Linux设备模型 学习总结

来自：湛蓝思微 blog

看LDD3
中设备模型一章，觉得思维有些混乱。这里从整体的角度来理理思路。

本文从四个方面来总结一些内容：

1.

底层数据结构：kobject,kset.

2.linux
设备模型层次关系：bus_type,device,device_driver.

3.
集成：PCI
设备驱动模型实例及设备，设备驱动注册源码的简单分析.

4.

面向对象的思想在linux
设备模型中的应用分析.

一、
底层数据结构：kobject,kset

先说说模型的意义:

总体来说是为了系统地管理所有设备。

在具体实现方面分两个层次：

一是底层数据结构来实现基本对象及其层次关系：kobjects
和ksets
。

二是基于这两个底层数据结构上实现的设备模型：总线，设备，驱动。

kobject

结合面向对象的思维。这个kobject
属于最基础的结构，也就是最高抽象层(
有点像java
中的Cobject
类)
。任何一个设备模型如总线，设备，驱动都属于一个kobject
。在实现上这种派生关系就是在结构体中包含一个kobject
的变量。

这个在层次上处理最顶层的kobject
结构提供了所有模型需要的最基本的功能：

1
引用计数
用于内核维护其存在与消亡

2 sysfs
表示
每个sys/

下的对象对应着一个kobject
。

3
热拔插事件处理。 处理设备的热拔插事件。

Kobjects
在内核中对应有一套申请，初始化，添加，注册，计数操作，释放等函数

struct kobject {

const char * k_name;

名

char name[KOBJ_NAME_LEN];

struct kref kref;
计数

struct list_head entry;
用于连接到同类kobjects
的链表

struct kobject * parent;
用于实现层次，指向其父对象。

struct kset * kset;
用于实现层次，所属的集合

struct kobj_type * ktype;
指向对象的类型。

struct dentry * dentry;
指示在sysfs
中的目录项

wait_queue_head_t poll;

}; (linux 2.6.18)

Kset
和kobj_type

Kset

在概念上是一个集合或者叫容器。实现了对象的层次。
所有属于一个ksets
的对象(kobject)
的parent
都指向该ksets
的kobj.
同时这个对象都连接到kset
的list
表上。 同时位于ksets
层次之上的是subsys
，在最新的内核中已经取消subsys
，因为它本质上也就是一个ksets
。Kset
有一套类似kobject
的操作，实现上只是进一步调用其自身kobj
的相应操作，毕竟ksets
本质上也是一个kobject
。

struct kset {

struct subsystem * subsys;
在最新内核中已经没有subsys

概念了。统一用ksets

struct kobj_type * ktype;
类型。

struct list_head list;
同一kset
的链表

spinlock_t list_lock;

struct kobject kobj;
自身的kobjects

struct kset_uevent_ops * uevent_ops;

};(linux 2.6.18)

最后
属于同一个集合的对象可以拥有共同的属性：ktype

。

struct kobj_type {

void (*release)(struct kobject *);

struct sysfs_ops * sysfs_ops;

struct attribute ** default_attrs;

};

所谓的属性更具体一点说就是一些键值对。并且在sysfs_ops
中的show
函数被文件系统调用来显示sys/
下面对应入口各属性的值。

如此
，kobjects
与ksets
实现层次树的底层骨架。

进一步地，通过封装这些底层结构来实现上层的设备驱动模型。

内核设备驱动模型层次划分三个方面：总线，设备，驱动。

二、
linux

设备模型层次关系：bus_type,device,device_driver

基本关系简要的概括如下：

驱动核心可以注册多种类型的总线。

每种总线下面可以挂载许多设备。(
通过kset devices)

每种总线下可以用很多设备驱动。(
通过包含一个kset
drivers)}

每个驱动可以处理一组设备。

这种基本关系的建立源于实际系统中各种总线，设备，驱动结构的抽象。

下面看看三者数据结构的定义。

首先是总线，bus_type.

struct bus_type {

const char * name;

struct
subsystem subsys;//
代表自身

struct kset drivers; //
当前总线的设备驱动集合

struct kset devices; //
所有设备集合

struct klist klist_devices;

struct klist klist_drivers;

struct
bus_attribute * bus_attrs;//
总线属性

struct device_attribute * dev_attrs;//
设备属性

struct driver_attribute * drv_attrs;

int (*match)(struct
device * dev, struct device_driver * drv);//
设备驱动匹配函数

int (*uevent)(struct device *dev, char **envp,

int num_envp, char *buffer, int buffer_size);//
热拔插事件

int (*probe)(struct device * dev);

int (*remove)(struct device * dev);

void (*shutdown)(struct device * dev);

int (*suspend)(struct device * dev, pm_message_t state);

int (*resume)(struct device * dev);

