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Linux设备驱动模型

 
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尽管LDD3中说对多数程序员掌握设备驱动模型不是必要的，但对于嵌入式Linux的底层程序员而言，对设备驱动模型的学习非常重要。

Linux设备模型的目的：为内核建立一个统一的设备模型，从而又一个对系统结构的一般性抽象描述。换句话说，Linux设备模型提取了设备操作的共同属性，进行抽象，并将这部分共同的属性在内核中实现，而为需要新添加设备或驱动提供一般性的统一接口，这使得驱动程序的开发变得更简单了，而程序员只需要去学习接口就行了。

在正式进入设备驱动模型的学习之前，有必要把documentation/filesystems/sysfs.txt读一遍（不能偷懒）。sysfs.txt主要描述/sys目录的创建及其属性，sys目录描述了设备驱动模型的层次关系，我们可以简略看一下/sys目录，


block：所有块设备

devices：系统所有设备（块设备特殊），对应struct device的层次结构

bus：系统中所有总线类型（指总线类型而不是总线设备，总线设备在devices下），bus的每个子目录都包含

--devices：包含到devices目录中设备的软链接

--drivers：与bus类型匹配的驱动程序

class：系统中设备类型（如声卡、网卡、显卡等）

fs：一些文件系统，具体可参考filesystems /fuse.txt中例子

dev：包含2个子目录

--char：字符设备链接，链接到devices目录，以<major>:<minor>命名

--block：块设备链接

Linux设备模型学习分为：Linux设备底层模型，描述设备的底层层次实现（kobject）；Linux上层容器，包括总线类型（bus_type）、设备（device）和驱动（device_driver）。

====Linux设备底层模型 ====

谨记：像上面看到的一样，设备模型是层次的结构，层次的每一个节点都是通过kobject实现的。在文件上则体现在sysfs文件系统。

kobject结构

内核中存在struct kobject数据结构，每个加载到系统中的kobject都唯一对应/sys或者子目录中的一个文件夹。可以这样说，许多kobject结构就构成设备模型的层次结构。每个kobject对应一个或多个struct attribute描述属性的结构。

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  1. struct kobject{
  2. constchar*name;/*对应sysfs的目录名*/
  3. struct list_head entry;/*kobjetct双向链表*/
  4. struct kobject*parent;/*指向kset中的kobject，相当于指向父目录*/
  5. struct kset*kset;/*指向所属的kset*/
  6. struct kobj_type*ktype;/*负责对kobject结构跟踪*/
  7. struct sysfs_dirent*sd;
  8. struct kref kref;/*kobject引用计数*/
  9. unsignedintstate_initialized:1;
  10. unsignedintstate_in_sysfs:1;
  11. unsignedintstate_add_uevent_sent:1;
  12. unsignedintstate_remove_uevent_sent:1;
  13. unsignedintuevent_suppress:1;
  14. };


kobject结构是组成设备模型的基本结构，最初kobject设计只用来跟踪模块引用计数，现已增加支持，

——sysfs表述：在sysfs中的每个对象都有对应的kobject

—— 数据结构关联：通过链接将不同的层次数据关联

—— 热插拔事件处理：kobject子系统将产生的热插拔事件通知用户空间

kobject一般不单独使用，而是嵌入到上层结构（比如struct device，struct device_driver）当中使用。kobject的创建者需要直接或间接设置的成员有：ktype、kset和parent。kset我们后面再说，parent设置为NULL时，kobject默认创建到/sys顶层目录下，否则创建到对应的kobject目录中。重点来分析ktype成员的类型，

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  1. #include<kobject.h>
  2. struct kobj_type{
  3. void(*release)(struct kobject*kobj);/*释放*/
  4. conststruct sysfs_ops*sysfs_ops;/*默认属性实现*/
  5. struct attribute**default_attrs;/*默认属性*/
  6. conststruct kobj_ns_type_operations*(*child_ns_type)(struct kobject*kobj);
  7. constvoid*(*namespace)(struct kobject*kobj);
  8. };


ktype包含了释放设备、默认属性以及属性的实现方法几个重要成员。每个kobject必须有一个release方法，并且kobject在该方法被调用之前必须保持不变（处于稳定状态）。默认属性的结构如下，

