尽管LDD3中说对多数程序员掌握设备驱动模型不是必要的，但对于嵌入式Linux的底层程序员而言，对设备驱动模型的学习非常重要。
Linux设备模型的目的：为内核建立一个统一的设备模型，从而又一个对系统结构的一般性抽象描述。换句话说，Linux设备模型提取了设备操作的共同属性，进行抽象，并将这部分共同的属性在内核中实现，而为需要新添加设备或驱动提供一般性的统一接口，这使得驱动程序的开发变得更简单了，而程序员只需要去学习接口就行了。
在正式进入设备驱动模型的学习之前，有必要把documentation/filesystems/sysfs.txt读一遍（不能偷懒）。sysfs.txt主要描述/sys目录的创建及其属性，sys目录描述了设备驱动模型的层次关系，我们可以简略看一下/sys目录，
block：所有块设备
devices：系统所有设备（块设备特殊），对应struct device的层次结构
bus：系统中所有总线类型（指总线类型而不是总线设备，总线设备在devices下），bus的每个子目录都包含
--devices：包含到devices目录中设备的软链接
--drivers：与bus类型匹配的驱动程序
class：系统中设备类型（如声卡、网卡、显卡等）
fs：一些文件系统，具体可参考filesystems /fuse.txt中例子
dev：包含2个子目录
--char：字符设备链接，链接到devices目录，以:命名
--block：块设备链接
Linux设备模型学习分为：Linux设备底层模型，描述设备的底层层次实现（kobject）；Linux上层容器，包括总线类型（bus_type）、设备（device）和驱动（device_driver）。
==== Linux设备底层模型 ====
谨记：像上面看到的一样，设备模型是层次的结构，层次的每一个节点都是通过kobject实现的。在文件上则体现在sysfs文件系统。
kobject结构
内核中存在struct kobject数据结构，每个加载到系统中的kobject都唯一对应/sys或者子目录中的一个文件夹。可以这样说，许多kobject结构就构成设备模型的层次结构。每个kobject对应一个或多个struct attribute描述属性的结构。
-
struct kobject {
-
const char *name; /* 对应sysfs的目录名 */
-
struct list_head entry; /* kobjetct双向链表 */
-
struct kobject *parent; /* 指向kset中的kobject，相当于指向父目录 */
-
struct kset *kset; /*指向所属的kset */
-
struct kobj_type *ktype; /*负责对kobject结构跟踪*/
-
struct sysfs_dirent *sd;
-
struct kref kref; /*kobject引用计数*/
-
unsigned int state_initialized:1;
-
unsigned int state_in_sysfs:1;
-
unsigned int state_add_uevent_sent:1;
-
unsigned int state_remove_uevent_sent:1;
-
unsigned int uevent_suppress:1;
-
};
kobject结构是组成设备模型的基本结构，最初kobject设计只用来跟踪模块引用计数，现已增加支持，
—— sysfs表述：在sysfs中的每个对象都有对应的kobject
—— 数据结构关联：通过链接将不同的层次数据关联
—— 热插拔事件处理：kobject子系统将产生的热插拔事件通知用户空间
kobject一般不单独使用，而是嵌入到上层结构（比如struct device，struct device_driver）当中使用。kobject的创建者需要直接或间接设置的成员有：ktype、kset和parent。kset我们后面再说，parent设置为NULL时，kobject默认创建到/sys顶层目录下，否则创建到对应的kobject目录中。重点来分析ktype成员的类型，
-
#include <kobject.h>
-
struct kobj_type {
-
void (*release)(struct kobject *kobj); /* 释放 */
-
const struct sysfs_ops *sysfs_ops; /* 默认属性实现 */
-
struct attribute **default_attrs; /* 默认属性 */
-
const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);
-
const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);
-
};
ktype包含了释放设备、默认属性以及属性的实现方法几个重要成员。每个kobject必须有一个release方法，并且kobject在该方法被调用之前必须保持不变（处于稳定状态）。默认属性的结构如下，
-
#include <linux/sysfs.h>
-
struct attribute {
-
const char *name; /* 属性名称 */
-
mode_t mode; /* 属性保护：只读设为S_IRUGO，可写设为S_IWUSR */
-
}
kobj_type中的default_attrs为二级结构指针，可以对每个kobject使用多个默认属性，最后一个属性使用NULL填充。struct sysfs_ops结构则如下，
-
struct sysfs_ops {
-
ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);
-
