匯流排和裝置
阿新 • • 發佈：2018-11-05
一、匯流排
匯流排是處理器與裝置之間的通道。在linux裝置模型中，所有的裝置都通過匯流排相連，匯流排可能是實際的匯流排，比如usb匯流排，pci匯流排，也可能是虛擬的匯流排。1.1 資料結構
linux使用bus_type來表示匯流排。其定義如下：struct bus_type { const char *name; const char *dev_name; struct device *dev_root; struct bus_attribute *bus_attrs; struct device_attribute *dev_attrs; struct driver_attribute *drv_attrs; int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv); int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env); int (*probe)(struct device *dev); int (*remove)(struct device *dev); void (*shutdown)(struct device *dev); int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state); int (*resume)(struct device *dev); const struct dev_pm_ops *pm; struct iommu_ops *iommu_ops; struct subsys_private *p; };
- name：匯流排的名稱
- dev_name：用於列舉匯流排下的裝置時的匯流排名稱的名稱。示例程式碼dev_set_name(dev, "%s%u", dev->bus->dev_name, dev->id)
- bus_attrs：匯流排自己的一系列屬性。struct bus_attribute是一個自定義的sysfs屬性，其中包括了struct attribute以及該屬性的show和store方法。
- dev_attrs：匯流排下裝置的一系列屬性。類似於匯流排自己的屬性，這也是一個自定義的sysfs屬性，包括了struct attribute以及該屬性的show和store方法。在bus_add_device->device_add_attrs中被加入dev目錄下。
- drv_attrs：匯流排下驅動的一系列屬性。類似於匯流排自己的屬性和匯流排下的裝置屬性。在bus_add_driver->driver_add_attrs中被加入driver目錄下。
- match：用於檢測指定的裝置是否可以被指定的驅動處理。在往該匯流排新增新的驅動或者裝置時會呼叫該函式。如果指定的裝置能夠被指定的驅動處理，則應該返回一個非0值，否則返回0。
- uevent：用於處理uevent事件，典型的比如裝置的熱插拔。函式用於匯流排對uevent的環境變數新增，但在匯流排下裝置的dev_uevent處理函式也有對它的呼叫。
- probe：當新的裝置或者驅動被新增到一個匯流排，並且match返回成功時會呼叫該函式對新的裝置進行初始化，實際上這是一個初始化函式。bus->probe和drv->probe中只會有一個生效，如果兩個都存在，則使用bus->probe。
- remove：當從匯流排解除安裝裝置或者驅動時，會呼叫該函式。類似於probe，如果bus->remove和drv->remove都存在，則使用bus->remove。
- shutdown：在所有裝置都關閉時會被呼叫。類似於remove和probe，如果bus->shutdown和drv->shutdown都存在，則使用bus->shutdown。
- suspend：當總線上一個裝置想要休眠時呼叫該函式。
- resume：用於喚醒總線上的一個休眠的裝置。
- pm：電源管理的函式
- iommu_ops：特定於該總想的和IOMMU 操作函式，用於將IOMMU驅動的實現和匯流排關聯起來，從而允許驅動在做IOMMU時可以進行特定於匯流排的操作。
- p：只能由驅動核心使用的私有資料。
struct subsys_private {
struct kset subsys;
struct kset *devices_kset;
struct list_head interfaces;
struct mutex mutex;
struct kset *drivers_kset;
struct klist klist_devices;
struct klist klist_drivers;
struct blocking_notifier_head bus_notifier;
unsigned int drivers_autoprobe:1;
struct bus_type *bus;
struct kset glue_dirs;
struct class *class;
};- subsys：該匯流排在sysfs中的表示。
- devices_kset：該匯流排目錄下的devices子目錄。
- interfaces：該匯流排關聯的subsysfs_interface介面的連結串列頭。subsysfs_interface提供了一種向裝置新增介面的方式，這種介面往往代表一種特定的功能，它不控制裝置。其定義也很簡單，其中包括了一個add_dev的函式指標和一個remove_dev的函式指標，具體的可以參看實際的程式碼。
- mutex：用於保護interfaces連結串列的互斥鎖
- drivers_kset：該匯流排目錄下的drivers子目錄。
- klist_devices：總線上的裝置連結串列。
- klist_drivers：總線上的驅動連結串列。
- bus_notifier：用於傳送匯流排變化通告的通知鏈。
- driver_autoprobe：是否允許device和driver自動匹配，如果允許會在device或者driver註冊時就進行匹配工作。
- bus：指向匯流排的bus_type型別。
- class：指向該結構關聯的class。
1.2 新增、刪除匯流排
可以呼叫bus_register來新增一個匯流排到系統中，如果要從系統中刪除一個匯流排，需要呼叫bus_unregister。為了可以在sysfs中識別出來匯流排，在新增匯流排時要給它指定一個名字，新增匯流排可能失敗，所以需要檢查返回值。在註冊匯流排時，bus_register會完成：- 建立並初始化匯流排的subsys_private
