Linux设备模型：Bus

1. 概述

在Linux设备模型中，Bus（总线）是一类特殊的设备，它是连接处理器和其它设备之间的通道（channel）。为了方便设备模型的实现，内核规定，系统中的每个设备都要连接在一个Bus上，这个Bus可以是一个内部Bus、虚拟Bus或者Platform Bus。

内核通过struct bus_type结构，抽象Bus，它是在include/linux/device.h中定义的。本文会围绕该结构，描述Linux内核中Bus的功能，以及相关的实现逻辑。最后，会简单的介绍一些标准的Bus（如Platform），介绍它们的用途、它们的使用场景。

2. 功能说明

按照老传统，描述功能前，先介绍一下该模块的一些核心数据结构，对bus模块而言，核心数据结构就是struct bus_type，另外，还有一个sub system相关的结构，会一并说明。

2.1 struct bus_type

1: /* inlcude/linux/device.h, line 93 */

2: struct bus_type {

3:     const char *name;

4:     const char *dev_name;

5:     struct device *dev_root;

6:     struct bus_attribute *bus_attrs;

7:     struct device_attribute *dev_attrs;

8:     struct driver_attribute *drv_attrs;

9:

10:    int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);

11:    int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);

12:    int (*probe)(struct device *dev);

13:    int (*remove)(struct device *dev);

14:    void (*shutdown)(struct device *dev);

15:

16:    int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);

17:    int (*resume)(struct device *dev);

18:

19:    const struct dev_pm_ops *pm;

20:

21:    struct iommu_ops *iommu_ops;

22:

23:    struct subsys_private *p;

24:    struct lock_class_key lock_key;

25: };

name，该bus的名称，会在sysfs中以目录的形式存在，如platform bus在sysfs中表现为"/sys/bus/platform”。

dev_name，该名称和"Linux设备模型(5)_device和device driver”所讲述的struct device结构中的init_name有关。对有些设备而言（例如批量化的USB设备），设计者根本就懒得为它起名字的，而内核也支持这种懒惰，允许将设备的名字留空。这样当设备注册到内核后，设备模型的核心逻辑就会用"bus->dev_name+device ID”的形式，为这样的设备生成一个名称。

bus_attrs、dev_attrs、drv_attrs，一些默认的attribute，可以在bus、device或者device_driver添加到内核时，自动为它们添加相应的attribute。

dev_root，根据内核的注释，dev_root设备为bus的默认父设备（Default device to use as the parent），但在内核实际实现中，只和一个叫sub system的功能有关，随后会介绍。

match，一个由具体的bus driver实现的回调函数。当任何属于该Bus的device或者device_driver添加到内核时，内核都会调用该接口，如果新加的device或device_driver匹配上了自己的另一半的话，该接口要返回非零值，此时Bus模块的核心逻辑就会执行后续的处理。

uevent，一个由具体的bus driver实现的回调函数。当任何属于该Bus的device，发生添加、移除或者其它动作时，Bus模块的核心逻辑就会调用该接口，以便bus driver能够修改环境变量。

probe、remove，这两个回调函数，和device_driver中的非常类似，但它们的存在是非常有意义的。可以想象一下，如果需要probe（其实就是初始化）指定的device话，需要保证该device所在的bus是被初始化过、确保能正确工作的。这就要就在执行device_driver的probe前，先执行它的bus的probe。remove的过程相反。 
注1：并不是所有的bus都需要probe和remove接口的，因为对有些bus来说（例如platform bus），它本身就是一个虚拟的总线，无所谓初始化，直接就能使用，因此这些bus的driver就可以将这两个回调函数留空。

shutdown、suspend、resume，和probe、remove的原理类似，电源管理相关的实现，暂不说明。

pm，电源管理相关的逻辑，暂不说明。

iommu_ops，暂不说明。

p，一个struct subsys_private类型的指针，后面我们会用一个小节说明。

2.2 struct subsys_private

该结构和device_driver中的struct driver_private类似，在"Linux设备模型(5)_device和device driver”章节中有提到它，但没有详细说明。

要说明subsys_private的功能，让我们先看一下该结构的定义：

1: /* drivers/base/base.h, line 28 */

2: struct subsys_private {

3:     struct kset subsys;

4:     struct kset *devices_kset;

5:     struct list_head interfaces;

6:     struct mutex mutex;

7:

8:     struct kset *drivers_kset;

9:     struct klist klist_devices;

10:    struct klist klist_drivers;

11:    struct blocking_notifier_head bus_notifier;

12:    unsigned int drivers_autoprobe:1;

13:    struct bus_type *bus;

14:

15:    struct kset glue_dirs;

16:    struct class *class;

17: };