ssize_t (*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);
-
};
show方法用于将传入的指定属性编码后放到char *类型的buffer中，store则执行相反功能：将buffer中的编码信息解码后传递给struct attribute类型变量。两者都是返回实际的属性长度。
一个使用kobject的简单例子如下，
-
#include <linux/module.h>
-
#include <linux/init.h>
-
#include <linux/device.h>
-
#include <linux/string.h>
-
#include <linux/sysfs.h>
-
#include <linux/kernel.h>
-
-
MODULE_AUTHOR("xhzuoxin");
-
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
-
-
void my_obj_release(struct kobject *kobj)
-
{
-
printk("release ok.n");
-
}
-
-
ssize_t my_sysfs_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf)
-
{
-
printk("my_sysfs_show.n");
-
printk("attrname:%s.n", attr->name);
-
sprintf(buf, "%s", attr->name);
-
return strlen(attr->name) + 1;
-
}
-
-
ssize_t my_sysfs_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, const char *buf,
-
size_t count)
-
{
-
printk("my_sysfs_store.n");
-
printk("write:%sn", buf);
-
-
return count;
-
}
-
-
struct sysfs_ops my_sysfs_ops = {
-
.show = my_sysfs_show,
-
.store = my_sysfs_store,
-
};
-
-
struct attribute my_attrs = {
-
.name = "zx_kobj",
-
.mode = S_IRWXUGO,
-
};
-
-
struct attribute *my_attrs_def[] = {
-
&my_attrs,
-
NULL,
-
};
-
struct kobj_type my_ktype = {
-
.release = my_obj_release,
-
.sysfs_ops = &my_sysfs_ops,
-
.default_attrs = my_attrs_def,
-
};
-
-
struct kobject my_kobj ;
-
-
int __init kobj_test_init(void)
-
{
-
printk("kobj_test init.n");
-
kobject_init_and_add(&my_kobj, &my_ktype, NULL, "zx");
-
-
return 0;
-
}
-
-
void __exit kobj_test_exit(void)
-
{
-
printk("kobj_test exit.n");
-
kobject_del(&my_kobj);
-
}
-
-
module_init(kobj_test_init);
-
module_exit(kobj_test_exit);
例子中有两个函数，用于初始化添加和删除kobject结构，
-
int kobject_init_and_add(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype,
-
struct kobject *parent, const char *fmt, ...); /* fmt指定kobject名称 */
-
void kobject_del(struct kobject *kobj);
加载模块后，在/sys目录下增加了一个叫zx达到目录，zx目录下创建了一个属性文件zx_kobj，使用tree /sys/zx查看。
内核提供了许多与kobject结构相关的函数，如下：
-
// kobject初始化函数
-
void kobject_init(struct kobject * kobj);
-
// 设置指定kobject的名称
-
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, ...);
-
// 将kobj 对象的引用计数加，同时返回该对象的指针
-
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj);
-
// 将kobj对象的引用计数减，如果引用计数降为，则调用kobject release()释放该kobject对象
-
void kobject_put(struct kobject * kobj);
-
// 将kobj对象加入Linux设备层次。挂接该kobject对象到kset的list链中，增加父目录各级kobject的引// 用计数，在其parent指向的目录下创建文件节点，并启动该类型内核对象的hotplug函数
-
int kobject_add(struct kobject * kobj);
-
// kobject注册函数,调用kobject init()初始化kobj，再调用kobject_add()完成该内核对象的注册
-
int kobject_register(struct kobject * kobj);
