设备驱动模型直观的认识

Linux早期时候，一个驱动对应一个设备，也就对应一个硬件地址，那当有两个一样的设备的时候，就要写两个驱动，显然是不合理的。应该是从Linux2.5开始，就引入了device-bus-driver模型。 其中设备驱动模型主要结构分为kset、kobject、ktype。

kset是同类型kobject对象的集合，可以说是一个容器。 

kobject是总线、驱动、设备的三种对象的一个基类，实现公共接口。 

ktype,记录了kobject对象的一些属性。

设备驱动模型的核心即是kobject，是为了管理日益增多的设备，使得设备在底层都具体统一的接口。他与sysfs文件系统紧密相连，每个注册的kobject都对应sysfs文件系统中的一个目录。为了直观管理，统一存放的路径，使用了kset。但是仅仅有这些目录没有意义，这两个结构体只能表示出设备的层次关系，所以基本不单独使用，会嵌入到更大的结构体中，（如希望在驱动目录下能看到挂在该总线上的各种驱动，而在设备目录下能看到挂在该总线的各种设备，就将kobject嵌入到描述设备以及驱动的结构体中，这样每次注册设备或驱动，都会在sys目录下有描述） 

放上一个经典的图：  

这个图其实还漏了一个ktype，kobject都应该包含一个ktype。

Linux设备模型的目的是：为内核建立起一个统一的设备模型，从而有一个对系统结构的一般性抽象描述。

我们可以先看下一个小的测试程序： 

可以看到，我们在使用kobject、kset、ktype结构，就在sysfs虚拟文件系统下创建（通过kset_create_and_add和kobject_init_and_add函数）了一些子目录(kobject_test)和属性文件。kset和kobject都可以创建出目录，但是kset的目录下存放kobject目录，kobject下存放属性文件（可以对属性文件进行读写操作，如上图name属性文件，而且kobject目录下也可以存放kobject目录，只需parent指向它即可）。 

这个小程序没看懂？没关系，先看下面的分析：（看到文章末尾再回头看这个程序，你会有更直观的理解）

我们对着Linux kernel源码分析下，可以下看看三个结构体的成员：

其实说到设备驱动模型，很容易想到platform，下面我们就来具体分析这个吧： 

init/main.c里： 

这是driver_init函数： 

我们看下devices_init函数： 

这里面调用kset_create_and_add创建kset并返回给devices_kset，注意这里的devices_kset，可以说是/sys下最大的boss之一了，所有的物理设备都会在device目录下管理，/sys/device/目录是内核对系统中所有设备的分层次表达模型，保存了系统所有的设备。 

然后调用kobject_create_and_add函数在/sys/目录下创建dev目录，/sys/dev目录下维护一个按照字符设备和块设备的主次号码(major:minor)链接到真是设备(/sys/devices)的符号链接文件，应用程序通过对这些文件的读写和控制，可以访问实际的设备。 

最后再以dev_kobj为父节点，在/sys/dev/目录下创建block和char目录。

这里我们先看kobject_create_and_add函数，再分析kset_create_and_add函数: 

其实里面函数也没啥，先创建kobject，初始化它，再添加，没啥好说的。 

倒是除了kobject_create_and_add函数，还有一个类似的函数：kobject_init_and_add。 

kobject_init_and_add传入一个kobject指针和kobj_type指针，然后进行初始化 

kobject_create_and_add创建一个kobject变量，并返回其指针，它不用传入kobj_type指针

在kset_create_and_add函数里也会用到kobject，所以我们现在来分析下kset_create_and_add函数： 

里面就是具体的创建和注册kset了。 

先说创建函数：

static struct kset *kset_create(const char *name,

const struct kset_uevent_ops *uevent_ops,

struct kobject *parent_kobj)

{

struct kset *kset;

int retval;

kset = kzalloc(sizeof(*kset), GFP_KERNEL);//分配kset空间

if (!kset)

return NULL;//失败就返回

retval = kobject_set_name(&kset->kobj, "%s", name);//设置kset的名字，也即内嵌kobject的名字

if (retval) {

kfree(kset);

return NULL;

}

kset->uevent_ops = uevent_ops;//kset属性操作

kset->kobj.parent = parent_kobj;//设置其parent

kset->kobj.ktype = &kset_ktype;//ktype指定为kset_ktype

kset->kobj.kset = NULL;

return kset;

}

可以看出kset_create函数内容为： 

1）调用kobject_set_name函数设置kobject的名称 2）设置kobject的uevent_ops、parent为传入的形参uevent_ops、parent_kobj 3）设置kobject的ktype为系统定义好的ktype变量 4）设置kobject的所属kset为NULL，意思是kobject所属的kset就是kset本身，因为kset结构体包含了一个kobject成员。