- 將匯流排的kset設定為bus_kset（即p->subsys.kobj.kset域）
- 將匯流排的kobj_type設定為bus_ktype（即p->subsys.kobj.ktype域）
- 預設使能驅動的自動探測（即設定p->drivers_autoprobe為1）
- 初始化匯流排的kset
- 在sysfs中為匯流排建立bus_attr_uevent檔案,該屬性檔案用於傳送uevent事件。
- 建立並初始化匯流排下的裝置的kset和驅動的kset
- 初始化匯流排下的裝置連結串列和驅動連結串列
- 如果支援熱插拔，則在sysfs中為匯流排建立bus_attr_drivers_probe和bus_attr_drivers_autoprobe屬性檔案，其中bus_attr_drivers_probe這個檔案用於在熱插拔時為指定名字的裝置查詢並載入驅動，實際上即是載入裝置（寫該檔案執行函式store_drivers_probe，它會試圖找到指定名字的裝置並找到其驅動）。而bus_attr_drivers_autoprobe用於修改匯流排的私有資料中的drivers_autoprobe，即是否允許自動載入裝置。
- 在sysfs中為匯流排結構中的其它匯流排屬性建立屬性檔案
匯流排的kset為全域性定義的bus_kset，它在匯流排系統初始化時(buses_init)被建立和初始化。buses_init完成的工作包括：
- 在sys下建立一個名為bus的目錄，其kset_uevent_ops被設定為bus_uevent_ops。bus_uevent_ops就提供了一個filter函式。
- 在sys下建立一個名為system的目錄，其kset_uevent_ops被設定為NULL，並且設定其父kobject為devices_kset的kobject。
- 首先獲得bus_attribute
- 檢測是否有show（store）函式，如果有就呼叫。
1.3 匯流排的sysfs屬性
匯流排屬性定義如下struct bus_attribute {
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct bus_type *bus, char *buf);
ssize_t (*store)(struct bus_type *bus, const char *buf, size_t count);
};#define BUS_ATTR(_name, _mode, _show, _store) struct bus_attribute bus_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _store)
linux裝置模型的各個部分都對在sysfs下新增屬性檔案做了封裝，匯流排系統提供的api如下：
int __must_check bus_create_file(struct bus_type *, struct bus_attribute *);
void bus_remove_file(struct bus_type *, struct bus_attribute *);
它們分別被用於向sysfs中新增屬性檔案和刪除屬性檔案，分別會呼叫sysfs框架的sysfs_create_file和sysfs_remove_file函式。
1.4 匯流排的其它操作
1.4.1 遍歷裝置或者驅動
為了方便使用，匯流排提供了兩個巨集，分別用於列舉匯流排下的裝置和驅動，其原型如下：int bus_for_each_dev(struct bus_type *bus, struct device *start, void *data, int (*fn)(struct device *, void *))
int bus_for_each_drv(struct bus_type *bus, struct device_driver *start, void *data, int (*fn)(struct device_driver *, void *))1.4.2 查詢裝置
匯流排框架也提供了在匯流排下查詢裝置的功能，其原型如下：struct device *bus_find_device(struct bus_type *bus, struct device *start, void *data, int (*match)(struct device *dev, void *data))
1.4.3 匯流排引用計數
匯流排的引用計數維護在匯流排的私有資料結構的kobject中，最終使用的是其私有資料結構中的kset的kobject中的引用計數。相關API如下：struct bus_type *bus_get(struct bus_type *bus)
void bus_put(struct bus_type *bus)1.4.4 裝置連結串列的保護
匯流排下的裝置連結串列和驅動連結串列都是一個klist型別的連結串列，這種連結串列可以新增get和put的保護機制，匯流排為其中的裝置連結串列提供了保護函式。這些保護函式在對連結串列進行初始化時提供給了klist，然後在使用klist的api進行遍歷操作的時候，klist的程式碼會自動使用相關的get和put函式。匯流排為裝置連結串列提供的保護函式分別為：void klist_devices_get(struct klist_node *n)
void klist_devices_put(struct klist_node *n)
二、裝置
在linux驅動模型中，struct device用於表示所有的裝置，裝置可能是真實的物理裝置，也可能是虛擬的裝置。2.1 資料結構
struct device的定義如下：
struct device {
struct device *parent;
struct device_private *p;
struct kobject kobj;
const char *init_name; /* initial name of the device */
const struct device_type *type;
struct mutex mutex; /* mutex to synchronize calls to
* its driver.
