Linux设备模型

看LDD3中设备模型一章，觉得思维有些混乱。这里从整体的角度来理理思路。
本文从四个方面来总结一些内容：

1.底层数据结构：kobject,kset.
2.linux设备模型层次关系：bus_type,device,device_driver.
3.集成：PCI设备驱动模型实例及设备，设备驱动注册源码的简单分析.

4.面向对象的思想在linux设备模型中的应用分析.

 

一、底层数据结构：kobject,kset
先说说模型的意义:
总体来说是为了系统地管理所有设备。

在具体实现方面分两个层次：
一是底层数据结构来实现基本对象及其层次关系：kobjects和ksets。
二是基于这两个底层数据结构上实现的设备模型：总线，设备，驱动。

kobject 

结合面向对象的思维。这个kobject属于最基础的结构，也就是最高抽象层(有点像java中的Cobject类)。任何一个设备模型如总线，设备，驱动都属于一个kobject 。在实现上这种派生关系就是在结构体中包含一个kobject的变量。

这个在层次上处理最顶层的kobject结构提供了所有模型需要的最基本的功能：
1 引用计数  用于内核维护其存在与消亡
2 sysfs表示  每个sys/下的对象对应着一个kobject。
3 热拔插事件处理。 处理设备的热拔插事件。

Kobjects 在内核中对应有一套申请，初始化，添加，注册，计数操作，释放等函数
struct kobject {
 const char  * k_name; 名
 char   name[KOBJ_NAME_LEN];
 struct kref  kref; 计数
 struct list_head entry; 用于连接到同类kobjects的链表
 struct kobject  * parent;  用于实现层次，指向其父对象。
 struct kset  * kset; 用于实现层次，所属的集合
 struct kobj_type * ktype;  指向对象的类型。
 struct dentry  * dentry;  指示在sysfs 中的目录项
 wait_queue_head_t poll;
}; (linux 2.6.18)

Kset 和kobj_type 

Kset 在概念上是一个集合或者叫容器。实现了对象的层次。所有属于一个ksets的对象(kobject)的parent都指向该ksets的kobj.同时这个对象都连接到kset 的list表上。同时位于ksets层次之上的是subsys，在最新的内核中已经取消subsys，因为它本质上也就是一个ksets。Kset有一套类似kobject的操作，实现上只是进一步调用其自身kobj的相应操作，毕竟ksets本质上也是一个kobject。
struct kset {
 struct subsystem * subsys;  在最新内核中已经没有subsys概念了。统一用ksets
 struct kobj_type * ktype;   类型。
 struct list_head list;    同一kset的链表
 spinlock_t  list_lock;
 struct kobject  kobj; 自身的kobjects
 struct kset_uevent_ops * uevent_ops;
};(linux 2.6.18)

最后 属于同一个集合的对象可以拥有共同的属性：ktype 。

struct kobj_type {
 void (*release)(struct kobject *);
 struct sysfs_ops * sysfs_ops;
 struct attribute ** default_attrs;
};
所谓的属性更具体一点说就是一些键值对。并且在sysfs_ops中的show函数被文件系统调用来显示sys/下面对应入口各属性的值。

如此 ，kobjects与ksets实现层次树的底层骨架。
进一步地，通过封装这些底层结构来实现上层的设备驱动模型。
内核设备驱动模型层次划分三个方面：总线，设备，驱动。

二、linux设备模型层次关系：bus_type,device,device_driver

基本关系简要的概括如下：
驱动核心可以注册多种类型的总线。
每种总线下面可以挂载许多设备。(通过kset devices)
每种总线下可以用很多设备驱动。(通过包含一个kset drivers)}
每个驱动可以处理一组设备。

这种基本关系的建立源于实际系统中各种总线，设备，驱动结构的抽象。

下面看看三者数据结构的定义。

首先是总线，bus_type.
struct bus_type {
 const char  * name;

 struct subsystem subsys;//代表自身
 struct kset  drivers;   //当前总线的设备驱动集合
 struct kset  devices; //所有设备集合
 struct klist  klist_devices;
 struct klist  klist_drivers;

 struct bus_attribute * bus_attrs;//总线属性
 struct device_attribute * dev_attrs;//设备属性
 struct driver_attribute * drv_attrs;

 int  (*match)(struct device * dev, struct device_driver * drv);//设备驱动匹配函数
 int  (*uevent)(struct device *dev, char **envp,  
      int num_envp, char *buffer, int buffer_size);//热拔插事件
 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);
};
这是2.6.18的定义。源码能说明一切。下面是设备device的定义：

struct device {

struct device  * parent; //父设备，一般一个bus也对应一个设备。
struct kobject kobj;//代表自身
char bus_id[BUS_ID_SIZE]; 
struct bus_type * bus;  /* 所属的总线 */
struct device_driver *driver; /* 匹配的驱动*/

void  *driver_data; /* data private to the driver 指向驱动 */
 void  *platform_data; /* Platform specific data，由驱动定义并使用*/