这里需要一个注意的，就是ktype 这个结构，即kset_ktype： 

这里填充了一个释放函数，每个kobject必须有一个释放函数，并且这个kobject必须保持直到这个释放函数被调用到。如果这个条件不能被满足，则这个代码是有缺陷的。注意，假如你忘了提供释放函数，内核会提出警告的；不要尝试提供一个空的释放函数来消除这个警告，你会收到kobject维护者的无情嘲笑。 

至于kobj_sysfs_ops，则是关于读写操作相关的操作集：

读文件时，会调用到.show的回调函数。 写文件时，会调用到.store的回调函数。

看完了创建函数，接下来是注册函数： 

kset_init函数主要是对kset初始化，会将初始化引用计数器（即kobj->kref）为1（当计数器引用计数没到0之前不可以被释放）。接着初始化entry链表结点，用于与所属的kset的list成员组成链表（INIT_LIST_HEAD(&kobj->entry)），以及一些参数的赋值。最后，还初始化以list成员为头结点的链表，它和子kobject的entry成员组成链表（INIT_LIST_HEAD(&k->list)）。

kobject_add_internal函数就是关键的kobject函数了：

static int kobject_add_internal(struct kobject *kobj)

{

int error = 0;

struct kobject *parent;

if (!kobj)

return -ENOENT;

if (!kobj->name || !kobj->name[0]) {//如果kobject的名字为空.退出

WARN(1, "kobject: (%p): attempted to be registered with empty "

"name!\n", kobj);

return -EINVAL;

}

parent = kobject_get(kobj->parent);//如果kobj-parent为真，则增加kobj->kref计数，即父节点的引用计数

/* join kset if set, use it as parent if we do not already have one */

if (kobj->kset) {

if (!parent)

parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj);//如果parent父节点为NULL那么就用kobj->kset->kobj作其父节点，并增加其引用计数

kobj_kset_join(kobj);//把kobj的entry成员添加到kobj->kset>list的尾部，现在的层次就是kobj->kset->list指向kobj->entry

kobj->parent = parent;

}

/*删除了部分调试内容*/

error = create_dir(kobj);//利用kobj创建目录和属性文件，其中会判断，如果parent为NULL那么就在sysfs_root_kn下创建

if (error) {

/*删除了部分内容*/

} else

kobj->state_in_sysfs = 1;//如果创建成功。将state_in_sysfs建为1。表示该object已经在sysfs中了

return error;

}

kobject_add_internal函数内容在注释里都写好了，可以概括为： 

1）如果kobject的parent成员为NULL，则把它指向kset的kobject成员。 2）如果kobject的kset成员不为NULL，它会调用kobj_kset_join函数把kobject的entry成员添加到kset的list链表中 3）最后调用create_dir函数创建sys目录

注册函数里最后一个调用就是kobject_uevent函数了，应该是关于热拔插机制的，这不是我们现在关心的内容。 

好了，经过上面的折腾，就会在/sys/目录下建立一个devices目录。

接下来继续回到文章开头进入到的devices_init函数：

我们之前分析的是devices_init函数，其实接下来几个函数都是一样的，在/sys/目录下创建各个目录。 

只需要记住 devices_kset对应/sys/devices目录 bus_kset对应/sys/bus目录 devices_kset对应/sys/devices目录 system_kset对应/sys/devices/system目录 class_kset对应/sys/class目录 firmware_kobj对应/sys/firmware目录 hypervisor_kobj对应/sys/hypervisor目录

接下来看下platform_bus_init函数 

也就是我们之前用的platform总线了！！ 

在driver/base/platform.c文件： 

这里，device_register就是在/sys/device/目录下创建platform 

其实也就包含两个函数，一个初始化，一个添加：

void device_initialize(struct device *dev)

{

dev->kobj.kset = devices_kset;//设置设备的kobject所属集合，devices_kset即对应/sys/devices/

kobject_init(&dev->kobj, &device_ktype);//初始化设备的kobject

INIT_LIST_HEAD(&dev->dma_pools);//初始化设备的DMA池，用于传递大数据

mutex_init(&dev->mutex);

lockdep_set_novalidate_class(&dev->mutex);

spin_lock_init(&dev->devres_lock);//初始化自旋锁，用于同步子设备链表

INIT_LIST_HEAD(&dev->devres_head);//初始化子设备链表头

device_pm_init(dev);

set_dev_node(dev, -1);#ifdef CONFIG_GENERIC_MSI_IRQ

INIT_LIST_HEAD(&dev->msi_list);#endif

}

注释都写好了，看下device_add函数：

int device_add(struct device *dev)

{

struct device *parent = NULL;

struct kobject *kobj;

struct class_interface *class_intf;

int error = -EINVAL;

struct kobject *glue_dir = NULL;

dev = get_device(dev);//增加设备的kobject的引用计数

if (!dev)

goto done;

if (!dev->p) {

error = device_private_init(dev);//初始化dev的私有成员，及其链表操作函数

if (error)

goto done;