看到结构内部的字段，就清晰多了，没事不要乱起名字嘛！什么subsys啊，看的晕晕的！不过还是试着先理解一下为什么起名为subsys吧：

按理说，这个结构就是集合了一些bus模块需要使用的私有数据，例如kset啦、klist啦等等，命名为bus_private会好点（就像device_driver模块一样）。不过为什么内核没这么做呢？看看include/linux/device.h中的struct class结构（我们会在下一篇文章中介绍class）就知道了，因为class结构中也包含了一个一模一样的struct subsys_private指针，看来class和bus很相似啊。

想到这里，就好理解了，无论是bus，还是class，还是我们会在后面看到的一些虚拟的子系统，它都构成了一个“子系统（sub-system）”，该子系统会包含形形色色的device或device_driver，就像一个独立的王国一样，存在于内核中。而这些子系统的表现形式，就是/sys/bus（或/sys/class，或其它）目录下面的子目录，每一个子目录，都是一个子系统（如/sys/bus/spi/）。

好了，我们回过头来看一下struct subsys_private中各个字段的解释：

subsys、devices_kset、drivers_kset是三个kset，由"Linux设备模型(2)_Kobject”中对kset的描述可知，kset是一个特殊的kobject，用来集合相似的kobject，它在sysfs中也会以目录的形式体现。其中subsys，代表了本bus（如/sys/bus/spi），它下面可以包含其它的kset或者其它的kobject；devices_kset和drivers_kset则是bus下面的两个kset（如/sys/bus/spi/devices和/sys/bus/spi/drivers），分别包括本bus下所有的device和device_driver。

interface是一个list head，用于保存该bus下所有的interface。有关interface的概念后面会详细介绍。

klist_devices和klist_drivers是两个链表，分别保存了本bus下所有的device和device_driver的指针，以方便查找。

drivers_autoprobe，用于控制该bus下的drivers或者device是否自动probe，"Linux设备模型(5)_device和device driver”中有提到。

bus和class指针，分别保存上层的bus或者class指针。

2.3 功能总结

根据上面的核心数据结构，可以总结出bus模块的功能包括：

bus的注册和注销

本bus下有device或者device_driver注册到内核时的处理

本bus下有device或者device_driver从内核注销时的处理

device_drivers的probe处理

管理bus下的所有device和device_driver

3. 内部执行逻辑分析

3.1 bus的注册

bus的注册是由bus_register接口实现的，该接口的原型是在include/linux/device.h中声明的，并在drivers/base/bus.c中实现，其原型如下：

1: /* include/linux/device.h, line 118 */

2: extern int __must_check bus_register(struct bus_type *bus);

该功能的执行逻辑如下：

为bus_type中struct subsys_private类型的指针分配空间，并更新priv->bus和bus->p两个指针为正确的值

初始化priv->subsys.kobj的name、kset、ktype等字段，启动name就是该bus的name（它会体现在sysfs中），kset和ktype由bus模块实现，分别为bus_kset和bus_ktype

调用kset_register将priv->subsys注册到内核中，该接口同时会向sysfs中添加对应的目录（如/sys/bus/spi）

调用bus_create_file向bus目录下添加一个uevent attribute（如/sys/bus/spi/uevent）

调用kset_create_and_add分别向内核添加devices和device_drivers kset，同时会体现在sysfs中

初始化priv指针中的mutex、klist_devices和klist_drivers等变量

调用add_probe_files接口，在bus下添加drivers_probe和drivers_autoprobe两个attribute（如/sys/bus/spi/drivers_probe和/sys/bus/spi/drivers_autoprobe），其中drivers_probe允许用户空间程序主动出发指定bus下的device_driver的probe动作，而drivers_autoprobe控制是否在device或device_driver添加到内核时，自动执行probe

调用bus_add_attrs，添加由bus_attrs指针定义的bus的默认attribute，这些attributes最终会体现在/sys/bus/xxx目录下

3.2 device和device_driver的添加

我们有在"Linux设备模型(5)_device和device driver”中讲过，内核提供了device_register和driver_register两个接口，供各个driver模块使用。而这两个接口的核心逻辑，是通过bus模块的bus_add_device和bus_add_driver实现的，下面我们看看这两个接口的处理逻辑。

这两个接口都是在drivers/base/base.h中声明，在drivers/base/bus.c中实现，其原型为：

1: /* drivers/base/base.h, line 106 */

2: extern int bus_add_device(struct device *dev);

3:

4: /* drivers/base/base.h, line 110 */

5: extern int bus_add_driver(struct device_driver *drv);

bus_add_device的处理逻辑：

调用内部的device_add_attrs接口，将由bus->dev_attrs指针定义的默认attribute添加到内核中，它们会体现在/sys/devices/xxx/xxx_device/目录中

调用sysfs_create_link接口，将该device在sysfs中的目录，链接到该bus的devices目录下，例如： 

xxx# ls /sys/bus/spi/devices/spi1.0 -l                                                         
lrwxrwxrwx root     root              2014-04-11 10:46 spi1.0 -> ../../../devices/platform/s3c64xx-spi.1/spi_master/spi1/spi1.0 
其中/sys/devices/…/spi1.0，为该device在sysfs中真正的位置，而为了方便管理，内核在该设备所在的bus的xxx_bus/devices目录中，创建了一个符号链接