};

这是2.6.18
的定义。源码能说明一切。下面是设备device

的定义：

struct device {

struct device * parent; //

父设备，一般一个bus

也对应一个设备。

struct kobject kobj;//
代表自身

char bus_id[BUS_ID_SIZE];

struct bus_type * bus; /*
所属的总线
*/

struct device_driver *driver; /*
匹配的驱动*/

void *driver_data; /*
data private to the driver
指向驱动 */

void *platform_data; /* Platform specific data
，由驱动定义并使用*/

///
更多字段忽略了

};

下面是设备驱动定义：

struct device_driver {

const char * name;

struct bus_type * bus;//
所属总线

struct
completion unloaded;

struct kobject kobj;//
代表自身

struct klist klist_devices;//
设备列表

struct klist_node knode_bus;

struct
module * owner;

int (*probe) (struct
device * dev);

int (*remove) (struct device * dev);

void (*shutdown) (struct device * dev);

int (*suspend) (struct device * dev, pm_message_t state);

int (*resume) (struct device * dev);

};

OK
。基本的东西弄明白了。通过PCI

驱动中设备模型的实例来看看细节。

三、
集成：PCI
设备驱动模型实例及设备，设备驱动注册源码的简单分析.

先看pci
总线类型定义：

struct bus_type pci_bus_type = {

.name = "pci",

.match = pci_bus_match,

.uevent = pci_uevent,

.probe = pci_device_probe,

.remove = pci_device_remove,

.suspend = pci_device_suspend,

.shutdown = pci_device_shutdown,

.resume = pci_device_resume,

.dev_attrs = pci_dev_attrs,

};

然后是pci
设备和驱动。pci
设备和pci
驱动没有直接使用device
和device_driver

，而是将二者封装起来，加上pci
特定信息构成pci_dev
和pci_driver
。当然，意义是一样的。

struct pci_dev {

/* PCI

设备的ID
信息*/

unsigned int devfn;

unsigned short vendor;

unsigned short device;

unsigned short subsystem_vendor;

unsigned short subsystem_device;

unsigned int class;

/* ... */

struct
pci_bus *bus; //
所属pci
总线

struct pci_driver *driver; //
所属的pci

驱动

/* ... */

struct device dev; //
设备自身

/* ... */

};

这里省略了许多PCI
设备特定的信息，如中断，资源等。。

当一个PCI
设备被发现, PCI

核心在内存中创建一个 struct pci_dev
类型的新变量。
这 个 PCI
设备的总线特定的成员被 PCI

核心初始化( devfn, vendor, device,
和其他成员),
并 且 struct device
变量的 parent
变量被设置为 PCI
总线设备(
注意总线也不仅有一个bus_type
结构，还对应一个设备 device) bus
变量被设置指向 pci_bus_type

结构.
接下来 name
和 bus_id
变量被设置,
根据读自 PCI
设 备的 name
和 ID.

在 PCI
设备结构被初始化之后, pci

设备被注册到驱动核心,
调用 device_register(&dev->dev);

在device_register
函数中，kobject
被注册到驱动核心，pci
设备被添加到pci
总线的设备列表中,
热拔插事件产生，同时kobject
被添加到parent
的链表中，sysfs
入口也被添加。

PCI
设备的发现是通过特定代码探测PCI

空间来实现的。PCI
设备由内核自动生成的。这样在注册pci
驱动的时候PCI
设备已经注册，其属性如ID
的信息都已经是被初始化好了。

最后是pci_driver:

struct pci_driver {

struct list_head node;

char *name; //
驱动name

const struct pci_device_id *id_table; /*
驱动支持的设备ID
列表 */

int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id
*id); /* New device inserted */

void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not
a hot-plug capable driver) */

int (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /*
Device suspended */

int (*resume) (struct pci_dev
*dev);
/* Device woken up */

int (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int
enable); /* Enable wake event */

void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);

struct pci_error_handlers
*err_handler;

struct device_driver driver; //
设备驱动

struct pci_dynids dynids;

};

这里列出了pci_bus
，pci_dev,pci_driver
的定义。它们的关系与bus,device,driver

一样。pci_bus
直接是一个bus_type
结构初始化的实体。

pci_dev
由内核探测，并且注册到驱动核心。pci
设备的初始化和注册分两个方面，一是pci
设备信息如ID
，资源等，二是pci_dev.dev

的注册。调用register_device(struct device * dev)
来完成。

pci_driver
一般由模块定义并且在模块初始化函数中向内核注册。也要两个方面，一是pci_driver
中特定于PCI
的方法，支持的ID
列表等的初始化；二是内嵌的 device_driver
的注册，使用register_driver(struct
device_driver * drv)
。