}

if (dev->init_name) {//保存设备名，以后需要获取时使用dev_name函数获取

dev_set_name(dev, "%s", dev->init_name);

dev->init_name = NULL;

}

/* subsystems can specify simple device enumeration */

if (!dev_name(dev) && dev->bus && dev->bus->dev_name)

dev_set_name(dev, "%s%u", dev->bus->dev_name, dev->id);

if (!dev_name(dev)) {

error = -EINVAL;

goto name_error;

}

pr_debug("device: '%s': %s\n", dev_name(dev), __func__);

parent = get_device(dev->parent);//返回父节点，增加父节点引用计数，如果没有返回NULL

kobj = get_device_parent(dev, parent);//以上层devices为准重设dev->kobj.parent  

if (kobj)

dev->kobj.parent = kobj;

/* use parent numa_node */

if (parent && (dev_to_node(dev) == NUMA_NO_NODE))

set_dev_node(dev, dev_to_node(parent));

/* first, register with generic layer. */

/* we require the name to be set before, and pass NULL */

error = kobject_add(&dev->kobj, dev->kobj.parent, NULL);//设置dev->kobj的名字和父对象,并建立相应目录

if (error) {

glue_dir = get_glue_dir(dev);

goto Error;

}

/* notify platform of device entry */

if (platform_notify)

platform_notify(dev);

error = device_create_file(dev, &dev_attr_uevent);//建立uevent属性文件  

if (error)

goto attrError;

error = device_add_class_symlinks(dev);

if (error)

goto SymlinkError;

error = device_add_attrs(dev);

if (error)

goto AttrsError;

error = bus_add_device(dev);

if (error)

goto BusError;

error = dpm_sysfs_add(dev);

if (error)

goto DPMError;

device_pm_add(dev);

if (MAJOR(dev->devt)) {

error = device_create_file(dev, &dev_attr_dev);//在sys下产生dev属性文件

if (error)

goto DevAttrError;

error = device_create_sys_dev_entry(dev);//在/sys/dev目录建立对设备的软链接

if (error)

goto SysEntryError;

devtmpfs_create_node(dev);

}

/* Notify clients of device addition.  This call must come

* after dpm_sysfs_add() and before kobject_uevent().

*/

if (dev->bus)

blocking_notifier_call_chain(&dev->bus->p->bus_notifier,

BUS_NOTIFY_ADD_DEVICE, dev);

kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);//向用户空间发出KOBJ_ADD 事件

bus_probe_device(dev);//检测驱动中有无适合的设备进行匹配,现在只添加了设备,还没有加载驱动,所以不会进行匹配

if (parent)

klist_add_tail(&dev->p->knode_parent,

&parent->p->klist_children);//把该设备的节点挂到其父节点的链表  

if (dev->class) {

mutex_lock(&dev->class->p->mutex);

/* tie the class to the device */

klist_add_tail(&dev->knode_class,

&dev->class->p->klist_devices);

/* notify any interfaces that the device is here */

list_for_each_entry(class_intf,

&dev->class->p->interfaces, node)

if (class_intf->add_dev)

class_intf->add_dev(dev, class_intf);

mutex_unlock(&dev->class->p->mutex);

}

/*省略部分error内容*/

}

device_add函数是比较重要的，注释基本都写好了，可以概括为： 

1）增加kobj->kref计数 2）初始化dev的私有成员 3）设置设备名称 4）增加父节点引用计数 5）将dev->kobj添加到dev->kobj.parent对应目录下 6）dev->kobj下创建属性文件 7）在/sys/dev目录建立对设备的软链接 8）驱动检测

其中，驱动检测函数：bus_probe_device 可以自行百度一下。

最后，我们接着看 bus_register(&platform_bus_type); 

今天篇幅有点长了，函数就写点重要的即可：

再次强调： 

priv->subsys.kobj.kset = bus_kset; priv->subsys.kobj.ktype = &bus_ktype; 

这里设置了所属的kset和ktype。 ktype结构体里包含了sysfs_ops结构体，里面就是对文件的读写操作： 

最后，bus_register函数里还调用了kset_create_and_add函数在/sys/platform/目录下创建devices和drivers目录，里面存放我们platform平台下注册的设备和驱动。

好了，到此，我们就来再次小小归纳下 :

在kset下还可能会有更深的kset 

kset包含一个或多个kobject，方便管理 

kobject并不一定需要kset 

kobject下有属性文件，·向用户层提供了表示和操作这个 kobject 的属性特征的接口 

kobject 下还有一些符号链接文件，指向其它的 kobject

现在，是不是对设备驱动模型有了更为直观的认识？现在回头看看文章开头的小程序，是不是轻而易举的理解了呢？