-
// 从Linux设备层次(hierarchy)中删除kobj对象
-
void kobject_del(struct kobject * kobj);
-
// kobject注销函数. 与kobject register()相反，它首先调用kobject del从设备层次中删除该对象，再调// 用kobject put()减少该对象的引用计数，如果引用计数降为，则释放kobject对象
-
void kobject_unregister(struct kobject * kobj);
kset结构
我们先看上图，kobject通过kset组织成层次化的结构，kset将一系列相同类型的kobject使用（双向）链表连接起来，可以这样 认为，kset充当链表头作用，kset内部内嵌了一个kobject结构。内核中用kset数据结构表示为：
-
#include <linux/kobject.h>
-
struct kset {
-
struct list_head list; /* 用于连接kset中所有kobject的链表头 */
-
spinlock_t list_lock; /* 扫描kobject组成的链表时使用的锁 */
-
struct kobject kobj; /* 嵌入的kobject */
-
const struct kset_uevent_ops *uevent_ops; /* kset的uevent操作 */
-
};
与kobject 相似，kset_init()完成指定kset的初始化，kset_get()和kset_put()分别增加和减少kset对象的引用计数。Kset_add()和kset_del()函数分别实现将指定keset对象加入设备层次和从其中删除；kset_register()函数完成kset的注册而kset_unregister()函数则完成kset的注销。
==== 设备模型上层容器 ====
这里要描述的上层容器包括总线类型（bus_type）、设备（device）和驱动（device_driver），这3个模型环环相扣，参考图9-2。为何称为容器？因为bus_type/device/device_driver结构都内嵌了Linux设备的底层模型（kobject结构）。为什么称为上层而不是顶层？因为实际的驱动设备结构往往内嵌bus_type/device/device_driver这些结构，比如pci，usb等。
总线类型、设备、驱动3者之间关系：
在继续之前，自我感觉需要区分2个概念：总线设备与总线类型。总线设备本质上是一种设备，也需要像设备一样进行初始化，但位于设备的最顶层，总线类型是一种在设备和驱动数据结构中都包含的的抽象的描述（如图9-2），总线类型在/sys/bus目录下对应实体，总线设备在/devices目录下对应实体。
总线类型bus_type
内核对总线类型的描述如下：
-
struct bus_type {
-
const char *name; /* 总线类型名 */
-
struct bus_attribute *bus_attrs; /* 总线的属性 */
-
struct device_attribute *dev_attrs; /* 设备属性,为每个加入总线的设备建立属性链表 */
-
struct driver_attribute *drv_attrs; /* 驱动属性,为每个加入总线的驱动建立属性链表 */
-
-
/* 驱动与设备匹配函数:当一个新设备或者驱动被添加到这个总线时，这个方法会被调用一次或多次，若指定的驱动程序能够处理指定的设备，则返回非零值。必须在总线层使用这个函数, 因为那里存在正确的逻辑，核心内核不知道如何为每个总线类型匹配设备和驱动程序 */
-
int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
-
/*在为用户空间产生热插拔事件之前，这个方法允许总线添加环境变量（参数和 kset 的uevent方法相同）*/
-
int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
-
int (*probe)(struct device *dev); /* */
-
int (*remove)(struct device *dev); /* 设备移除调用操作 */
-
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 subsys_private *p; /* 一个很重要的域，包含了device链表和drivers链表 */
-
};
接着对bus_type中比较关注的几个成员进行简述，
[1] struct bus_attribute结构，device_attribute与driver_attribute将分别在设备和驱动分析过程中看到，
-
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);
-
};
[2] subsys_private中包含了对加入总线的设备的链表描述和驱动程序的链表描述，省略的部分结构如下
-
struct subsys_private {
-
struct kset subsys;
-
struct kset *devices_kset; /* 使用kset构建关联的devices链表头 */
-
struct kset *drivers_kset; /* 使用kset构建关联的drivers链表头 */
-
struct klist klist_devices; /* 通过循环可访问devices_kset的链表 */
-
struct klist klist_drivers; /* 通过循环可访问drivers_kset的链表 */
-
struct bus_type *bus; /* 反指向关联的bus_type结构 */
-
......
