linux 设备驱动模型 | The Ship of Zenlian

linux 的设备总线模型核心层主要由 3 个结构组成，分别是总线、设备和驱动。

总线（struct bus_type）进行设备和驱动的匹配。设备和驱动都挂在总线上，每添加一个设备或驱动，总线就会尝试进行一次匹配。
设备（struct device）是每一个实际设备的底层结构，任何设备最终都对应着一个 struct device 结构体。设备间有父子层级关系，所有设备将组成一个树状结构。
驱动（struct device_driver）负责对设备的实际操作。

bus

定义总线

内核中使用 struct bus_type 结构表示一种总线类型。每一种总线都会静态定义一个 bus_type：

struct bus_type pci_bus_type {
	.name = "pci", // 必须
	.match = pci_bus_match, // 可选
};

其中：

name 字段是必须的。
match 字段是可选的，用于驱动与设备匹配的函数，匹配则返回 1。

这个静态定义的 bus_type 必须在头文件里导出，以供其他驱动模块使用：

extern struct bus_type pci_bus_type;

注册总线

有了总线类型之后，相应的总线驱动层调用 bus_register() 向内核注册总线：

int bus_register(struct bus_type * bus);

设备和驱动列表

总线上持有 2 个列表：设备列表和驱动列表，分别保存属于该总线的所有设备（struct device）和驱动（struct driver）。当调用 device_register() 添加设备时，设备被插入设备列表中；当调用 driver_register() 添加驱动时，驱动被插入驱动列表中。

驱动核心层提供了以下方法遍历总线上的设备和驱动：

int bus_for_each_dev(
	struct bus_type * bus,
	struct device * start,
	void * data,
	int (*fn)(struct device *, void *));

int bus_for_each_drv(
	struct bus_type * bus,
	struct device_driver * start,
	void * data,
	int (*fn)(struct device_driver *, void *));

驱动匹配

添加设备和添加驱动都会触发驱动匹配，一个设备只能匹配一个驱动，但同一个驱动可以匹配多个设备。

添加设备时，总线遍历驱动列表里的驱动，并调用总线的 match() 方法尝试匹配驱动。match() 方法由总线定义，一般来说是对比设备的 ID 和驱动支持的 ID，返回 1 表示匹配成功。match() 原型如下：

int match(struct device * dev, struct device_driver * drv);

匹配成功之后，设备和驱动相互绑定：设备的 driver 字段指向驱动，驱动的设备列表中添加该设备。然后驱动的 probe() 方法会在此时调用。

添加驱动时的流程也类似，总线遍历设备列表里的设备，尝试和驱动相匹配。因为同一个驱动可以匹配多个设备，所以还没有驱动的所有设备都要被遍历一遍。

device

struct device 结构是 linux 中最底层的设备结构，任何设备最终都对应着一个 struct device 结构体，包括所有的字符设备、块设备等。

实际设备驱动一般不会调用这些底层的接口，而是由更上层的设备模型进一步封装调用。比如 pci 设备，将 struct device 嵌入自已的结构体中：

struct pci_dev {
	...
	struct device dev;
	...
};

注册设备

驱动框架中向内核注册设备的接口是：

int device_register(struct device* dev);

以注册 PCI 设备为例：

int pci_register(struct pci_dev *pdev)
{
	err = device_register(&pdev->dev);
}

driver

struct device_driver 是内核中最底层的驱动结构。一个典型的驱动结构为：

static struct device_driver eepro100_driver = {
       .name		= "eepro100",
       .bus		= &pci_bus_type,

       .probe		= eepro100_probe,
       .remove		= eepro100_remove,
       .suspend		= eepro100_suspend,
       .resume		= eepro100_resume,
};

其中：

name 驱动名称，会在 sysfs 中显示
bus 表示该驱动所挂载的总线。
probe/remove 是驱动的回调函数，在驱动与设备绑定/解绑时调用。
suspend/resume 是电源管理回调函数，在设备进入/退出低功耗模式时调用。

实际总线上的驱动有些字段是与总线相关的，不是通用的。最典型的就是 ID 表，通常驱动都会定义一个支持的设备 ID 列表，设备 ID 的格式以及匹配方法等都是和总线本身密切相关的。因此实际驱动都会将 struct device_driver 内嵌到自己的结构体里，并定义其他总线相关的字段，如 PCI 驱动：

struct pci_driver {
       const struct pci_device_id *id_table; // 匹配的设备 ID
       struct device_driver	  driver;
};

注册驱动

向内核注册驱动的接口是：

int driver_register(struct device_driver *drv);

实际的总线驱动会提供更高层的封装，如 pci_driver_register()，驱动开发者一般使用的都是这些高层的驱动接口。

遍历设备

一个驱动可以绑定多个设备，内核提供了接口以遍历同一个驱动的设备：

int driver_for_each_dev(
	struct device_driver * drv,
	void * data,
	int (*callback)(struct device * dev, void * data)
);

sysfs 接口

/sys 目录反映了系统中设备的层级结构。

每种总线类型在 /sys/bus/ 下有一个对应的总线目录，如：

/sys/bus/
  |- i2c
  |- mmc
  |- pci
  |- usb
  |- ...

以 PCI 总线为例，每个总线目录下又有 2 个子目录对应总线下的设备和驱动：

/sys/bus/pci/
  |- devices/
  |- drivers/

drivers 目录下有该总线下注册的所有驱动：

/sys/bus/pci/
  |- devices/
  |- drivers/
    |- agpgart/
    |- e1000/
    |- ehci-pci/

devices 目录下列出属于该总线类型的所有设备，通过软链接的方式指向实际的设备目录：

/sys/bus/pci/
  |- devices/
    |- 00:00.0 -> ../../../devices/pci0/00:00.0
    |- 00:00.1 -> ../../../devices/pci0/00:00.1
    |- 00:00.2 -> ../../../devices/pci0/00:00.2