*/
struct bus_type *bus; /* type of bus device is on */
struct device_driver *driver; /* which driver has allocated this
device */
void *platform_data; /* Platform specific data, device
core doesn't touch it */
struct dev_pm_info power;
struct dev_pm_domain *pm_domain;
#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;/* Like dma_mask, but for
alloc_coherent mappings as
not all hardware supports
64 bit addresses for consistent
allocations such descriptors. */
struct device_dma_parameters *dma_parms;
struct list_head dma_pools; /* dma pools (if dma'ble) */
struct dma_coherent_mem *dma_mem; /* internal for coherent mem override */
#ifdef CONFIG_CMA
struct cma *cma_area; /* contiguous memory area for dma allocations */
#endif
/* arch specific additions */
struct dev_archdata archdata;
struct device_node *of_node; /* associated device tree node */
dev_t devt; /* dev_t, creates the sysfs "dev" */
u32 id; /* device instance */
spinlock_t devres_lock;
struct list_head devres_head;
struct klist_node knode_class;
struct class *class;
const struct attribute_group **groups; /* optional groups */
void (*release)(struct device *dev);
};- parent：該裝置的父裝置，即該裝置所附著到的那個裝置。通常是某種匯流排或者控制器。如果某個裝置的父裝置被設定為NULL，則它為一個頂層裝置。
- p: 該裝置的私有資料
- kobj：代表該裝置的kobject，用於將該裝置新增到kobject層次結構中，通過它就將一個裝置新增到了sysfs中。通常，device->kobj->parent和device->parent->kobj是相同的。
- init_name: 裝置的初始化名字
- type: 裝置的型別標識。類似於kobject和kobject_type的關係，它儲存了某些型別的裝置所共有的資訊，這樣就不必為每個裝置指定這些共有資訊，而只需要指定一份，然後將裝置的type域指向相應的type即可。
- mutex:用於互斥該裝置驅動的使用。
- bus：該裝置位於那種總線上
- driver：管理該裝置的驅動
- platform_data: 特定於平臺的資料
- power:用於電源管理的資料結構
- pm_domain:用於電源管理的函式集
- numa_node:該裝置使用的UMBA節點
- of_node: 該裝置關聯的裝置樹節點
- devt: 裝置的devt編號，用於在sysfs中建立dev
- id: 裝置的例項編號
- devres_lock: 用於保護該裝置所使用資源連結串列的自旋鎖
- devres_head: 該裝置的資源連結串列
- knode_class: 用於將裝置新增到它所屬的class的連結串列的節點
- class: 該裝置所屬的class
- groups: 裝置的可選屬性組，包括了裝置的可選屬性。具體的結構定義可以檢視device.h
- release：當裝置的引用計數為0時，也就是不再需要改裝置時用於釋放該裝置的函式。裝置的relase函式會被device_release呼叫，而device_release是device_ktype的release函式。在裝置模型中，每個裝置在初始化時都會將device_ktype設定為自己的kobj_type，因而裝置模型的引用計數也可以使用struct device中的kobject進行，在kobject進行relase時會最終呼叫到裝置自己的release函式。
struct device_private {
struct klist klist_children;
struct klist_node knode_parent;
struct klist_node knode_driver;
struct klist_node knode_bus;
struct list_head deferred_probe;
void *driver_data;