///更多字段忽略了

};

下面是设备驱动定义：

struct device_driver {
 const char  * name;
 struct bus_type  * bus;//所属总线

 struct completion unloaded;
 struct kobject  kobj;//代表自身
 struct klist  klist_devices;//设备列表
 struct klist_node knode_bus;

 struct module  * owner;

 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);
};

OK。基本的东西弄明白了。通过PCI驱动中设备模型的实例来看看细节。

三、集成：PCI设备驱动模型实例及设备，设备驱动注册源码的简单分析.

先看pci总线类型定义：
struct bus_type pci_bus_type = {
 .name  = "pci",
 .match  = pci_bus_match,
 .uevent  = pci_uevent,
 .probe  = pci_device_probe,
 .remove  = pci_device_remove,
 .suspend = pci_device_suspend,
 .shutdown = pci_device_shutdown,
 .resume  = pci_device_resume,
 .dev_attrs = pci_dev_attrs,
};

然后是pci设备和驱动。pci设备和pci驱动没有直接使用device和device_driver，而是将二者封装起来，加上pci特定信息构成pci_dev和pci_driver。当然，意义是一样的。

struct pci_dev { 
/* PCI设备的ID信息*/ 
unsigned int devfn; 
unsigned short vendor; 
unsigned short device; 
unsigned short subsystem_vendor; 
unsigned short subsystem_device; 
unsigned int class; 
/* ... */ 

struct pci_bus *bus;   //所属pci总线
struct pci_driver *driver;  //所属的pci驱动
 /* ... */ 
struct device dev;  //设备自身
/* ... */ 
}; 
这里省略了许多PCI设备特定的信息，如中断，资源等。。

当一个PCI 设备被发现, PCI 核心在内存中创建一个 struct pci_dev 类型的新变量。这个 PCI 设备的总线特定的成员被 PCI 核心初始化( devfn, vendor, device, 和其他成员), 并且 struct device 变量的 parent 变量被设置为 PCI 总线设备(注意总线也不仅有一个bus_type 结构，还对应一个设备device) bus 变量被设置指向 pci_bus_type 结构. 接下来 name 和 bus_id 变量被设置, 根据读自 PCI 设备的 name 和 ID.

在 PCI 设备结构被初始化之后, pci设备被注册到驱动核心, 调用 device_register(&dev->dev); 在device_register函数中，kobject被注册到驱动核心，pci设备被添加到pci总线的设备列表中,热拔插事件产生，同时kobject被添加到parent的链表中，sysfs入口也被添加。

PCI设备的发现是通过特定代码探测PCI空间来实现的。PCI设备由内核自动生成的。这样在注册pci驱动的时候PCI设备已经注册，其属性如ID的信息都已经是被初始化好了。

最后是pci_driver:
struct pci_driver {
 struct list_head node;
 char *name; //驱动name
 const struct pci_device_id *id_table; /* 驱动支持的设备ID列表 */
 int  (*probe)  (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id); /* New device inserted */
 void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */
 int  (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /* Device suspended */
 int  (*resume) (struct pci_dev *dev);                 /* Device woken up */
 int  (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable);   /* Enable wake event */
 void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);

 struct pci_error_handlers *err_handler;
 struct device_driver driver; //设备驱动
 struct pci_dynids dynids;
};

 这里列出了pci_bus，pci_dev,pci_driver的定义。它们的关系与bus,device,driver一样。pci_bus直接是一个bus_type结构初始化的实体。
pci_dev由内核探测，并且注册到驱动核心。pci设备的初始化和注册分两个方面，一是pci设备信息如ID，资源等，二是pci_dev.dev的注册。调用register_device(struct  device * dev)来完成。
pci_driver一般由模块定义并且在模块初始化函数中向内核注册。也要两个方面，一是pci_driver中特定于PCI的方法，支持的ID列表等的初始化；二是内嵌的device_driver的注册，使用register_driver(struct device_driver * drv)。
这就有点像面向对象中子类与父类的关系，子类构造函数的调用隐含父类构造函数的调用。