-
};
bus_type通过扫描设备链表和驱动链表，使用mach方法查找匹配的设备和驱动，然后将struct device中的*driver设置为匹配的驱动，将struct device_driver中的device设置为匹配的设备，这就完成了将总线、设备和驱动3者之间的关联。
bus_type只有很少的成员必须提供初始化，大部分由设备模型核心控制。内核提供许多函数实现bus_type的注册注销等操作，新注册的总线可以再/sys/bus目录下看到。
-
struct bus_type ldd_bus_type = { /* bus_type初始化 */
-
.name = "ldd",
-
.match = ldd_match, /* 方法实现参见实例 */
-
.uevent = ldd_uevent, /* 方法实现参见实例 */
-
};
-
ret = bus_register(&ldd_bus_type); /* 注册，成功返回0 */
-
if (ret)
-
return ret;
-
void bus_unregister(struct bus_type *bus); /* 注销 */
设备device
设备通过device结构描述，
-
struct device {
-
struct device *parent; /* 父设备，总线设备指定为NULL */
-
struct device_private *p; /* 包含设备链表，driver_data（驱动程序要使用数据）等信息 */
-
struct kobject kobj;
-
const char *init_name; /* 初始默认的设备名,但@device_add调用之后又重新设为NULL */
-
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;
-
-
#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 */
-
/* arch specific additions */
-
struct dev_archdata archdata;
-
#ifdef CONFIG_OF
-
struct device_node *of_node;
-
#endif
-
-
dev_t devt; /* dev_t, creates the sysfs "dev" 设备号 */
-
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);
-
};
设备在sysfs文件系统中的入口可以有属性，这通过struct device_attribute单独描述，提供device_create_file类型函数添加属性。
-
/* interface for exporting device attributes */
-
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);
-
};
使用宏DEVICE_ATTR宏可以方便地再编译时构建设备属性，构建好属性之后就必须将属性添加到设备。
-
/* 最终生成变量dev_attr_##_name描述属性，
-
* 比如DEVICE_ATTR(zx,S_IRUGO,show_method,NULL);
-
* 则create_file中entry传入实参为dev_attr_zx */
-
DEVICE_ATTR(_name,_mode,_show,_store);
-
/*属性文件的添加与删除使用以下函数 */
-
int device_create_file(struct device *device, struct device_attribute * entry);
-
void device_remove_file(struct device * dev, struct device_attribute * attr);
总线设备的注册：总线设备与一般设备一样，需要单独注册，与一般设备不同，总线设备的parent与bus域设为NULL。一般设备注册注销函数为
-
int device_register(struct device *dev); /* 成功返回0，需要检查返回值 */
-
void device_unregister(struct device *dev);
实际创建新设备时，不是直接使用device结构，而是将device结构嵌入到具体的设备结构当中，比如
-
struct ldd_device {
-
char *name; /* 设备名称 */
-
struct ldd_driver *driver; /* ldd设备关联的驱动 */
-
struct device dev; /* 嵌入的device结构 */
-
};
-
/* 同时提供根据device结构获取ldd_device结构的宏定义 */
-
#define to_ldd_device(dev) container_of(dev, struct ldd_device, dev);
驱动device_driver
驱动结构描述，
-
struct device_driver {
-
const char *name; /* 驱动名称,在sysfs中以文件夹名出现 */
-
struct bus_type *bus; /* 驱动关联的总线类型 */
-
struct module *owner;
-
const char *mod_name; /* used for built-in modules */
-
bool suppress_bind_attrs; /* disables bind/unbind via sysfs */
-
-
#if defined(CONFIG_OF)
-
const struct of_device_id *of_match_table;
-
#endif
-
-
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 attribute_group **groups;
-
-
const struct dev_pm_ops *pm;
-
-
struct driver_private *p;
-
};
-
struct driver_private { /* 定义device_driver中的私有数据类型 */
-
struct kobject kobj; /* 内建kobject */
-
struct klist klist_devices; /* 驱动关联的设备链表，一个驱动可以关联多个设备 */
-
struct klist_node knode_bus;
-
struct module_kobject *mkobj;