struct device *device;
};- klist_children：該裝置的所有子裝置所在的連結串列
- knode_parent：用於將該裝置連結到它的父裝置的子連結串列（即父裝置的klist_children）中
- knode_driver：用於將該裝置連結到它所使用的驅動的裝置連結串列中
- knode_bus：用於將該裝置連結到它所在匯流排的裝置連結串列中
- deferred_probe：由於缺乏資源而沒有載入驅動的裝置連結串列
- driver_data：用於裝置驅動的私有資料指標
- device：指向該裝置的device結構
struct attribute_group {
const char *name;
umode_t (*is_visible)(struct kobject *, struct attribute *, int);
struct attribute **attrs;
};- name：屬性組的名字
- is_visible:用於控制attrs中的某個屬性是否可見，即是否為其在sysfs中建立一個檔案，如果可見，它就返回建立的檔案的模式，因而它控制了屬性檔案的可見性以及訪問模式。
- attrs：屬性陣列
struct device_type {
const char *name;
const struct attribute_group **groups;
int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
char *(*devnode)(struct device *dev, mode_t *mode);
void (*release)(struct device *dev);
const struct dev_pm_ops *pm;
}; - name:型別名字
- goups：型別屬性陣列，會在device_add時被新增到sysfs中
- uevent：該型別的uevent函式，用於傳送uevent時準備環境變數
- devnode：獲得裝置的devnode
- release：該型別的釋放函式
- pm：該型別裝置的電源管理函式集
2.2 新增、刪除裝置
可以呼叫device_register來新增一個匯流排到系統中，如果要從系統中刪除一個匯流排，需要呼叫device_unregister。device_register需要一個struct device的指標作為引數，在呼叫它之前，應該保證除了顯式設定的域外其它域都為0.其完成的工作包括：- 呼叫device_initialize完成
- 將裝置的kobj.kset設定為devices_kset
- 將裝置的kobj的kobj_type設定為device_ktype，不同於匯流排子系統的是這裡的device_ktype不僅包括了屬性的讀寫函式還包括了包括了用於kobject釋放的relase函式。
- 初始化裝置的其它域
- 呼叫device_add完成
- 獲取裝置的引用計數，如果失敗就返回，否則
- 如果裝置的私有資料結構還沒有初始化，就呼叫device_private_init初始化
- 設定裝置的名字（可能來自於初始化名字，也可能來自於匯流排的dev_name，初始化名字的優先順序更高）。如果沒有設定初始化名字，就會嘗試根據裝置所在的匯流排為裝置生成名字。如果設定名字失敗就會失敗返回。
- 初始化裝置和其父裝置的關係
- 呼叫kobject_add將裝置新增到sysfs中
- 在sysfs中為裝置建立屬性檔案uevent_attr
- 如果主裝置號不為0，則在sysfs中為其建立屬性檔案devt_attr
- 在sysfs中建立相關的符號連結
- 呼叫device_add_attrs在sysfs中為裝置新增屬性檔案
- 呼叫bus_add_device將裝置新增到匯流排中
- 呼叫dpm_sysfs_add在sysfs中未裝置建立電源管理相關的屬性檔案
- 呼叫device_pm_add初始化裝置的電源管理資訊
- 如果裝置是依附於匯流排的，就呼叫blocking_notifier_call_chain傳送匯流排變化通告
- 呼叫kobject_uevent傳送KOBJ_ADD通知給使用者空間
- 呼叫bus_probe_device為該裝置探測驅動
- 如果該裝置有父裝置，就將該裝置新增到其父裝置的子裝置連結串列中
- 如果裝置屬於某個class，則將裝置新增到該class的裝置連結串列中，並呼叫該class中的所有介面的add_dev函式。
- 釋放裝置的引用計數
如果主裝置號不為0，則除了建立devt_attr屬性檔案外，還會做一些其它的工作：
- 呼叫device_create_sys_dev_entry以在/sys/dev下為裝置建立相應的sysfs連線檔案，該函式會首先獲得該裝置的kobject，然後再建立。裝置真正的sysfs存在於/sys/devices下
- 呼叫devtmpfs_create_node在/dev目錄下為裝置建立裝置檔案。這是通過向devtmpfsd核心執行緒傳送一個新增請求實現的。devtmpfsd是一個核心執行緒，用於維護基於tmpfs的/dev的內容。
刪除裝置基本上是新增裝置的逆過程。
