Linux 驱动架构简析

这篇文章不是驱动开发教程，只不过作者读过内核源码后，想对知识做一个梳理，从源码的角度分析一下Linux的驱动架构的实现。行文也不大讲究，希望可以把问题说清楚。本文使用的kernel 源码版本是 3.13.3。

学习kernel虽然没有捷径，但是有合理的方法。

1) 首先，需要熟悉操作系统的设计与实现，推荐大家看 MINIX作者的那部书，同时把MINIX的kernel代码研读一下。 不然，你不知道操作系统都有哪些模块， 不知道操作系统要做些什么事情，提供什么功能。简单地说，操作系统首先要驱动 CPU，然后提供那几大管理（进程，内存，文件），实现一两百个系统呼叫，提供驱动接口， 用户态与内核之间进行切换。

2) 去intel的官网，找一下 ‘Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual’ ， 了解一下 CPU的架构，工作模式，底层编码。否则， 你不知道 gdt,ldt,page table,实地址，保护模式，定时器中断都是什么东西，为什么操作系统要这样来设置寄存器。这块基本上全汇编语言，对CPU的初始化，寄存器设置，手册上面都有严格的时需要求。 哪些操作需要屏蔽中断，哪些需要在一个指令周期完成等等。有了上面的基础后，大概知道一个操作系统大概要做些什么事情， 如何驱动底层的 CPU，这个时候阅读 linux的kernel代码，事半功倍。

kernel分为两个模块：一个是core: cpu， 中断，进程，内存几大管理， 提供系统呼叫。另一个是driver。 linux的driver 都是有架构的，不需要从底层做起。各类架构称为‘子系统’：如，block子系统，net子系统，usb子系统等。 别看操作系统的代码量大，其实，driver占了估计 80%的代码量， 这些都是不需要去看的。驱动是否放在内核，就是微内核与宏内核的区别。

阅读源码过程中，观其大略即可，主要了解整个结构，以及程序的流程。如：系统呼叫的调用，追一个就可以了—— 看看操作系统如何捕捉软中断， 根据中断号，dispatch到相应的服务程序，如何保存现场， 完成后，又如何回到用户态。 系统呼叫调用，核心就是 dispatch的流程。 追完一支系统呼叫，其它的大概就知道怎么回事了。driver 也就一样的， 找个简单的驱动看看， 从驱动层一直到驱动的架构，流程清楚就可以了。 如字符设备驱动， 追一下注册后， 驱动框架如何把该设备放入 list，当有用户请求的时候，它又如何查找到相应的设备，调用相应的操作函数， 一路追下来，流程大概就清楚了。

不建议一开始就阅读“linux内核源码分析” 之类的书， 会让读者一头雾水。 正确的方法应该是， 先了解相应的背景知识后，再来阅读源码。Driver 框架的源码的位于 drivers/base/， 它是整个驱动模式的基础框架，相当于OO语言的里面的Object对象。 其实，Linux 的驱动框架就是一个OO的结构， core模块定义数据结构，函数接口，实现各种通用的功能——相当于OO里面的基类。各模块的设备驱动程序则只需要实现 core模块里面定义的接口即可。

bus, driver, device 框架

linux的外围设备驱动，都是通过 bus + driver + device来管理的，其实也好理解 ，外设都是通过总线来与cpu通讯的。kernel会实现各种总线的规范以及设备管理(设备检测，驱动绑定等)，驱动程序只需要注册自己的驱动，实现对设备的读写控制即可。

这类驱动通常是2个层次：总线子系统 + 驱动模块，它的流程大概是：

1) bus_register(xx)

kernel里面的各bus子系统（如：serio, usb, pci, ...）会使用该函数来注册自己。

2) driver_register(xx)

驱动模块使用它来向总线系统注册自己，这样驱动模块只需要关注相应driver接口的实现。通常，bus子系统会对 driver_register来进行封装，如：

• serio 提供serio_register_driver()
• usb 提供usb_register_driver()
• pci提供 pci_register_driver()

3) registe_device(xx)

各总线除了管理driver外，还管理device，通常会提供一支API来添加设备，如： input_register_device, serio_add_port.实现上都是通过一个链表对设备进行管理，通常是在初始化或者probe的时候， 添加设备。

设备(device)指的是具体实现总线协议的物理设备，如对serio总线而言，i8042就是它的一个设备，而该总线连接的设备(鼠标，键盘)则是一个serio driver。

注册

bus.c 和 driver.c 分别对 bus,driver和device进行管理，提供注册bus, driver和查找 device 功能。

bus_register(*bus) 这个函数会生成两个list，用来保存设备和驱动。

INIT_LIST_HEAD(&priv->interfaces);
klist_init(&priv->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);
klist_init(&priv->klist_drivers, NULL, NULL);

* priv是 struct subsys_private定义在 driver/base/base.h

driver_register(*drv) 实际上就是调用 bus_add_driver(*drv) 把 drv 添加到 klist_drivers:

klist_add_tail(&priv->knode_bus, &bus->p->klist_drivers);

同理注册device，也是通过 bus_add_device(*dev)，添加到 klist_devices:

klist_add_tail(&dev->p->knode_bus, &bus->p->klist_devices);

以 hid_bus_type为例，执行 bus_register(&hid_bus_type) 后， hid_bus_type->p->klist_devices 和 hid_bus_type->p->klist_klist_drivers 这两个list 会被初始化，为后面的 driver和 device 注册做准备，driver数据结构如下:

       static struct hid_driver tpkbd_driver = {
        .name = "lenovo_tpkbd",
        .id_table = tpkbd_devices,
        .input_mapping = tpkbd_input_mapping,
        .probe = tpkbd_probe,
        .remove = tpkbd_remove,
    };

注册driver时,它先经过 __hid_register_driver(&tpkbd_driver),设置一些基本参数。

hdrv->driver.bus = &hid_bus_type;
.....    
driver_register(&hdrv->driver);

设置'driver.bus'字段后，driver和bus的对应关系就建立起来了。 然后， 经过 driver_register 后,hid_bus_type->p->list_drivers 保存了 tpkbd_driver.

