Linux 内核驱动--设备驱动模型_总线、设备和驱动

1. 总线、设备和驱动

1.1 简单介绍
        Linux设备模型中三个很重要的概念就是总线、设备和驱动，即bus，device和driver。它们分别对应的数据结构分别为struct bus_type，struct device和struct device_driver。
        总线是处理器与一个或多个设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都通过总线相连。在最底层，Linux系统中的每一个设备都用device结构的一个实例来表示。而驱动则是使总线上的设备能够完成它应该完成的功能。
        在系统中有多种总线，如PCI总线、SCSI总线等。系统中的多个设备和驱动是通过总线让它们联系起来的。在bus_type中两个很重要的成员就是 struct kset drivers和struct kset devices。它分别代表了连接在这个总线上的两个链，一个是设备链表，另一个则是设备驱动链表。也就是说，通过一个总线描述符，就可以找到挂载到这条总线上的设备，以及支持该总线的不同的设备驱动程序。
1.2 总线、设备与驱动的绑定
        在系统启动时，它会对每种类型的总线创建一个描述符，并将使用该总线的设备链接到该总线描述符的devices链上来。也即是说在系统初始化时，它会扫描连接了哪些设备，并且为每个设备建立一个struce device变量，然后将该变量链接到这个设备所连接的总线的描述符上去。另一方面，每当加载了一个设备驱动，则系统也会准备一个struct device_driver结构的变量，然后再将这个变量也链接到它所在总线的描述符的drivers链上去。       
        对于设备来说，在结构体struct device中有两个重要的成员，一个是struct bus_type *bus，另一个是struct device_driver *driver。bus成员就表示该设备是链接到哪一个总线上的，而driver成员就表示当前设备是由哪个驱动程序所驱动的。对于驱动程序来说，在结构体struct device_driver中也有两个成员，struct bus_type *bus和struct list_head devices，这里的bus成员也是指向这个驱动是链接到哪个总线上的，而devices这个链表则是表示当前这个驱动程序可以去进行驱动的那些设备。一个驱动程序可以支持一个或多个设备，而一个设备则只会绑定给一个驱动程序。
        对于device与device_driver之间建立联系的方式，主要有两种方式。第一种，在计算机启动的时候，总线开始扫描连接在其上的设备，为每个设备建立一个struct device变量并链接到该总线的devices链上，然后开始初始化不同的驱动程序，驱动程序到它所在的总线的devices链上去遍历每一个还没有被绑定给某个驱动的设备，然后再查看是否能够支持这种设备，如果它能够支持这种设备，则将这个设备与这个驱动联系起来。即让struct device中的device_driver指向当前这个驱动，同时把该device添加到device_driver的klist_devices中。第二种则是热插拔。也即是在系统运行时插入了设备，此时内核会去查找在该bus链上注册了的device_driver，然后再将设备与驱动联系起来。设备与驱动根据什么规则联系起来，它们是如何被联系起来的代码我们将在后面的章节进行详细的描述。

1.3 PCI总线
        PCI是一种在CPU与I/O设备之间进行高速数据传输的一种总线。有很多设备都是使用PCI总线的，网卡就是其中之一。我们在前面讲了那些总线、设备与驱动方面的知识，原因就在于网卡是连接到PCI总线上，所以PCI总线、网卡设备以及网卡驱动就成了我们研究网卡的一个很重要的线索，尤其是在网络的链路层部分。下图显示了在一个系统中PCI设备的一个框图：
 

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PCI

2008-12-15 22:46

        PCI子系统声明了一个bus_type结构，为pci_bus_type。它就是PCI总线的描述符。在这个变量上，链接了PCI设备以及支持PCI设备的驱动程序。
1.4 PCI设备与驱动
        PCI设备通常由一组参数唯一地标识，它们被vendorID，deviceID和class nodes所标识，即设备厂商，型号等，这些参数保存在pci_device_id结构中。每个PCI设备都会被分配一个pci_dev变量，内核就用这个数据结构来表示一个PCI设备。
        所有的PCI驱动程序都必须定义一个pci_driver结构变量，在该变量中包含了这个PCI驱动程序所提供的不同功能的函数，同时，在这个结构中也包含了一个device_driver结构，这个结构定义了PCI子系统与PCI设备之间的接口。在注册PCI驱动程序时，这个结构将被初始化，同时这个 pci_driver变量会被链接到pci_bus_type中的驱动链上去。
        在pci_driver中有一个成员struct pci_device_id *id_table，它列出了这个设备驱动程序所能够处理的所有PCI设备的ID值。
1.5 PCI设备与驱动的绑定过程
        下面描述一下对于PCI设备与驱动绑定的过程。首先在系统启动的时候，PCI总线会去扫描连接到这个总线上的设备，同时为每一个设备建立一个 pci_dev结构，在这个结构中有一个device成员，并将这些pci_dev结构链接到PCI总线描述符上的devices链。如下图所示：
  
        第二步是当PCI驱动被加载时，pci_driver结构体将被初始化，这一过程在函数pci_register_driver中：
        drv->driver.bus = &pci_bus_type;
        drv->driver.probe = pci_device_probe;
        最后会调用driver_register(&drv->driver)将这个PCI驱动挂载到总线描述符的驱动链上。同时在注册的过程中，会根据pci_driver中的id_table中的ID值去查看该驱动支持哪些设备，然后遍历BUS上的所有设备，将这些设备挂载到pci_driver中的devices_list链中来。同时把相应device的device_driver指向当前driver,如下图所示：
 