这就有点像面向对象中子类与父类的关系，子类构造函数的调用隐含父类构造函数的调用。

没有register_device(dev)
和register_driver(drv)

的注册，驱动核心就不知道设备和驱动的存在，sysfs
也没有相关的入口。

最后一件事，看看register_device(dev)
和register_driver(drv)

的代码。

int device_register(struct device *dev)

{

device_initialize(dev);

return device_add(dev);

}

device_register-->device_initialize(dev);//

初始化设备各个字段

void device_initialize(struct
device *dev)

{

kobj_set_kset_s(dev, devices_subsys); //
所有的dev
属于devices_subsys
这个集合

kobject_init(&dev->kobj); //
初始kobj

klist_init(&dev->klist_children, klist_children_get,

klist_children_put);

INIT_LIST_HEAD(&dev->dma_pools);

INIT_LIST_HEAD(&dev->node);

init_MUTEX(&dev->sem);

device_init_wakeup(dev, 0);

}

device_register-->device_add(dev);

int device_add(struct device *dev)
//
主要流程

{

dev = get_device(dev);

parent = get_device(dev->parent);

kobject_set_name(&dev->kobj, "%s", dev->bus_id);

dev->kobj.parent = &parent->kobj;

kobject_add(&dev->kobj);//

将自身kobject
加入到层次结构中，并且建立sysfs entry.

//
设置uevent_attr:

dev->uevent_attr.attr.name = "uevent";

dev->uevent_attr.attr.mode = S_IWUSR;

if (dev->driver)

dev->uevent_attr.attr.owner = dev->driver->owner;

dev->uevent_attr.store = store_uevent;

device_create_file(dev, &dev->uevent_attr);

//
建立显示设备号的sysfs
入口，即当前设备入口下的"dev"
文件显示设备主从设备号。

if (MAJOR(dev->devt)) {

attr->attr.name = "dev";

attr->attr.mode = S_IRUGO;

if (dev->driver)

attr->attr.owner = dev->driver->owner;

attr->show = show_dev;

error = device_create_file(dev, attr);

}

//
建立类的sysfs
符号连接

if (dev->class) {

sysfs_create_link(&dev->kobj, &dev->class->subsys.kset.kobj,
"subsystem");

sysfs_create_link(&dev->class->subsys.kset.kobj, &dev->kobj,
dev->bus_id);}

sysfs_create_link(&dev->kobj, &dev->parent->kobj, "device");

class_name = make_class_name(dev->class->name, &dev->kobj);

sysfs_create_link(&dev->parent->kobj, &dev->kobj, class_name);

}

error = bus_add_device(dev);//

添加一些bus
相关的sysfs
符号连接

/*

设置环境变量，然后调用call_usermodehelper (argv[0], argv, envp, 0);

引起热拔插事件用户空间脚本执行。*/

kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);

bus_attach_device(dev); /*

如 果dev->driver
已经存在，调用device_bind_driver(dev);

进行绑定，否则遍历dev->bus
上 drivers
列表，调用dev->bus.match(dev,drv)
来看是否有一个驱动与该dev
匹配。如果匹配则绑定。*/

} OK
，上述是主要流程。。

下面是 register_driver(drv)
函数：

int driver_register(struct
device_driver * drv)

{

if ((drv->bus->probe && drv->probe) ||

(drv->bus->remove && drv->remove) ||

(drv->bus->shutdown &&
drv->shutdown)) {

printk(KERN_WARNING "Driver ''''%s'''' needs updating - please
use bus_type methods/n", drv->name);

}

klist_init(&drv->klist_devices, klist_devices_get,
klist_devices_put);

init_completion(&drv->unloaded);

return bus_add_driver(drv);

}

driver_register(drv);-->bus_add_driver(drv);

int bus_add_driver(struct
device_driver * drv)

{

struct bus_type * bus = get_bus(drv->bus);

error =
kobject_set_name(&drv->kobj, "%s", drv->name);

drv->kobj.kset
= &bus->drivers; //

驱动隶属于总线的驱动集合

error = kobject_register(&drv->kobj);//
注册自身kobject

driver_attach(drv);//

添加驱动到总线

klist_add_tail(&drv->knode_bus,
&bus->klist_drivers);

module_add_driver(drv->owner, drv);

driver_add_attrs(bus,
drv);

add_bind_files(drv);

}

driver_register(drv);-->bus_add_driver(drv);-->driver_attach(drv);

void driver_attach(struct
device_driver * drv)