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  1. #include<linux/sysfs.h>
  2. struct attribute{
  3. constchar*name;/*属性名称*/
  4. mode_t mode;/*属性保护：只读设为S_IRUGO，可写设为S_IWUSR*/
  5. }


kobj_type中的default_attrs为二级结构指针，可以对每个kobject使用多个默认属性，最后一个属性使用NULL填充。struct sysfs_ops结构则如下，

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  1. struct sysfs_ops{
  2. ssize_t(*show)(struct kobject*,struct attribute*,char*);
  3. ssize_t(*store)(struct kobject*,struct attribute*,constchar*,size_t);
  4. };


show方法用于将传入的指定属性编码后放到char *类型的buffer中，store则执行相反功能：将buffer中的编码信息解码后传递给struct attribute类型变量。两者都是返回实际的属性长度。

一个使用kobject的简单例子如下，

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  1. #include<linux/module.h>
  2. #include<linux/init.h>
  3. #include<linux/device.h>
  4. #include<linux/string.h>
  5. #include<linux/sysfs.h>
  6. #include<linux/kernel.h>

  8. MODULE_AUTHOR("xhzuoxin");
  9. MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

  11. void my_obj_release(struct kobject*kobj)
  12. {
  13. printk("release ok.n");
  14. }

  16. ssize_t my_sysfs_show(struct kobject*kobj,struct attribute*attr,char*buf)
  17. {
  18. printk("my_sysfs_show.n");
  19. printk("attrname:%s.n",attr->name);
  20. sprintf(buf,"%s",attr->name);
  21. return strlen(attr->name)+1;
  22. }

  24. ssize_t my_sysfs_store(struct kobject*kobj,struct attribute*attr,constchar*buf,
  25. size_t count)
  26. {
  27. printk("my_sysfs_store.n");
  28. printk("write:%sn",buf);

  30. return count;
  31. }

  33. struct sysfs_ops my_sysfs_ops={
  34. .show=my_sysfs_show,
  35. .store=my_sysfs_store,
  36. };

  38. struct attribute my_attrs={
  39. .name="zx_kobj",
  40. .mode=S_IRWXUGO,
  41. };

  43. struct attribute*my_attrs_def[]={
  44. &my_attrs,
  45. NULL,
  46. };
  47. struct kobj_type my_ktype={
  48. .release=my_obj_release,
  49. .sysfs_ops=&my_sysfs_ops,
  50. .default_attrs=my_attrs_def,
  51. };

  53. struct kobject my_kobj;

  55. int__init kobj_test_init(void)
  56. {
  57. printk("kobj_test init.n");
  58. kobject_init_and_add(&my_kobj,&my_ktype,NULL,"zx");

  60. return 0;
  61. }

  63. void __exit kobj_test_exit(void)
  64. {
  65. printk("kobj_test exit.n");
  66. kobject_del(&my_kobj);
  67. }

  69. module_init(kobj_test_init);
  70. module_exit(kobj_test_exit);


例子中有两个函数，用于初始化添加和删除kobject结构，

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  1. intkobject_init_and_add(struct kobject*kobj,struct kobj_type*ktype,
  2. struct kobject*parent,constchar*fmt,...);/*fmt指定kobject名称*/
  3. void kobject_del(struct kobject*kobj);