没有register_device(dev)和register_driver(drv)的注册，驱动核心就不知道设备和驱动的存在，sysfs也没有相关的入口。

最后一件事，看看register_device(dev)和register_driver(drv)的代码。

int device_register(struct device *dev)

{
device_initialize(dev);
return device_add(dev);
}

device_register-->device_initialize(dev);//初始化设备各个字段

void device_initialize(struct device *dev)
{
 kobj_set_kset_s(dev, devices_subsys); //所有的dev属于devices_subsys这个集合
 kobject_init(&dev->kobj); //初始kobj
 klist_init(&dev->klist_children, klist_children_get,
     klist_children_put);
 INIT_LIST_HEAD(&dev->dma_pools);
 INIT_LIST_HEAD(&dev->node);
 init_MUTEX(&dev->sem);
 device_init_wakeup(dev, 0);
}

device_register-->device_add(dev);

int device_add(struct device *dev) //主要流程
{
    dev = get_device(dev);
    parent = get_device(dev->parent);
    kobject_set_name(&dev->kobj, "%s", dev->bus_id);
    dev->kobj.parent = &parent->kobj;
    kobject_add(&dev->kobj);//将自身kobject加入到层次结构中，并且建立sysfs entry.

//设置uevent_attr:

dev->uevent_attr.attr.name = "uevent";
    dev->uevent_attr.attr.mode = S_IWUSR;

if (dev->driver)
    dev->uevent_attr.attr.owner = dev->driver->owner;
    dev->uevent_attr.store = store_uevent;
    device_create_file(dev, &dev->uevent_attr);

//建立显示设备号的sysfs入口，即当前设备入口下的"dev"文件显示设备主从设备号。

if (MAJOR(dev->devt)) {
    attr->attr.name = "dev";
    attr->attr.mode = S_IRUGO;
    if (dev->driver)
    attr->attr.owner = dev->driver->owner;
    attr->show = show_dev;
    error = device_create_file(dev, attr);
    }

//建立类的sysfs符号连接  
   if (dev->class) {
   sysfs_create_link(&dev->kobj, &dev->class->subsys.kset.kobj,"subsystem");
   sysfs_create_link(&dev->class->subsys.kset.kobj, &dev->kobj,dev->bus_id);}
   sysfs_create_link(&dev->kobj, &dev->parent->kobj, "device");
   class_name = make_class_name(dev->class->name, &dev->kobj);
   sysfs_create_link(&dev->parent->kobj, &dev->kobj, class_name);
   }

error = bus_add_device(dev);//添加一些bus相关的sysfs符号连接

/*设置环境变量，然后调用call_usermodehelper (argv[0], argv, envp, 0); 引起热拔插事件用户空间脚本执行。*/

kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD); 

bus_attach_device(dev); /*如果dev->driver已经存在，调用device_bind_driver(dev);进行绑定，否则遍历dev->bus上drivers列表，调用dev->bus.match(dev,drv)来看是否有一个驱动与该dev匹配。如果匹配则绑定。*/

} OK，上述是主要流程。。

下面是register_driver(drv)函数：

int driver_register(struct device_driver * drv)
{
 if ((drv->bus->probe && drv->probe) ||
     (drv->bus->remove && drv->remove) ||
     (drv->bus->shutdown && drv->shutdown)) {
  printk(KERN_WARNING "Driver ''''%s'''' needs updating - please use bus_type methods\n", drv->name);
 }
 klist_init(&drv->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);
 init_completion(&drv->unloaded);
 return bus_add_driver(drv);
}

driver_register(drv);-->bus_add_driver(drv);

int bus_add_driver(struct device_driver * drv)
{
 struct bus_type * bus = get_bus(drv->bus);

 error = kobject_set_name(&drv->kobj, "%s", drv->name);
 drv->kobj.kset = &bus->drivers; //驱动隶属于总线的驱动集合
 error = kobject_register(&drv->kobj);//注册自身kobject

 driver_attach(drv);//添加驱动到总线
 klist_add_tail(&drv->knode_bus, &bus->klist_drivers);
 module_add_driver(drv->owner, drv);

 driver_add_attrs(bus, drv);
 add_bind_files(drv);
 
}

driver_register(drv);-->bus_add_driver(drv);-->driver_attach(drv);

void driver_attach(struct device_driver * drv)
{
 bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
}

