴露特定于設(shè)備的數(shù)據(jù)或可用接口。

驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)

先來(lái)梳理一下內(nèi)部幾個(gè)主要與驅(qū)動(dòng)模型相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

./include/linux/Device.h 定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• bus_type：抽象描述總線類型，如USB/PCI/I2C/MMC等
• device_driver：實(shí)現(xiàn)具體連接在總線上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
• device：描述連接在總線上的設(shè)備

./include/linux/Kobject.h中定義了隱藏在后臺(tái)的類似于基類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• kset：可以認(rèn)為是kobject的頂層容器類。每個(gè)kset內(nèi)部都包含了自己的kobject.
• kobject：在 sysfs 中出現(xiàn)的每個(gè)對(duì)象都對(duì)應(yīng)一個(gè) kobject, 它和內(nèi)核交互來(lái)創(chuàng)建它的可見表述,每一個(gè) kobject 對(duì)應(yīng) 文件系統(tǒng) /sys 里的一個(gè) 目錄，目錄的名字就是結(jié)構(gòu)體中的 name

bus_type

bus_type用以驅(qū)動(dòng)總線，具體的驅(qū)動(dòng)USB/I2C/PCI/MMC等：

• 注冊(cè)總線，利用bus_register注冊(cè)總線，bus_unregister刪除總線。如下例子，每種總線須定義一個(gè)bus_type對(duì)象，并利用bus_register注冊(cè)總線，或bus_unregister刪除總線。

/*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);
    /*注冊(cè)I2C總線*/
 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(cuò)誤時(shí)刪除總線*/
 bus_unregister(&i2c_bus_type);
 return retval;
}

• 注冊(cè)適配器驅(qū)動(dòng)程序（USB控制器，I2C適配器等），以檢測(cè)連接的設(shè)備，并提供與設(shè)備的通信機(jī)制
• 圖中的match函數(shù)接口用于將驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備進(jìn)行匹配。match回調(diào)的目的是使總線有機(jī)會(huì)通過(guò)比較驅(qū)動(dòng)程序支持的設(shè)備ID與特定設(shè)備的設(shè)備ID來(lái)確定特定驅(qū)動(dòng)程序是否支持特定設(shè)備，而不會(huì)犧牲特定于總線的功能或類型安全性 。當(dāng)向總線注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，將遍歷總線的設(shè)備列表，并為每個(gè)沒有與之關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備調(diào)用match回調(diào)。
• 提供API函數(shù)以實(shí)現(xiàn)適配器驅(qū)動(dòng)以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
• 同時(shí)dev_pm_ops *pm實(shí)現(xiàn)對(duì)于總線的功耗管理接口抽象。對(duì)于特定總線實(shí)現(xiàn)這個(gè)操作符對(duì)應(yīng)的函數(shù)。

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 操作符提供總線相關(guān)的IOMMU抽象。
• 設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到總線上時(shí)，將在sysfs管理總線/設(shè)備/設(shè)備驅(qū)動(dòng)的層次關(guān)系，以PCI為例：

/*在總線上注冊(cè)的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)在總線的驅(qū)動(dòng)程序目錄中獲得一個(gè)目錄*/
/sys/bus/pci/
        |-- devices
        `-- drivers
            |-- Intel ICH
            |-- Intel ICH Joystick
            |-- agpgart
            `-- e100
/*在該類型的總線上發(fā)現(xiàn)的每個(gè)設(shè)備都會(huì)在總線的設(shè)備目錄中獲得到物理層次結(jié)構(gòu)中該設(shè)備目錄的符號(hào)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

• 總線屬性：bus_groups/設(shè)備屬性dev_groups/驅(qū)動(dòng)屬性drv_groups。

device

• 作用：抽象描述具體的設(shè)備

• 設(shè)備注冊(cè)：發(fā)現(xiàn)設(shè)備的總線驅(qū)動(dòng)程序使用下面的函數(shù)來(lái)向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備

int device_register(struct device * dev);

• 利用device_unregister()從總線上刪除設(shè)備

device_driver

• 作用：抽象描述連接在總線上的具體設(shè)備的驅(qū)動(dòng)
• 驅(qū)動(dòng)注冊(cè)，通過(guò)下面的函數(shù)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)

int driver_register(struct device_driver *drv);

• 使用它使用以下命令從驅(qū)動(dòng)程序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(shè)備的高層視圖，描述的是設(shè)備的集合。抽象了同類型的設(shè)備的底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。比如所有的網(wǎng)絡(luò)接口都位于/sys/class/net下
• struct subsys_private *p描述類鏈表

kobject/kset

• kobject類似于面向?qū)ο笾械膬?nèi)核基類，內(nèi)核利用它將各個(gè)對(duì)象連接起來(lái)組成分層的機(jī)構(gòu)體系，其parent指針將形成一個(gè)樹狀分層結(jié)構(gòu)。
• kset內(nèi)部包含了kobject。重心在描述對(duì)象的聚集于集合。這也是set一詞的含義。每一個(gè)kset添加到系統(tǒng)中，都將在sysfs中創(chuàng)建一個(gè)目錄
• kobject/kset一起實(shí)現(xiàn)了sysfs虛擬文件系統(tǒng)中設(shè)備/總線/設(shè)備驅(qū)動(dòng)樹狀分層結(jié)構(gòu)的最關(guān)鍵的底層實(shí)現(xiàn)由來(lái)。

總體上而言：

通過(guò)上面一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系分析，總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型最終目的是實(shí)現(xiàn)如下這樣一個(gè)分層驅(qū)動(dòng)模型。

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“嵌入式客棧”，作者逸珺