{

bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);

}

对总线上的每个设备dev,
调用__driver_attach(dev,drv);

最终调用

driver_probe_device(drv, dev);

driver_register(drv);-->bus_add_driver(drv);-->
driver_attach(drv);

-->__driver_attach(dev,drv);-->driver_probe_device(drv, dev);

int driver_probe_device(struct
device_driver * drv, struct device * dev)

{

if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))

goto Done;//
优先调用总线提供匹配方法

dev->driver = drv;

if (dev->bus->probe) {

ret = dev->bus->probe(dev);//

总线的探测方法

}

else if (drv->probe)

{

ret = drv->probe(dev); //
用dev->driver

的探测方法

}

device_bind_driver(dev); /*
探测成功则绑定设备到驱动，添加dev
到drv
的设备列表并且建立驱动与设备在sys/
入口中相互关联的符号连接*/

goto Done;

Done:

return ret;

}

乱七八糟的。主线还是模型的层次关系。对kobject
，kset

细节中关于属性，热拔插，sys
入口的部分没有深入。或许，理解总体和设计思想是更重要的。人的精力真的有限。

四、
面向对象的思想在linux
设备模型中的应用分析.

通 过设备模型，看到了面向对象编程思想用C
语言的实现。内核中常见到封装了数据和方法的结构体，这是面向对象封装特性的实现。而这里展现的更多的是继承方面
的实现。比如说pci_driver
，它的父类是device_driver
，而更上一层是一个kobject
。在C++
中，继承一个父类则子类中相应的 包含父类的一个实例。内核中也是通过包含一个父类的实体来实现这种派生关系。因此，一个pci_driver
内部必然包含一个 device_driver,
同样，device_driver
内部必然包含一个kobject
。

上面提到过，注册一个模型的过程类似于面向对象中构造函数的调用。子类需要调用父类构造函数来完成自身的构造。再来看看注册一个pci_driver
的过程：

pci_register_driver(struct pci_driver *driver)

-->driver_register(&drv->driver);

-->kobject_register(&drv->kobj);

这不是OO
中的继承么？

设 备模型源码中还能找到多态(
虚函数)
的思想。看到pci_driver
和device_driver
中提供了差不多同名的方法不觉得奇怪吗？？它们不同的
地方在于参数。pci_driver
中方法的参数是pci_device *
dev ,
而device_driver
方法的参数则是
device * dev
。这么安排是有意的!

最典型的例子莫过于platform_driver
和device_driver

。

struct platform_driver {

int (*probe)(struct platform_device *);

int (*remove)(struct platform_device *);

void (*shutdown)(struct platform_device *);

int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);

int (*resume)(struct platform_device *);

struct device_driver driver;

};

这显然比pci_driver

来得简洁。platform_driver
除了包含一个device_driver

，其它就是5
个与device_driver
同名的方法。

注册一个platform_driver
的过程：

int platform_driver_register(struct platform_driver *drv)

{

drv->driver.bus = &platform_bus_type;

if (drv->probe)

drv->driver.probe = platform_drv_probe;

if (drv->remove)

drv->driver.remove = platform_drv_remove;

if (drv->shutdown)

drv->driver.shutdown = platform_drv_shutdown;

if (drv->suspend)

drv->driver.suspend = platform_drv_suspend;

if (drv->resume)

drv->driver.resume = platform_drv_resume;

return driver_register(&drv->driver);

}

这里设置了platform_driver
包含的device_driver

的函数指针。看看这些函数中的platform_drv_probe
。

static int platform_drv_probe(struct device *_dev)

{

struct platform_driver *drv = to_platform_driver(_dev->driver);

struct platform_device *dev = to_platform_device(_dev);

return
drv->probe(dev);

}

这里出现了两个指针类型转换(
通过container_of()
宏实现的)
，然后调用platform_driver
提供的probe
函数。

考 虑一下platform_driver
的注册过程。每个驱动注册过程相同。如前面分析过的，进入到driver_register
后，设备驱动 device_driver
层的probe
将会被调用来探测设备，这个函数像上面源码所指示的那样完成类型转化调用其子类platform_driver

层的probe
函数来完成具体的功能。 那么，从device_driver

层看来，相同的函数调用由子类来完成了不同的具体功能。这不是多态的思想么？？

这里非常粗浅的分析了linux

设备模型中使用C
实现面向对象的三大要素(
封装，继承，多态)
的基本思想。用C
来实现确实做的工作要多一些，不过灵活性更高了。怪不得linus
炮轰C++.

"
使用优秀的、高效的、系统级的和可移植的C++
的唯一方式，最终还是限于使用C
本身具有的所有特性。"