linux设备驱动模型之driver

在Linux内核的驱动模型中，​驱动（Driver）​是实现设备控制逻辑的核心组件，负责与硬件设备交互，管理数据传输、配置和资源分配。驱动通过总线模型与设备动态绑定，支持模块化加载和热插拔。以下是对驱动模型（struct device_driver）的深入解析：

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​1. 驱动的核心作用

• ​硬件控制：操作设备的寄存器、中断、DMA等硬件资源。
• ​协议实现：实现设备特定的通信协议（如I2C、USB协议）。
• ​资源管理：分配和释放内存、中断、DMA缓冲区等资源。
• ​用户接口：通过sysfs、设备文件（如/dev/）或网络接口暴露功能。

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​2. 驱动的数据结构：struct device_driver

驱动在内核中通过struct device_driver表示，包含驱动名称、所属总线、操作方法等：

struct device_driver {
    const char *name;                 // 驱动名称（如"e1000"、"my_i2c_drv"）
    struct bus_type *bus;             // 所属总线（如&pci_bus_type）
    struct module *owner;             // 所属模块（THIS_MODULE）
    const struct of_device_id *of_match_table; // 设备树匹配表（用于嵌入式系统）
    const struct acpi_device_id *acpi_match_table; // ACPI匹配表

    // 生命周期回调函数
    int (*probe)(struct device *dev);         // 设备初始化
    int (*remove)(struct device *dev);        // 设备移除
    void (*shutdown)(struct device *dev);     // 系统关机时调用
    int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state); // 电源挂起
    int (*resume)(struct device *dev);         // 电源恢复
};

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​3. 驱动的注册与管理

​a. 驱动注册API

• ​通用驱动注册：

  int driver_register(struct device_driver *drv);

• ​驱动注销：

  void driver_unregister(struct device_driver *drv);

​b. 总线特定驱动的注册

以PCI驱动为例，使用struct pci_driver封装：

struct pci_driver {
    struct device_driver driver;    // 内嵌的通用驱动结构
    const struct pci_device_id *id_table; // 支持的设备ID表
    int (*probe)(struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);
    void (*remove)(struct pci_dev *dev);
};

// 注册PCI驱动
int pci_register_driver(struct pci_driver *drv);

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​4. 驱动与设备的匹配机制

​a. 匹配触发条件

• ​驱动注册时：遍历总线上的所有设备，尝试匹配。
• ​设备注册时：遍历总线上的所有驱动，尝试匹配。

​b. 匹配规则

1. ​设备ID匹配：驱动定义支持的设备ID列表（如PCI的vendor/device ID）。

   static const struct pci_device_id my_pci_ids[] = {
       { PCI_DEVICE(0x8086, 0x100E) }, // Intel 82574L网卡
       {0}
   };
   MODULE_DEVICE_TABLE(pci, my_pci_ids);

2. ​设备树匹配：通过compatible属性匹配。

   static const struct of_device_id my_of_match[] = {
       { .compatible = "ti,tmp75" }, // 温度传感器
       {}
   };

3. ​ACPI匹配：在支持ACPI的系统中通过硬件标识符匹配。

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​5. 驱动的生命周期：Probe与Remove

​a. probe()函数

• ​作用：设备初始化入口，分配资源、注册中断、创建设备节点。
• ​示例：PCI驱动的probe函数：

  static int my_pci_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id) {
      // 1. 启用PCI设备
      pci_enable_device(pdev);
      // 2. 请求内存区域
      pci_request_regions(pdev, "my_driver");
      // 3. 映射BAR空间
      void __iomem *regs = pci_iomap(pdev, 0, 0);
      // 4. 注册中断处理函数
      request_irq(pdev->irq, my_interrupt_handler, IRQF_SHARED, "my_driver", pdev);
      // 5. 注册网络设备（如网卡驱动）
      struct net_device *netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
      register_netdev(netdev);
      return 0;
  }