加载模块后，在/sys目录下增加了一个叫zx达到目录，zx目录下创建了一个属性文件zx_kobj，使用tree /sys/zx查看。

内核提供了许多与kobject结构相关的函数，如下：

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  1. //kobject初始化函数
  2. void kobject_init(struct kobject*kobj);
  3. //设置指定kobject的名称
  4. intkobject_set_name(struct kobject*kobj,constchar*format,...);
  5. //将kobj 对象的引用计数加，同时返回该对象的指针
  6. struct kobject*kobject_get(struct kobject*kobj);
  7. //将kobj对象的引用计数减，如果引用计数降为，则调用kobject release()释放该kobject对象
  8. void kobject_put(struct kobject*kobj);
  9. //将kobj对象加入Linux设备层次。挂接该kobject对象到kset的list链中，增加父目录各级kobject的引//用计数，在其parent指向的目录下创建文件节点，并启动该类型内核对象的hotplug函数
  10. intkobject_add(struct kobject*kobj);
  11. //kobject注册函数,调用kobject init()初始化kobj，再调用kobject_add()完成该内核对象的注册
  12. intkobject_register(struct kobject*kobj);
  13. //从Linux设备层次(hierarchy)中删除kobj对象
  14. void kobject_del(struct kobject*kobj);
  15. //kobject注销函数.与kobject register()相反，它首先调用kobject del从设备层次中删除该对象，再调//用kobject put()减少该对象的引用计数，如果引用计数降为，则释放kobject对象
  16. void kobject_unregister(struct kobject*kobj);


kset结构

我们先看上图，kobject通过kset组织成层次化的结构，kset将一系列相同类型的kobject使用（双向）链表连接起来，可以这样 认为，kset充当链表头作用，kset内部内嵌了一个kobject结构。内核中用kset数据结构表示为：

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  1. #include<linux/kobject.h>
  2. struct kset{
  3. struct list_head list;/*用于连接kset中所有kobject的链表头*/
  4. spinlock_t list_lock;/*扫描kobject组成的链表时使用的锁*/
  5. struct kobject kobj;/*嵌入的kobject*/
  6. conststruct kset_uevent_ops*uevent_ops;/*kset的uevent操作*/
  7. };


与kobject相似，kset_init()完成指定kset的初始化，kset_get()和kset_put()分别增加和减少kset对象的引用计数。Kset_add()和kset_del()函数分别实现将指定keset对象加入设备层次和从其中删除；kset_register()函数完成kset的注册而kset_unregister()函数则完成kset的注销。

==== 设备模型上层容器 ====

这里要描述的上层容器包括总线类型（bus_type）、设备（device）和驱动（device_driver），这3个模型环环相扣，参考图9-2。为何称为容器？因为bus_type/device/device_driver结构都内嵌了Linux设备的底层模型（kobject结构）。为什么称为上层而不是顶层？因为实际的驱动设备结构往往内嵌bus_type/device/device_driver这些结构，比如pci，usb等。

总线类型、设备、驱动3者之间关系：

在继续之前，自我感觉需要区分2个概念：总线设备与总线类型。总线设备本质上是一种设备，也需要像设备一样进行初始化，但位于设备的最顶层，总线类型是一种在设备和驱动数据结构中都包含的的抽象的描述（如图9-2），总线类型在/sys/bus目录下对应实体，总线设备在/devices目录下对应实体。

总线类型bus_type

内核对总线类型的描述如下：

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  1. struct bus_type{
  2. constchar*name;/*总线类型名*/
  3. struct bus_attribute*bus_attrs;/*总线的属性*/
  4. struct device_attribute*dev_attrs;/*设备属性,为每个加入总线的设备建立属性链表*/
  5. struct driver_attribute*drv_attrs;/*驱动属性,为每个加入总线的驱动建立属性链表*/

  7. /*驱动与设备匹配函数:当一个新设备或者驱动被添加到这个总线时，这个方法会被调用一次或多次，若指定的驱动程序能够处理指定的设备，则返回非零值。必须在总线层使用这个函数,因为那里存在正确的逻辑，核心内核不知道如何为每个总线类型匹配设备和驱动程序*/
  8. int(*match)(struct device*dev,struct device_driver*drv);
  9. /*在为用户空间产生热插拔事件之前，这个方法允许总线添加环境变量（参数和 kset 的uevent方法相同）*/
  10. int(*uevent)(struct device*dev,struct kobj_uevent_env*env);
  11. int(*probe)(struct device*dev);/**/
  12. int(*remove)(struct device*dev);/*设备移除调用操作*/
  13. void(*shutdown)(struct device*dev);

  15. int(*suspend)(struct device*dev,pm_message_t state);
  16. int(*resume)(struct device*dev);