-
struct device_driver *driver; /* 连接到的驱动链表 */
-
};
-
#define to_driver(obj) container_of(obj, struct driver_private, kobj)
与设备和总线类似，驱动可以有属性，需要单独定义并添加。
-
/* sysfs interface for exporting driver attributes */
-
struct driver_attribute {
-
struct attribute attr;
-
ssize_t (*show)(struct device_driver *driver, char *buf);
-
ssize_t (*store)(struct device_driver *driver, const char *buf,
-
size_t count);
-
};
-
DRIVER_ATTR(_name,_mode,_show,_store); /* 最终创建变量driver_attr_##_name描述属性 */
-
/*属性文件创建的方法:*/
-
int driver_create_file(struct device_driver * drv, struct driver_attribute * attr);
-
void driver_remove_file(struct device_driver * drv, struct driver_attribute * attr);
驱动的注册与注销
-
/*注册device_driver 结构的函数 */
-
int driver_register(struct device_driver *drv);
-
void driver_unregister(struct device_driver *drv);
与设备结构一样，在编写新设备的驱动程序时，常常将device_driver结构嵌入到新设备结构当中使用。
==== 实例分析 ====
实例源代码主要来自LDD3提供的示例代码，因为LDD3的代码是linux-2.6.10版本，因此需要对源代码做一些修改。所有源代码参见：
device_model.zip。因为两个模块关联，我们这使用一个Makefile文件同时编译2个模块，如下
-
obj-m := lddbus.o sculld.o
lddbus模块分析
包括2个文件，lddbus.c（example/lddbus/）与lddbus.h（example/include/）。lddbus.h中使用extern申明了将要使用EXPORT_SYMBOL导出的变量ldd_bus_type，lddbus.c中创建了总线类型ldd_bus_type以及总线设备ldd_bus。
lddbus.h
-> extern ldd_bus_type
lddbus.c
-> ldd_bus_type (EXPORT_SYMBOL)
-> ldd_bus
由于版本变迁，对源代码做了修改，（i）热插拔不再使用hotplug函数，因此将该操作去掉了；（ii）dev->bus_id[]改成了使用dev_set_name()设置设备名称，使用init_name也可以设置，但后来发现init_name会在调用device_add之后就被赋值为NULL，这导致一个重大内核错误（kernel panic），将在后面详述。
分析源代码：作者定义了ldd_device与ldd_driver，两个变量分别内嵌device与device_driver结构，然后分别为ldd_device定义了注册函数register_ldd_device和注销函数unregister_ldd_device，对ldd_driver也做了类似的工作。还宏定义了to_ldd_driver和to_ldd_device来使用内嵌结构（device/device_driver）访问更上层的容器ldd_device和ldd_driver。但是不用着急，实际模块装载时没有使用ldd_device或者ldd_driver，而是将它们和相关的注册注销等操作使用EXPORT_SYMBOL导出到其它模块使用（这将在实例sculld模块中看到）。
struct ldd_device/register_ldd_device/unregister_ldd_device
-> struct device/ device_register/device_unregister
-> to_ldd_device
struct ldd_driver也类似
LDD3的Makefile中普遍使用了CFLAGS变量，但在新的内核版本中，该变量与内核Makefile的CFLAGS变量冲突，因此将所有的Makefile的CFLAGS变量替换成了EXTRA_CFLAGS。
装载模块后，查看/sys/bus目录下，增加了ldd文件夹，/sys/devices目录下增加了ldd0文件夹。
sculld模块分析
sculld模块是接着lddbus在加载lddbus基础上进行的，sculld使用了lddbus中导出的ldd_device和ldd_driver结构。我们大致分析下总体的设备和驱动注册的调用关系，
scull_init()
->register_ldd_driver() // 由lddbus模块导出
->driver_register()
->sculld_register_dev()
->register_ldd_dev() // 由lddbus模块导出
->device_register()
装载程序后查看bus/ldd/devices目录下，bus/ldd/drivers目录下多了驱动程序，多了4个设备，devices/ldd0下也多了4个设备。
关于kernel panic错误
在修改lddbus与sculld中，装载sculld模块时遇到如下错误，同时键盘大写字母指示灯闪烁，操作系统被锁定，只能强制关机。现在记录分析及解决错误的过程，
从网上找到资料，kernel panic类型错误要跟踪信息，还好，使用的虚拟机，把出错的状态截屏了。kernnel panic错误分硬件和软件，一般是由于指针指向了NULL。硬件有EIP指示出错位置，如上图有一行
好了，strncmp就是指示出错位置，然后到源代码中找到使用该函数地方，出错前为
!strncmp(dev->init_name, driver->name, strlen(driver->name));
前面说过，dev->init_name在调用device_register之后就被设置为NULL了，好了，就是它了，改成如下（通过kobj访问设备名称）就OK。
!strncmp(dev->kobj.name, driver->name, strlen(driver->name));