​b. remove()函数

• ​作用：释放资源，注销设备。
• ​示例：

  static void my_pci_remove(struct pci_dev *pdev) {
      // 1. 释放中断
      free_irq(pdev->irq, pdev);
      // 2. 解除内存映射
      pci_iounmap(pdev, regs);
      // 3. 释放PCI资源
      pci_release_regions(pdev);
      // 4. 禁用设备
      pci_disable_device(pdev);
  }

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​6. 实际案例：Platform驱动

​a. Platform驱动结构

#include <linux/platform_device.h>

static int my_platform_probe(struct platform_device *pdev) {
    struct resource *res;
    // 获取内存资源
    res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    void __iomem *regs = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
    // 获取中断资源
    int irq = platform_get_irq(pdev, 0);
    request_irq(irq, my_irq_handler, 0, "my_device", NULL);
    // 创建设备节点
    struct device *dev = &pdev->dev;
    devm_device_create(dev, NULL, dev, NULL, "mydev");
    return 0;
}

static struct platform_driver my_driver = {
    .driver = {
        .name = "my_platform_drv",
        .of_match_table = my_of_match, // 设备树匹配表
    },
    .probe = my_platform_probe,
    .remove = my_platform_remove,
};

module_platform_driver(my_driver); // 自动注册驱动

​b. 设备树节点

my_device@10000000 {
    compatible = "vendor,my_device";
    reg = <0x10000000 0x1000>;
    interrupts = <0 42 4>;
};

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​7. 调试与常见问题

​a. 检查驱动是否绑定设备

# 查看sysfs中的驱动绑定状态
ls /sys/bus/pci/drivers/e1000/
cat /sys/bus/platform/devices/my_device/driver

​b. 内核日志分析

• ​驱动加载日志：

  dmesg | grep "my_driver"

• ​Probe失败原因：
  • 资源冲突（如内存地址已被占用）。
  • 中断申请失败（request_irq返回错误码）。

​c. 动态调试

• ​启用调试输出：

  dev_dbg(&pdev->dev, "Probe started for device at 0x%lx\n", (long)res->start);

• ​使用ftrace跟踪函数调用：

  echo function > /sys/kernel/tracing/current_tracer
  echo my_pci_probe > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
  cat /sys/kernel/tracing/trace

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​8. 驱动的电源管理

驱动需实现suspend()和resume()回调，以支持系统休眠唤醒：

static int my_suspend(struct device *dev) {
    // 保存设备状态，关闭硬件电源
    return 0;
}

static int my_resume(struct device *dev) {
    // 恢复设备状态，重新初始化硬件
    return 0;
}

static const struct dev_pm_ops my_pm_ops = {
    .suspend = my_suspend,
    .resume = my_resume,
};

struct device_driver my_driver = {
    .name = "my_drv",
    .pm = &my_pm_ops,
};

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​9. 用户空间接口

​a. sysfs属性

驱动可通过sysfs暴露配置或状态信息：

static ssize_t my_attr_show(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf) {
    return sprintf(buf, "Value: %d\n", my_priv->value);
}

static DEVICE_ATTR(my_value, 0444, my_attr_show, NULL);

static int my_probe(struct platform_device *pdev) {
    device_create_file(&pdev->dev, &dev_attr_my_value);
}

​b. 创建设备文件

字符驱动通过cdev和devtmpfs生成/dev节点：

dev_t dev_id;
alloc_chrdev_region(&dev_id, 0, 1, "my_char_dev");
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
cdev_add(&my_cdev, dev_id, 1);
device_create(my_class, NULL, dev_id, NULL, "mydev");

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​10. 总结

Linux内核中的驱动模型通过标准化接口实现了硬件的抽象与控制，是设备驱动开发的核心。理解驱动的注册、匹配、资源管理和用户接口，是开发高效稳定驱动的关键。通过结合总线模型、设备树和sysfs调试工具，开发者可以快速定位问题并优化驱动性能。