  18. conststruct dev_pm_ops*pm;

  20. struct subsys_private*p;/*一个很重要的域，包含了device链表和drivers链表*/
  21. };


接着对bus_type中比较关注的几个成员进行简述，

[1] struct bus_attribute结构，device_attribute与driver_attribute将分别在设备和驱动分析过程中看到，

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  1. struct bus_attribute{
  2. struct attribute attr;
  3. ssize_t(*show)(struct bus_type*bus,char*buf);
  4. ssize_t(*store)(struct bus_type*bus,constchar*buf,size_t count);
  5. };


[2] subsys_private中包含了对加入总线的设备的链表描述和驱动程序的链表描述，省略的部分结构如下

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  1. struct subsys_private{
  2. struct kset subsys;
  3. struct kset*devices_kset;/*使用kset构建关联的devices链表头*/
  4. struct kset*drivers_kset;/*使用kset构建关联的drivers链表头*/
  5. struct klist klist_devices;/*通过循环可访问devices_kset的链表*/
  6. struct klist klist_drivers;/*通过循环可访问drivers_kset的链表*/
  7. struct bus_type*bus;/*反指向关联的bus_type结构*/
  8. ......
  9. };


bus_type通过扫描设备链表和驱动链表，使用mach方法查找匹配的设备和驱动，然后将struct device中的*driver设置为匹配的驱动，将struct device_driver中的device设置为匹配的设备，这就完成了将总线、设备和驱动3者之间的关联。

bus_type只有很少的成员必须提供初始化，大部分由设备模型核心控制。内核提供许多函数实现bus_type的注册注销等操作，新注册的总线可以再/sys/bus目录下看到。

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  1. struct bus_type ldd_bus_type={/*bus_type初始化*/
  2. .name="ldd",
  3. .match=ldd_match,/*方法实现参见实例*/
  4. .uevent=ldd_uevent,/*方法实现参见实例*/
  5. };
  6. ret=bus_register(&ldd_bus_type);/*注册，成功返回0*/
  7. if(ret)
  8. return ret;
  9. void bus_unregister(struct bus_type*bus);/*注销*/


设备device

设备通过device结构描述，

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  1. struct device{
  2. struct device*parent;/*父设备，总线设备指定为NULL*/
  3. struct device_private*p;/*包含设备链表，driver_data（驱动程序要使用数据）等信息*/
  4. struct kobject kobj;
  5. constchar*init_name;/*初始默认的设备名,但@device_add调用之后又重新设为NULL*/
  6. struct device_type*type;
  7. struct mutex mutex;/*mutextosynchronize callstoits driver*/
  8. struct bus_type*bus;/*type of bus deviceison*/
  9. struct device_driver*driver;/*which driver has allocated this device*/
  10. void*platform_data;/*Platform specific data,device core doesn't touch it*/
  11. struct dev_pm_info power;

  13. #ifdef CONFIG_NUMA
  14. intnuma_node;/*NUMA node this deviceiscloseto*/
  15. #endif
  16. u64*dma_mask;/*dma mask(ifdma'able device)*/
  17. u64 coherent_dma_mask;/*Like dma_mask,butfor
  18. alloc_coherent mappings as
  19. notall hardware supports
  20. 64 bit addressesforconsistent
  21. allocations such descriptors.*/
  22. struct device_dma_parameters*dma_parms;
  23. struct list_head dma_pools;/*dma pools(ifdma'ble)*/
  24. struct dma_coherent_mem*dma_mem;/*internalforcoherent mem override*/
  25. /*arch specific additions*/
  26. struct dev_archdata archdata;
  27. #ifdef CONFIG_OF
  28. struct device_node*of_node;
  29. #endif

  31. dev_t devt;/*dev_t,creates the sysfs"dev"设备号*/
  32. spinlock_t devres_lock;
  33. struct list_head devres_head;
  34. struct klist_node knode_class;
  35. structclass*class;
  36. conststruct attribute_group**groups;/*optional groups*/

  38. void(*release)(struct device*dev);
  39. };