对总线上的每个设备dev,调用__driver_attach(dev,drv);最终调用
driver_probe_device(drv, dev);

driver_register(drv);-->bus_add_driver(drv);-->driver_attach(drv);
-->__driver_attach(dev,drv);-->driver_probe_device(drv, dev);

int driver_probe_device(struct device_driver * drv, struct device * dev)
{
if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))
  goto Done;//优先调用总线提供匹配方法

 dev->driver = drv;
 if (dev->bus->probe) {
  ret = dev->bus->probe(dev);//总线的探测方法
  }
  else if (drv->probe)
 {
  ret = drv->probe(dev); //用dev->driver的探测方法
 }
 device_bind_driver(dev); /*探测成功则绑定设备到驱动，添加dev到drv的设备列表并且建立驱动与设备在sys/入口中相互关联的符号连接*/
 
 goto Done;

 Done:
 return ret;
}

乱七八糟的。主线还是模型的层次关系。对kobject，kset细节中关于属性，热拔插，sys入口的部分没有深入。或许，理解总体和设计思想是更重要的。人的精力真的有限。

四、面向对象的思想在linux设备模型中的应用分析.

通过设备模型，看到了面向对象编程思想用C语言的实现。内核中常见到封装了数据和方法的结构体，这是面向对象封装特性的实现。而这里展现的更多的是继承方面的实现。比如说pci_driver，它的父类是device_driver，而更上一层是一个kobject。在C++中，继承一个父类则子类中相应的包含父类的一个实例。内核中也是通过包含一个父类的实体来实现这种派生关系。因此，一个pci_driver内部必然包含一个device_driver,同样，device_driver内部必然包含一个kobject。
上面提到过，注册一个模型的过程类似于面向对象中构造函数的调用。子类需要调用父类构造函数来完成自身的构造。再来看看注册一个pci_driver的过程：
pci_register_driver(struct pci_driver *driver)
     -->driver_register(&drv->driver);
        -->kobject_register(&drv->kobj);
这不是OO中的继承么？

设备模型源码中还能找到多态(虚函数)的思想。看到pci_driver和device_driver中提供了差不多同名的方法不觉得奇怪吗？？它们不同的地方在于参数。pci_driver中方法的参数是pci_device * dev ,而device_driver方法的参数则是 device * dev 。这么安排是有意的!
最典型的例子莫过于platform_driver和device_driver。
struct platform_driver {
 int (*probe)(struct platform_device *);
 int (*remove)(struct platform_device *);
 void (*shutdown)(struct platform_device *);
 int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
 int (*resume)(struct platform_device *);
 struct device_driver driver;
};
这显然比pci_driver来得简洁。platform_driver除了包含一个device_driver，其它就是5个与device_driver同名的方法。
注册一个platform_driver的过程：
int platform_driver_register(struct platform_driver *drv)
{
 drv->driver.bus = &platform_bus_type;
 if (drv->probe)
  drv->driver.probe = platform_drv_probe;
 if (drv->remove)
  drv->driver.remove = platform_drv_remove;
 if (drv->shutdown)
  drv->driver.shutdown = platform_drv_shutdown;
 if (drv->suspend)
  drv->driver.suspend = platform_drv_suspend;
 if (drv->resume)
  drv->driver.resume = platform_drv_resume;
 return driver_register(&drv->driver);
}

这里设置了platform_driver包含的device_driver的函数指针。看看这些函数中的platform_drv_probe。
static int platform_drv_probe(struct device *_dev)
{
 struct platform_driver *drv = to_platform_driver(_dev->driver);
 struct platform_device *dev = to_platform_device(_dev);

 return drv->probe(dev);
}

这里出现了两个指针类型转换(通过container_of()宏实现的)，然后调用platform_driver提供的probe函数。
考虑一下platform_driver的注册过程。每个驱动注册过程相同。如前面分析过的，进入到driver_register后，设备驱动device_driver层的probe将会被调用来探测设备，这个函数像上面源码所指示的那样完成类型转化调用其子类platform_driver层的probe函数来完成具体的功能。 那么，从device_driver层看来，相同的函数调用由子类来完成了不同的具体功能。这不是多态的思想么？？

这里非常粗浅的分析了linux设备模型中使用C实现面向对象的三大要素(封装，继承，多态)的基本思想。用C来实现确实做的工作要多一些，不过灵活性更高了。怪不得linus炮轰C++.
"使用优秀的、高效的、系统级的和可移植的C++的唯一方式，最终还是限于使用C本身具有的所有特性。"