Linux设备模型(5)_device和device driver

作者:wowo 发布于:2014-4-2 19:28 分类:统一设备模型

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,driver core的私有数据指针,其它模块不能访问。

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)。

 

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标签: Linux 内核 设备模型 Device driver

评论:

xiaotonga
2023-09-21 10:55
了解device和device_driver相关概念和结构,但对应device和device_driver之间怎么匹配或建立联系呢?
1.内核解析dts(device tree source)文件获知系统存在的硬件设备及其配置;
2.device driver 通过设备树来获取系统中硬件设备,并与其通信。
3.device driver功能,读写设备寄存器,或调用封装设备寄存器读写的接口,实现改变设备寄存器状态、数据。
4.device driver 通过实现vfs提供标准接口结构file_operations{.read=xxx_read;.write=xxx_write}给用户使用。
Thomas
2023-03-20 00:57
前辈你好,阅读你的文章受益良多。linuxer新手前来讨论。对以下两段话还是感觉有不对的地方。
1.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---->attribute---->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。
2.至于driver的attribute,则要简单的多,其数据流为:vfs---->sysfs---->kobject---->attribute---->driver_attribute,
PS:我阅读的是3.18的源码。
首先1,kobject里没有attribute结构体,只能通过kobj_type---->sysfs_ops---->xxx_attribute调用show/store
其次2,在源码drivers/base/bus.c 中,int bus_add_driver(struct device_driver *drv)函数在添加driver的时候会带入driver_ktype,driver_ktype是kobj_type,且driver也有同样的sysfs_ops 。这说明device和driver的attribute的处理方式是一样的,且所有的属性的的ops方法都是在openfile里面这样获取的
/* every kobject with an attribute needs a ktype assigned */
15:    if (kobj->ktype && kobj->ktype->sysfs_ops)
16:        ops = kobj->ktype->sysfs_ops;
所以driver的kobject读取设备属性的时候和device是一样的,都应该为:vfs---->sysfs---->kobject---->kobj_type---->sysfs_ops---->xxx_attribute

望赐教。
tyy
2020-05-06 01:28
@wowo 有个地方我不明白,在注册device时,device_add会调用发送uevent消息,让用户空间的mdev创建/dev下的文件。
但是按照下面的描述,字符设备注册是在driver的probe里面做的。那么在注册device的时候,字符设备还没注册,字符设备都没注册,mdev怎么创建/dev下的文件呢?

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)
luffy
2019-07-09 21:52
感谢博主,博主能否分享一些媒体设备驱动心得。刚入门的小白对里面pipeline,dts节点图,数据流看的头大
essaypinglun 作家
2018-05-19 17:12
Linux设备驱动程序的平台,您可以从中检查此区域中的更好条件。您也可以用....替换最好的想法,并在这里用struct device的文章维护更好的博客。
小白
2017-08-15 23:40
指正一个明显错误:
struct device_driver中成员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。
这个变量是驱动模型很重要的,非常重要,因为里面包含了kobject是挂到sysfs的,不能使用
wowo
2017-08-16 08:38
@小白:多谢指正,是的,这个是driver core的私有指针,其它人不能动。已修改。多谢~~~
LINUX
2017-06-09 16:53
@蜗蜗 你好,现在struct device不直接使用,有被封装了一层,如soc device、platform device等等,然后在写驱动的时候,怎么都不用对这个struct device结构体进行初始化了?是不是linux内部帮我们初始化好了?
wowo
2017-06-10 14:28
@LINUX:大部分初始化好了,不过还有一些东西,driver还能看到,比如drv_data等。
Parchilor
2017-01-03 10:41
能不能顺便给个练手的练习,作为小白根本不知道如何下手啊!
wowo
2017-01-03 13:18
@Parchilor:这里有个例子,你可以参考一下自己写一个:-)
https://github.com/wowotech/sparrow
虎妞
2017-11-16 17:53
@wowo:新手求教:
这个例子卸载模块的时候出现的警告是不是因为sparrow是一个platform_device,但是初始化的时候没有指定底层的device,也就没有指定device的release函数。而没有release系统认为资源未释放所以报警?
还有那个test是不是用来测试线层同步的。麻烦简单说明一下。我运行起来报错。
wowo
2017-11-16 21:33
@虎妞:警告的原因是没有指定device的release函数,而不是没有指定device。至于为什么没指定release函数,因为platform device一般都是不remove的。我们这个例子比较特殊。
那个测试,就是随手写写,没什么目的,报错的话,你试着自己解决一下吧。
heng
2016-12-22 10:48
@wowo
  窝窝,这个probe我大致理解了,之前都是内核检测到有相应的设备的时候,又匹配到有相应的平台驱动。但是最近linux不是更新了设备树吗?就是用dts文件这个,我在《ARM Device Tree设备树.pdf》这个文章里面看到这样一句话,有点不理解。。:(以下是原文)
    使用 Device Tree 后,驱动需要与.dts 中描述的设备结点进行匹配,从而引发驱动的
probe()函数执行。
  1.这段话的理解可不可以是现在就算没有设备,plattform_driver的probe也可以执行?
   2.如果不是,那么这个of_match_table里面匹配dts中的东西的时候,是什么原理?
  谢谢窝窝~
wowo
2016-12-22 10:57
@heng:driver一定要等到device才能匹配。
dts是一种描述设备的语法,kernel在启动的时候会把dts的描述转换为实际的device。
heng
2016-12-22 11:32
@wowo:明白了,实际上probe的原理还是没变的。那么,如果没有实际的物理设备呢?比如,dts里面有一个wifi device的配置,但是这个wifi芯片并没有连到板子上面。
因为我之前写了一个platform_driver,然后在dts里面加了相应的配置,最后这个driver的probe也执行了呢。很明确的是platform_driver没有真正的物理设备
wowo
2016-12-22 11:34
@heng:换个思路想一下:检查是不是有真正的物理设备,不就是driver要干的事情吗?
heng
2016-12-22 11:54
@wowo:啊!我傻了!对阿~driver可以先加载的。。。不一定先要有设备0.0。。

(◡¸◡✿)
谢谢窝窝~用了dts过后纠结了好久呢~
sheeaza
2020-06-27 12:25
@wowo:想问下arm64 把dts转为实际device是在哪里,我找了下源码,没有找到
HHP_Low
2016-12-16 16:01
4. 设备驱动probe的时机 :7: Error:'prove' you mean 'probe'?
设备驱动prove的时机有如下几种(分为自动触发和手动触发):
       ^
2333
菜鸟只能找这种错误了

PS:感觉技术教程太严肃看不下去,太浮夸又营养。wowo写的感觉就很舒服~  谢谢wowo
wowo
2016-12-16 16:42
@HHP_Low:多谢指正~~
话说能被发现的错误都不算错,哈哈:-)

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