linux设备模型浅析

linux设备模型浅析  

2012-10-16 22:22:32|  分类： 默认分类 |  标签：linux设备模型  |字号 订阅

 说明：基于linux-2.6.30.4的内核源码

一、linux设备模型作用

       Linux 2.6内核最初为了应付电源管理的需要，提出了一个设备模型来管理所有的设备。在物理上，外设之间是有一种层次关系的，比如把一个U盘插到笔记本上，实际上这个U盘是接在一个USB Hub上，USB Hub又是接在USB 2.0 Host Controller (EHCI)上，最终EHCI又是一个挂在PCI Bus上的设备。这里的一个层次关系是：PCI->EHCI->USB Hub->USB Disk。如果操作系统要进入休眠状态，首先要逐层通知所有的外设进入休眠模式，然后整个系统才可以休眠。因此，需要有一个树状的结构可以把所有的外设组织起来。这就是最初建立Linux设备模型的目的。

      当然，Linux设备模型给我们带来的便利远不止如此。既然已经建立了一个组织所有设备和驱动的树状结构，用户就可以通过这棵树去遍历所有的设备，建立设备和驱动程序之间的联系，根据类型不同也可以对设备进行归类，这样就可以更清晰的去“看”这颗枝繁叶茂的大树。另外，Linux驱动模型把很多设备共有的一些操作抽象出来，大大减少了重复造轮子的可能。同时Linux设备模型提供了一些辅助的机制，比如引用计数，让开发者可以安全高效的开发驱动程序。达成了以上这些好处之后，我们还得到了一个非常方便的副产品，这就是sysfs----一个虚拟的文件系统。sysfs给用户提供了一个从用户空间去访问内核设备的方法，它在Linux里的路径是/sys。

二、linux设备模型的构成

      linux设备模型对外封装后提供给我们使用的一般是：struct bus_type(总线)，struct device(设备)，struct device_driver (驱动)这三个结构体:即经典的总线、设备、驱动模型。

      每个bus_type对象都对应/sys/bus目录下的一个子目录，如PCI总线类型对应于/sys/bus/pci。在每个这样的目录下都存在两个子目录：devices和drivers（分别对应于bus type结构中的devices和drivers域）。其中devices子目录描述连接在该总线上的所有设备，而drivers目录则描述与该总线关联的所有驱动程序。与device_driver对象类似，bus_type结构还包含几个函数（match()、hotplug()等）处理相应的热插拔、即插即拔和电源管理事件。

      系统中的任一设备在设备模型中都由一个device对象描述。内核提供了相应的函数用于操作device对象。其中device_register()函数将一个新的device对象插入设备模型，并自动在/sys/devices下创建一个对应的目录。device_unregister()完成相反的操作，注销设备对象。get_device()和put_device()分别增加与减少设备对象的引用计数。通常device结构不单独使用，而是包含在更大的结构中作为一个子结构使用，比如描述PCI设备的struct pci_dev结构体里面就内嵌一个struct device。

       系统中的每个驱动程序由一个device_driver对象描述。与device 结构类似，device_driver对象依靠内嵌的kobject对象实现引用计数管理和层次结构组织。内核提供类似的函数用于操作device_driver对象，如get_driver()增加引用计数，driver_register()用于将一个新的driver对象插入设备模型，并自动在/sys/drivers下创建一个对应的目录。device_driver()结构还包括几个函数，用于处理热拔插、即插即用和电源管理事件。

三、linux设备模型的操作流程

       1、注册总线：总线是设备和驱动挂载的地方，总线中有加入该总线的设备列表和驱动列表，这些用于管理加入总线中的设备。

       2、向设备模型(总线)中加入设备/驱动：加入设备使用device_register(device_add将被调用)，加入驱动一般使用driver_register(driver_add被调用)。

       3、设备和驱动的首次匹配：加入新的设备/驱动后，会导致总线的match函数被调用，用来检查这个新加入的设备/驱动，在总线已有的驱动/设备中有没有跟它匹配的。

       4、驱动的probe函数的再次检查：在总线的match函数匹配成功后会调用驱动的probe探测函数做进一步细致的匹配工作。如果不出什么问题，这个驱动/设备就算成功加入到这个总线当中(设备模型)。

struct bus_type {

      const char         *name;//总线的名称

      struct bus_attribute  *bus_attrs;//总线的性质

      struct device_attribute    *dev_attrs; //用于管理总线上的设备

      struct driver_attribute     *drv_attrs; //用于管理总线上的驱动

      int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv); //设备和驱动的匹配函数，设备模型中增加了新的设备/驱动时调用

      int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);

      int (*probe)(struct device *dev);//驱动的探测函数

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

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

      int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);//电源管理：挂起

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

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

      int (*resume)(struct device *dev);//电源管理：恢复

      struct dev_pm_ops *pm;

      struct bus_type_private *p;//总线的私有数据

};

struct device {

      struct device           *parent; //设备的父设备

      struct device_private *p;//设备的私有数据

      struct kobject kobj;

      const char         *init_name;

      struct device_type    *type;//设备的类型

      struct semaphore     sem;//信号量，用于同步访问驱动

      struct bus_type  *bus;    //设备挂接的总线的类型

      struct device_driver *driver;  //设备的驱动

      void      *driver_data;     /* data private to the driver */

      void      *platform_data; /* Platform specific data, device core doesn't touch it */

      struct dev_pm_info  power;

 #ifdef CONFIG_NUMA

      int        numa_node;      /* NUMA node this device is close to */

#endif

      u64      *dma_mask;     /* dma mask (if dma'able device) */

      u64      coherent_dma_mask ;

      struct device_dma_parameters *dma_parms;

      struct list_head  dma_pools; /* dma pools (if dma'ble) */

      struct dma_coherent_mem   *dma_mem;     

      struct dev_archdata  archdata;

      dev_t               devt;    //设备号,驱动程序的号码

      spinlock_t         devres_lock;

      struct list_head  devres_head;

      struct klist_node knode_class;

      struct class        *class;

      struct attribute_group     **groups;   /* optional groups */

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

}

  struct device_driver {

      const char         *name;//驱动的名字

      struct bus_type       *bus; //驱动挂接的总线

      struct module          *owner;

      const char        *mod_name;     /* used for built-in modules */

      int (*probe) (struct device *dev); //驱动的探测函数

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

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

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

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

      struct attribute_group **groups; //驱动支持的设备集合(推测)

      struct dev_pm_ops *pm;

      struct driver_private *p;

};