Q: driver模块是不知道 hid_driver 这个数据结构的，它如何能把它的指针放到list里面呢？

答案是”不能”， list_drivers 是不能保存 hid_driver 指针的。driver模块提供了一个接口: 'struct device_driver' , hid_driver 这个结构里面需要包含该结构。

      struct hid_driver {
              const struct hid_device_id *id_table;
                /* private: */  
                 struct device_driver driver;
      }

注册的时候，取的是 driver 字段的地址，也就是 hid_driver.driver 的指针， driver_register(&hdrv->driver); 当从 driver模块 callback 到 hid-core模块的时候， 如

 static int hid_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
 {
         struct hid_driver *hdrv = container_of(drv, struct hid_driver, driver);
         struct hid_device *hdev = container_of(dev, struct hid_device, dev);

         return hid_match_device(hdev, hdrv) != NULL;
 }

使用 container_of 就把 hid_driver.driver 的指针转换成了hid_driver 的指针－－这个方法类似 OO编程里面使用基类指针指向派生类对象。Linux普通使用这个方法，来构建框架。

device和driver绑定

当增加新device的时候，bus 会轮循它的驱动列表来找到一个匹配的驱动，它们是通过device id和 driver的id_table来进行 ”匹配”的，主要是在 driver_match_device()[drivers/base/base.h] 通过 bus->match() 这个callback来让驱动判断是否支持该设备，一旦匹配成功，device的driver字段会被设置成相应的driver指针 :

really_probe()
{
    dev->driver = drv;
    if (dev->bus->probe) {
        ret = dev->bus->probe(dev);
        ...
    } else if (drv->probe) {
        ret = drv->probe(dev);
        ...
    }
}

然后 callback 该 driver 的 probe 或者 connect 函数，进行一些初始化操作。

同理，当增加新的driver时，bus也会执行相同的动作，为驱动查找设备。因此，绑定发生在两个阶段：

1: 驱动找设备，发生在driver向bus系统注册自己时候，函数调用链是：

driver_register --> bus_add_driver --> driver_attach() [dd.c] －－ 将轮循device链表，查找匹配的device。

2: 设备查找驱动，发生在设备增加到总线的的时候，函数调用链是：

device_add --> bus_probe_device --> device_initial_probe --> device_attach －－ 将轮循driver链表，查找匹配的driver。

匹配成功后，系统继续调用 driver_probe_device() 来 callback 'drv->probe(dev)' 或者 'bus->probe(dev) -->drv->connect()，在probe或者connect函数里面，驱动开始实际的初始化操作。因此，probe() 或者 connect() 是真正的驱动'入口'。

对驱动开发者而言，最基本是两个步骤：

• 定义device id table.
• probe()或connect()开始具体的初始化工作。

(driver和device注册流程图)

实例分析：atkbd键盘驱动

Serio Bus 主要是支持 PS/2，串口等串行设备协议，物理上可以通过i8042控制芯片来连接PS/2的鼠标或键盘，它的架构是:

• serio.c 实现总线框架。
• serio_register_port 注册底层读写设备－－ port就是 serio的底层通讯设备， 它执行serio总线的底层读写。
• serio_register_driver 注册驱动，与port进行绑定，利用port进行底层的读写通讯。

atkbd 驱动注册的时侯，需指定它支持的port类型。

serio->id.type        = SERIO_8042; //表明驱动需要8042的支持。

serio_register_driver()     // 注册自己， 根据设备id绑定相应的 port(本例中是8042)。 

作为serio的port， i8042 通过 serio_register_port 来注册，生成serio对象，这样驱动程序就可以通过 serio->wirte/read 来调用i8042进行底层的通讯。 数据流程框图如下：

driver 通过 bus 匹配 port，通过port与外设通讯。

我们可以在sys接口 [/sys/bus/serio/] 目录下找到设备和驱动的相关信息，里面的内容可以通过 DEVICE_ATTR_XX 系列宏定义来添加。 port 的命令规则是serio0, serio1, serioN 是自动增加的。

dev_set_name(&serio->dev, "serio%ld", (long)atomic_inc_return(&serio_no) - 1);

atkbd注册serio驱动后，还需要注册input设备，它需要实现input子系统的接口，作为一个input设备工作。input.c 定义了callback 和公用接口,子模块实现相应接口。

keybord:  drivers/input/keyboard/atkbd.c

注册设备
atkbd.c: atkbd_connect  → input_register_device()

Input子系统通过event 字符设备来与应用程序进行通讯。

evdev.c: evdev_init → input_register_handler → ....
cdev_init(xx, fops) // 处理  /dev/input/eventX的读写操作。

atkdb通过注册Serio Bus 驱动和Input device来打通从应用程序到外设通讯链路：

application --> /dev/input/eventX --> Input 子系统 --> atkdb驱动 --> serio bus --> i8042 port --> 物理键盘。

我们可以看到字符设备主要是用来提供应用层接口，Bus框架则用来管理外设驱动。

Input提供了proc文件接口，可以查看相应的信息。

cat /proc/bus/input/devices ： 可以得到某个设备的event number.
cat /proc/bus/input/handlers

通过cat eventX可以得到按键产生input_event，查看 event里面的原始数据

sudo cat /dev/input/eventXX | hexdump
XX: event number.

参考资料

1: Linux 3.13源码。

2: Linux Device Drivers。

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