Linux 驅動架構簡析

這篇文章不是驅動開發教程，只不過做者讀過內核源碼後，想對知識作一個梳理，從源碼的角度分析一下Linux的驅動架構的實現。行文也不大講究，但願能夠把問題說清楚。本文使用的kernel 源碼版本是 3.13.3。

學習kernel雖然沒有捷徑，可是有合理的方法。

1) 首先，須要熟悉操做系統的設計與實現，推薦你們看 MINIX做者的那部書，同時把MINIX的kernel代碼研讀一下。 否則，你不知道操做系統都有哪些模塊， 不知道操做系統要作些什麼事情，提供什麼功能。簡單地說，操做系統首先要驅動 CPU，而後提供那幾大管理（進程，內存，文件），實現一兩百個系統呼叫，提供驅動接口， 用戶態與內核之間進行切換。

2) 去intel的官網，找一下 ‘Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual’ ， 瞭解一下 CPU的架構，工做模式，底層編碼。不然， 你不知道 gdt,ldt,page table,實地址，保護模式，定時器中斷都是什麼東西，爲何操做系統要這樣來設置寄存器。這塊基本上全彙編語言，對CPU的初始化，寄存器設置，手冊上面都有嚴格的時須要求。 哪些操做須要屏蔽中斷，哪些須要在一個指令週期完成等等。有了上面的基礎後，大概知道一個操做系統大概要作些什麼事情， 如何驅動底層的 CPU，這個時候閱讀 linux的kernel代碼，事半功倍。

kernel分爲兩個模塊：一個是core: cpu， 中斷，進程，內存幾大管理， 提供系統呼叫。另外一個是driver。 linux的driver 都是有架構的，不須要從底層作起。各種架構稱爲‘子系統’：如，block子系統，net子系統，usb子系統等。 別看操做系統的代碼量大，其實，driver佔了估計 80%的代碼量， 這些都是不須要去看的。驅動是否放在內核，就是微內核與宏內核的區別。

閱讀源碼過程當中，觀其大略便可，主要了解整個結構，以及程序的流程。如：系統呼叫的調用，追一個就能夠了—— 看看操做系統如何捕捉軟中斷， 根據中斷號，dispatch到相應的服務程序，如何保存現場， 完成後，又如何回到用戶態。 系統呼叫調用，核心就是 dispatch的流程。 追完一支系統呼叫，其它的大概就知道怎麼回事了。driver 也就同樣的， 找個簡單的驅動看看， 從驅動層一直到驅動的架構，流程清楚就能夠了。 如字符設備驅動， 追一下注冊後， 驅動框架如何把該設備放入 list，當有用戶請求的時候，它又如何查找到相應的設備，調用相應的操做函數， 一路追下來，流程大概就清楚了。

不建議一開始就閱讀「linux內核源碼分析」 之類的書， 會讓讀者一頭霧水。 正確的方法應該是， 先了解相應的背景知識後，再來閱讀源碼。Driver 框架的源碼的位於 drivers/base/， 它是整個驅動模式的基礎框架，至關於OO語言的裏面的Object對象。 其實，Linux 的驅動框架就是一個OO的結構， core模塊定義數據結構，函數接口，實現各類通用的功能——至關於OO裏面的基類。各模塊的設備驅動程序則只須要實現 core模塊裏面定義的接口便可。

bus, driver, device 框架

linux的外圍設備驅動，都是經過 bus + driver + device來管理的，其實也好理解 ，外設都是經過總線來與cpu通信的。kernel會實現各類總線的規範以及設備管理(設備檢測，驅動綁定等)，驅動程序只須要註冊本身的驅動，實現對設備的讀寫控制便可。

這類驅動一般是2個層次：總線子系統 + 驅動模塊，它的流程大概是：

1) bus_register(xx)

kernel裏面的各bus子系統（如：serio, usb, pci, ...）會使用該函數來註冊本身。

2) driver_register(xx)

驅動模塊使用它來向總線系統註冊本身，這樣驅動模塊只須要關注相應driver接口的實現。一般，bus子系統會對 driver_register來進行封裝，如：

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

3) registe_device(xx)

各總線除了管理driver外，還管理device，一般會提供一支API來添加設備，如： input_register_device, serio_add_port.實現上都是經過一個鏈表對設備進行管理，一般是在初始化或者probe的時候， 添加設備。

設備(device)指的是具體實現總線協議的物理設備，如對serio總線而言，i8042就是它的一個設備，而該總線鏈接的設備(鼠標，鍵盤)則是一個serio driver。

註冊

bus.c 和 driver.c 分別對 bus,driver和device進行管理，提供註冊bus, driver和查找 device 功能。

bus_register(*bus) 這個函數會生成兩個list，用來保存設備和驅動。

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定義在 driver/base/base.h

driver_register(*drv) 實際上就是調用 bus_add_driver(*drv) 把 drv 添加到 klist_drivers:

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

同理註冊device，也是經過 bus_add_device(*dev)，添加到 klist_devices:

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

以 hid_bus_type爲例，執行 bus_register(&hid_bus_type) 後， hid_bus_type->p->klist_devices 和 hid_bus_type->p->klist_klist_drivers 這兩個list 會被初始化，爲後面的 driver和 device 註冊作準備，driver數據結構以下:

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

註冊driver時,它先通過 __hid_register_driver(&tpkbd_driver),設置一些基本參數。

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

設置'driver.bus'字段後，driver和bus的對應關係就創建起來了。 而後， 通過 driver_register 後,hid_bus_type->p->list_drivers 保存了 tpkbd_driver.