        对于不同的设备，可能驱动程序也不一样，因此，对于上图中的Dev3，可能就需要另外一个驱动程序来对其进行驱动。所以当加载了Dev3的驱动程序时，其示意图如下图所示：
 

        上面这三个示意图就描述了总线、设备以及驱动在系统中是如何进行相互联系的。前面对于驱动注册这些函数的描述较为简单，因为网卡是一个PCI设备，因此在后面具体地讲到网卡注册时再来详细地讲解和PCI相关的注册等函数。
1.6 小结
        本部分主要讲解了总线、设备以及驱动方面的一些知识，由于网卡是一个PCI设备，因此具体地讲到了一点PCI总线、PCI设备及相应的PCI驱动方面的知识，但是由于PCI本身就是很大的一个子系统，因此这里不可能对其进行详细地讲解，在后面对网卡的分析中，将对网卡中涉及到的和PCI相关的部分进行讲解。

 

2. 网卡在PCI层的注册
2.1 数据结构
        前面第一章讲了总线、设备以及驱动方面的关系，也讲到了大多数网卡设备实际上是一个PCI设备。因此，本章就讲解网卡设备在注册时是如何注册到PCI总线上去的。在这里，以Intel的E100网卡驱动进行讲解。
        前面讲到每个PCI设备都由一组参数唯一地标识，这些参数保存在结构体pci_device_id中，如下所示：

1. struct pci_device_id {
   
2.         __u32 vendor, device;                /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/
   
3.         __u32 subvendor, subdevice;        /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */
   
4.         __u32 class, class_mask;        /* (class,subclass,prog-if) triplet */
   
5.         kernel_ulong_t driver_data;        /* Data private to the driver */
   
6. };

        每个PCI设备驱动都有一个pci_driver变量，它描述了一个PCI驱动的信息，如下所示：

1. struct pci_driver {
   
2.         struct list_head node;
   
3.         char *name;
   
4.         const struct pci_device_id *id_table;        /* must be non-NULL for probe to be called */
   
5.         int  (*probe)  (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);        /* New device inserted */
   
6.         void (*remove) (struct pci_dev *dev);        /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */
   
7.         int  (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);        /* Device suspended */
   
8.         int  (*suspend_late) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);
   
9.         int  (*resume_early) (struct pci_dev *dev);
   
10.         int  (*resume) (struct pci_dev *dev);                        /* Device woken up */
    
11.         int  (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable);   /* Enable wake event */
    
12.         void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);
    
13. 
    
14.         struct pci_error_handlers *err_handler;
    
15.         struct device_driver        driver;
    
16.         struct pci_dynids dynids;
    
17. 
    
18.         int multithread_probe;
    
19. };

        每个PCI驱动中都有一个id_table成员变量，记录了当前这个驱动所能够进行驱动的那些设备的ID值。
        对于E100网卡驱动来说，它的pci_driver变量定义为：

1. static struct pci_driver e100_driver = {
   
2.         .name =         DRV_NAME,
   
3.         .id_table =     e100_id_table,
   
4.         .probe =        e100_probe,
   
5.         .remove =       __devexit_p(e100_remove),
   
6. #ifdef CONFIG_PM
   
7.         /* Power Management hooks */
   
8.         .suspend =      e100_suspend,
   
9.         .resume =       e100_resume,
   
10. #endif
    
11.         .shutdown =     e100_shutdown,
    
12.         .err_handler = &e100_err_handler,
    
13. };

        里面e100_id_table就表示该E100驱动所能够支持的PCI设备的ID号，其定义为：

1. #define INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(device_id, ich) {\
   
2.         PCI_VENDOR_ID_INTEL, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, \
   
3.         PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET << 8, 0xFFFF00, ich }
   
4. static struct pci_device_id e100_id_table[] = {
   
5.         INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1029, 0),
   
6.         INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1030, 0),
   
7.         …
   
8.         { 0, }
   
9. };

        当PCI层检测到一个PCI设备能够被某PCI驱动所支持时（这是通过函数pci_match_one_device来进行检测的），就会调用这个PCI 驱动上的probe函数，在该函数中会对该特定的PCI设备进行一些具体的初始化等操作。比如对于E100设备驱动来说，其probe函数为 e100_probe。在这个函数中，会对网卡设备进行初始化。
        e100_probe主要就涉及到网卡设备net_device的初始化，我们现在先来关注一下从网卡注册一直到调用e100_probe这一个过程的整个流程。
2.2 E100初始化
        E100驱动程序的初始化是在函数e100_init_module()中的，如下：

1. static int __init e100_init_module(void)
   
2. {
   
3.         if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_DRV) {
   
4.                 printk(KERN_INFO PFX "%s, %s\n", DRV_DESCRIPTION, DRV_VERSION);
   
5.                 printk(KERN_INFO PFX "%s\n", DRV_COPYRIGHT);
   
6.         }
   
7.         return pci_register_driver(&e100_driver);
   
8. }

        在这个函数中，调用了pci_register_driver()函数，对e100_driver这个驱动进行注册。
2.3 PCI注册