devices_kset在裝置子系統初始化時（devices_init）建立並初始化，devices_init完成：- 建立並初始化kset devices_kset，其kset_uevent_ops被設定為device_uevent_ops，這會在/sys下建立一個devices目錄。device_uevent_ops包含了對相關的kobject進行uevent處理的相關函式。device_uevent_ops中的uevent事件處理函式被設定為dev_uevent，該函式會檢查並呼叫裝置所屬的匯流排、所屬的類以及裝置自身的uevent處理函式。
- 建立並初始化kobject dev_kobj，這會在/sys下建立一個dev目錄。
- 建立並初始化kobject sysfs_dev_block_kobj，其父目錄指定為dev_kobj，這會在/sys/dev下建立一個block目錄
- 建立並初始化kobject sysfs_dev_char_kobj，其父目錄指定為dev_kobj，這會在/sys/dev下建立一個char目錄
static struct kobj_type device_ktype = {
.release = device_release,
.sysfs_ops = &dev_sysfs_ops,
.namespace = device_namespace,
};屬性的讀寫函式也很簡單，就是查詢屬性自己的讀寫函式，然後呼叫即可。namespace用於獲取裝置的名稱空間，這是通過呼叫裝置所屬的class的名稱空間函式完成的。
除了上述API之外，裝置子系統還提供了一個簡單的API來建立裝置檔案，其定義如下：
struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);
該函式會完成裝置資料結構的建立並初始化該裝置，同時將裝置新增到sysfs中，這個是最簡單的API了。
2.3 裝置的sysfs屬性
裝置屬性結構定義如下：struct device_attribute {
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf);
ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr, const char *buf, size_t count);
};#define DEVICE_ATTR(_name, _mode, _show, _store) struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR(_name, _mode, _show, _store)
linux裝置模型的各個部分都對在sysfs下新增屬性檔案做了封裝，裝置系統提供的api如下：
int device_create_file(struct device *device, const struct device_attribute *entry);
void device_remove_file(struct device *dev, const struct device_attribute *attr);
int __must_check device_create_bin_file(struct device *dev, const struct bin_attribute *attr);
void device_remove_bin_file(struct device *dev, const struct bin_attribute *attr);2.4 裝置的其它操作
2.4.1 遍歷子裝置或者查詢子裝置
為了方便使用，裝置提供了查詢其子裝置以及遍歷子裝置連結串列的API。其原型如下：int device_for_each_child(struct device *dev, void *data, int (*fn)(struct device *dev, void *data));
extern struct device *device_find_child(struct device *dev, void *data, int (*match)(struct device *dev, void *data));2.4.2 裝置引用計數
裝置的引用計數維護在裝置的kobject中，最終使用的是其kobject中的引用計數。相關API如下：struct device *get_device(struct device *dev)
void put_device(struct device *dev)2.4.3 子裝置連結串列的保護
裝置私有資料結構中的子裝置連結串列是一個klist型別的連結串列，這種連結串列可以新增get和put的保護機制，裝置系統為該連結串列提供了保護函式。這些保護函式在對連結串列進行初始化時提供給了klist，然後在使用klist的api進行遍歷操作的時候，klist的程式碼會自動使用相關的get和put函式。相關保護函式為：void klist_children_get(struct klist_node *n)
void klist_children_put(struct klist_node *n)2.4.4 重新命名
如果要修改一個裝置的名字，可以使用如下API：int device_rename(struct device *dev, const char *new_name);