Q: driver模塊是不知道 hid_driver 這個數據結構的，它如何能把它的指針放到list裏面呢？

答案是」不能」， list_drivers 是不能保存 hid_driver 指針的。driver模塊提供了一個接口: 'struct device_driver' , hid_driver 這個結構裏面須要包含該結構。

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

註冊的時候，取的是 driver 字段的地址，也就是 hid_driver.driver 的指針， driver_register(&hdrv->driver); 當從 driver模塊 callback 到 hid-core模塊的時候， 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 的指針轉換成了hid_driver 的指針－－這個方法相似 OO編程裏面使用基類指針指向派生類對象。Linux普通使用這個方法，來構建框架。

device和driver綁定

當增長新device的時候，bus 會輪循它的驅動列表來找到一個匹配的驅動，它們是經過device id和 driver的id_table來進行 」匹配」的，主要是在 driver_match_device()[drivers/base/base.h] 經過 bus->match() 這個callback來讓驅動判斷是否支持該設備，一旦匹配成功，device的driver字段會被設置成相應的driver指針 :

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

而後 callback 該 driver 的 probe 或者 connect 函數，進行一些初始化操做。

同理，當增長新的driver時，bus也會執行相同的動做，爲驅動查找設備。所以，綁定發生在兩個階段：

1: 驅動找設備，發生在driver向bus系統註冊本身時候，函數調用鏈是：

driver_register --> bus_add_driver --> driver_attach() [dd.c] －－ 將輪循device鏈表，查找匹配的device。

2: 設備查找驅動，發生在設備增長到總線的的時候，函數調用鏈是：

device_add --> bus_probe_device --> device_initial_probe --> device_attach －－ 將輪循driver鏈表，查找匹配的driver。

匹配成功後，系統繼續調用 driver_probe_device() 來 callback 'drv->probe(dev)' 或者 'bus->probe(dev) -->drv->connect()，在probe或者connect函數裏面，驅動開始實際的初始化操做。所以，probe() 或者 connect() 是真正的驅動'入口'。

對驅動開發者而言，最基本是兩個步驟：

• 定義device id table.
• probe()或connect()開始具體的初始化工做。

(driver和device註冊流程圖)

實例分析：atkbd鍵盤驅動

Serio Bus 主要是支持 PS/2，串口等串行設備協議，物理上能夠經過i8042控制芯片來鏈接PS/2的鼠標或鍵盤，它的架構是:

• serio.c 實現總線框架。
• serio_register_port 註冊底層讀寫設備－－ port就是 serio的底層通信設備， 它執行serio總線的底層讀寫。
• serio_register_driver 註冊驅動，與port進行綁定，利用port進行底層的讀寫通信。

atkbd 驅動註冊的時侯，需指定它支持的port類型。

serio->id.type        = SERIO_8042; //代表驅動須要8042的支持。

serio_register_driver()     // 註冊本身， 根據設備id綁定相應的 port(本例中是8042)。

做爲serio的port， i8042 經過 serio_register_port 來註冊，生成serio對象，這樣驅動程序就能夠經過 serio->wirte/read 來調用i8042進行底層的通信。 數據流程框圖以下：

driver 經過 bus 匹配 port，經過port與外設通信。

咱們能夠在sys接口 [/sys/bus/serio/] 目錄下找到設備和驅動的相關信息，裏面的內容能夠經過 DEVICE_ATTR_XX 系列宏定義來添加。 port 的命令規則是serio0, serio1, serioN 是自動增長的。

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

atkbd註冊serio驅動後，還須要註冊input設備，它須要實現input子系統的接口，做爲一個input設備工做。input.c 定義了callback 和公用接口,子模塊實現相應接口。

keybord:  drivers/input/keyboard/atkbd.c

註冊設備
atkbd.c: atkbd_connect  → input_register_device()

Input子系統經過event 字符設備來與應用程序進行通信。

evdev.c: evdev_init → input_register_handler → ....
cdev_init(xx, fops) // 處理  /dev/input/eventX的讀寫操做。

atkdb經過註冊Serio Bus 驅動和Input device來打通從應用程序到外設通信鏈路：

application --> /dev/input/eventX --> Input 子系統 --> atkdb驅動 --> serio bus --> i8042 port --> 物理鍵盤。

咱們能夠看到字符設備主要是用來提供應用層接口，Bus框架則用來管理外設驅動。

Input提供了proc文件接口，能夠查看相應的信息。

cat /proc/bus/input/devices ： 能夠獲得某個設備的event number.
cat /proc/bus/input/handlers

經過cat eventX能夠獲得按鍵產生input_event，查看 event裏面的原始數據

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

參考資料

1: Linux 3.13源碼。

2: Linux Device Drivers。

---

歡迎你們來個人網站交流:般若程序蟬