设备在sysfs文件系统中的入口可以有属性，这通过struct device_attribute单独描述，提供device_create_file类型函数添加属性。

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  1. /*interfaceforexporting device attributes*/
  2. struct device_attribute{
  3. struct attribute attr;
  4. ssize_t(*show)(struct device*dev,struct device_attribute*attr,
  5. char*buf);
  6. ssize_t(*store)(struct device*dev,struct device_attribute*attr,
  7. constchar*buf,size_t count);
  8. };


使用宏DEVICE_ATTR宏可以方便地再编译时构建设备属性，构建好属性之后就必须将属性添加到设备。

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  1. /*最终生成变量dev_attr_##_name描述属性，
  2. *比如DEVICE_ATTR(zx,S_IRUGO,show_method,NULL);
  3. *则create_file中entry传入实参为dev_attr_zx*/
  4. DEVICE_ATTR(_name,_mode,_show,_store);
  5. /*属性文件的添加与删除使用以下函数*/
  6. intdevice_create_file(struct device*device,struct device_attribute*entry);
  7. void device_remove_file(struct device*dev,struct device_attribute*attr);


总线设备的注册：总线设备与一般设备一样，需要单独注册，与一般设备不同，总线设备的parent与bus域设为NULL。一般设备注册注销函数为

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  1. intdevice_register(struct device*dev);/*成功返回0，需要检查返回值*/
  2. void device_unregister(struct device*dev);


实际创建新设备时，不是直接使用device结构，而是将device结构嵌入到具体的设备结构当中，比如


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  1. struct ldd_device{
  2. char*name;/*设备名称*/
  3. struct ldd_driver*driver;/*ldd设备关联的驱动*/
  4. struct device dev;/*嵌入的device结构*/
  5. };
  6. /*同时提供根据device结构获取ldd_device结构的宏定义*/
  7. #define to_ldd_device(dev)container_of(dev,struct ldd_device,dev);


驱动device_driver

驱动结构描述，

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  1. struct device_driver{
  2. constchar*name;/*驱动名称,在sysfs中以文件夹名出现*/
  3. struct bus_type*bus;/*驱动关联的总线类型*/
  4. struct module*owner;
  5. constchar*mod_name;/*usedforbuilt-inmodules*/
  6. bool suppress_bind_attrs;/*disables bind/unbind via sysfs*/

  8. #ifdefined(CONFIG_OF)
  9. conststruct of_device_id*of_match_table;
  10. #endif

  12. int(*probe)(struct device*dev);
  13. int(*remove)(struct device*dev);
  14. void(*shutdown)(struct device*dev);
  15. int(*suspend)(struct device*dev,pm_message_t state);
  16. int(*resume)(struct device*dev);
  17. conststruct attribute_group**groups;

  19. conststruct dev_pm_ops*pm;

  21. struct driver_private*p;
  22. };
  23. struct driver_private{/*定义device_driver中的私有数据类型*/
  24. struct kobject kobj;/*内建kobject*/
  25. struct klist klist_devices;/*驱动关联的设备链表，一个驱动可以关联多个设备*/
  26. struct klist_node knode_bus;
  27. struct module_kobject*mkobj;
  28. struct device_driver*driver;/*连接到的驱动链表*/
  29. };
  30. #define to_driver(obj)container_of(obj,struct driver_private,kobj)


与设备和总线类似，驱动可以有属性，需要单独定义并添加。

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  1. /*sysfs interfaceforexporting driver attributes*/
  2. struct driver_attribute{
  3. struct attribute attr;
  4. ssize_t(*show)(struct device_driver*driver,char*buf);
  5. ssize_t(*store)(struct device_driver*driver,constchar*buf,
  6. size_t count);
  7. };
  8. DRIVER_ATTR(_name,_mode,_show,_store);/*最终创建变量driver_attr_##_name描述属性*/
  9. /*属性文件创建的方法:*/
  10. intdriver_create_file(struct device_driver*drv,struct driver_attribute*attr);
  11. void driver_remove_file(struct device_driver*drv,struct driver_attribute*attr);


驱动的注册与注销

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  1. /*注册device_driver 结构的函数*/
  2. intdriver_register(struct device_driver*drv);
  3. void driver_unregister(struct device_driver*drv);


与设备结构一样，在编写新设备的驱动程序时，常常将device_driver结构嵌入到新设备结构当中使用。

====实例分析 ====

实例源代码主要来自LDD3提供的示例代码，因为LDD3的代码是linux-2.6.10版本，因此需要对源代码做一些修改。所有源代码参见：device_model.zip。因为两个模块关联，我们这使用一个Makefile文件同时编译2个模块，如下


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  1. obj-m:=lddbus.o sculld.o


lddbus模块分析

包括2个文件，lddbus.c（example/lddbus/）与lddbus.h（example/include/）。lddbus.h中使用extern申明了将要使用EXPORT_SYMBOL导出的变量ldd_bus_type，lddbus.c中创建了总线类型ldd_bus_type以及总线设备ldd_bus。

lddbus.h

-> extern ldd_bus_type

lddbus.c

-> ldd_bus_type (EXPORT_SYMBOL)

-> ldd_bus

由于版本变迁，对源代码做了修改，（i）热插拔不再使用hotplug函数，因此将该操作去掉了；（ii）dev->bus_id[]改成了使用dev_set_name()设置设备名称，使用init_name也可以设置，但后来发现init_name会在调用device_add之后就被赋值为NULL，这导致一个重大内核错误（kernel panic），将在后面详述。

分析源代码：作者定义了ldd_device与ldd_driver，两个变量分别内嵌device与device_driver结构，然后分别为ldd_device定义了注册函数register_ldd_device和注销函数unregister_ldd_device，对ldd_driver也做了类似的工作。还宏定义了to_ldd_driver和to_ldd_device来使用内嵌结构（device/device_driver）访问更上层的容器ldd_device和ldd_driver。但是不用着急，实际模块装载时没有使用ldd_device或者ldd_driver，而是将它们和相关的注册注销等操作使用EXPORT_SYMBOL导出到其它模块使用（这将在实例sculld模块中看到）。

struct ldd_device/register_ldd_device/unregister_ldd_device

-> struct device/ device_register/device_unregister

-> to_ldd_device

struct ldd_driver也类似

LDD3的Makefile中普遍使用了CFLAGS变量，但在新的内核版本中，该变量与内核Makefile的CFLAGS变量冲突，因此将所有的Makefile的CFLAGS变量替换成了EXTRA_CFLAGS。

装载模块后，查看/sys/bus目录下，增加了ldd文件夹，/sys/devices目录下增加了ldd0文件夹。

sculld模块分析

sculld模块是接着lddbus在加载lddbus基础上进行的，sculld使用了lddbus中导出的ldd_device和ldd_driver结构。我们大致分析下总体的设备和驱动注册的调用关系，

scull_init()

->register_ldd_driver() //由lddbus模块导出

->driver_register()

->sculld_register_dev()

->register_ldd_dev() //由lddbus模块导出

->device_register()

装载程序后查看bus/ldd/devices目录下，bus/ldd/drivers目录下多了驱动程序，多了4个设备，devices/ldd0下也多了4个设备。

关于kernel panic错误

在修改lddbus与sculld中，装载sculld模块时遇到如下错误，同时键盘大写字母指示灯闪烁，操作系统被锁定，只能强制关机。现在记录分析及解决错误的过程，

从网上找到资料，kernel panic类型错误要跟踪信息，还好，使用的虚拟机，把出错的状态截屏了。kernnel panic错误分硬件和软件，一般是由于指针指向了NULL。硬件有EIP指示出错位置，如上图有一行

EIP:[<c06044d1>] strncmp+0x11/0x38

好了，strncmp就是指示出错位置，然后到源代码中找到使用该函数地方，出错前为

!strncmp(dev->init_name,driver->name,strlen(driver->name));

前面说过，dev->init_name在调用device_register之后就被设置为NULL了，好了，就是它了，改成如下（通过kobj访问设备名称）就OK。

!strncmp(dev->kobj.name,driver->name,strlen(driver->name));

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