调用sysfs_create_link接口，在该设备的sysfs目录中（如/sys/devices/platform/alarm/）中，创建一个指向该设备所在bus目录的链接，取名为subsystem，例如： 

xxx # ls /sys/devices/platform/alarm/subsystem -l                                                 
lrwxrwxrwx root     root              2014-04-11 10:28 subsystem -> ../../../bus/platform

最后，毫无疑问，要把该设备指针保存在bus->priv->klist_devices中

bus_add_driver的处理逻辑：

为该driver的struct driver_private指针（priv）分配空间，并初始化其中的priv->klist_devices、priv->driver、priv->kobj.kset等变量，同时将该指针保存在device_driver的p处

将driver的kset（priv->kobj.kset）设置为bus的drivers kset（bus->p->drivers_kset），这就意味着所有driver的kobject都位于bus->p->drivers_kset之下（寄/sys/bus/xxx/drivers目录下）

以driver的名字为参数，调用kobject_init_and_add接口，在sysfs中注册driver的kobject，体现在/sys/bus/xxx/drivers/目录下，如/sys/bus/spi/drivers/spidev

将该driver保存在bus的klist_drivers链表中，并根据drivers_autoprobe的值，选择是否调用driver_attach进行probe

调用driver_create_file接口，在sysfs的该driver的目录下，创建uevent attribute

调用driver_add_attrs接口，在sysfs的该driver的目录下，创建由bus->drv_attrs指针定义的默认attribute

同时根据suppress_bind_attrs标志，决定是否在sysfs的该driver的目录下，创建bind和unbind attribute（具体可参考"Linux设备模型(5)_device和device driver”中的介绍） 

3.3 driver的probe

我们在"Linux设备模型(5)_device和device driver”中，我们已经介绍过driver的probe时机及过程，其中大部分的逻辑会依赖bus模块的实现，主要为bus_probe_device和driver_attach接口。同样，这两个接口都是在drivers/base/base.h中声明，在drivers/base/bus.c中实现。

这两个结构的行为类似，逻辑也很简单，既：搜索所在的bus，比对是否有同名的device_driver（或device），如果有并且该设备没有绑定Driver（注：这一点很重要，通过它，可以使同一个Driver，驱动相同名称的多个设备，后续在Platform设备的描述中会提及）则调用device_driver的probe接口。

4. 杂项

4.1 再谈Subsystem

在旧的Linux内核版本中（以蜗蜗使用的linux2.6.23版本的内核为例），sysfs下所有的顶层目录（包括一些二级目录）都是以调用subsystem_register接口，以sub-system的形式注册到内核的，如：

/sys/bus/

/sys/devices/

/sys/devices/system/

/sys/block

/sys/kernel/

/sys/slab/

…

那时的subsystem_register的实现很简单，就是调用kset_register，创建一个kset。我们知道，kset就是一堆kobject的集合，并会在sysfs中以目录的形式呈现出来。

在新版本的内核中（如“Linux内核分析”系列文章所参考的linux3.10.29），subsystem的实现有了很大变化，例如：去掉了subsystem_register接口（但为了兼容/sys/device/system子系统，在drivers/base/bus.c中，增加了一个subsys_register的内部接口，用于实现相应的功能）。根据这些变化，现在注册subsystem有两种方式：

方式一，在各自的初始化函数中，调用kset_create_and_add接口，创建对应的子系统，包括：

bus子系统，/sys/bus/，buses_init（drivers/base/bus.c）

class子系统，/sys/class

kernel子系统，/sys/kernel

firmware子系统，/sys/firmware

等等

其中bus子系统就是本文所讲的Bus模块，而其它的，我们会在后续的文章中陆续讲述。这个方式和旧版本内核使用kset_register接口的方式基本一样。

方式二，在bus模块中，利用subsys_register接口，封装出两个API：subsys_system_register和subsys_virtual_register，分别用于注册system设备(/sys/devices/system/*)和virtual设备(/sys/devices/virtual/*)。 而该方式和方式一的区别是：它不仅仅创建了sysfs中的目录，同时会注册同名的bus和device。

4.2 system/virtual/platform

在Linux内核中，有三种比较特殊的bus（或者是子系统），分别是system bus、virtual bus和platform bus。它们并不是一个实际存在的bus（像USB、I2C等），而是为了方便设备模型的抽象，而虚构的。

system bus是旧版内核提出的概念，用于抽象系统设备（如CPU、Timer等等）。而新版内核认为它是个坏点子，因为任何设备都应归属于一个普通的子系统（New subsystems should use plain subsystems, drivers/base/bus.c, line 1264），所以就把它抛弃了（不建议再使用，它的存在只为兼容旧有的实现）。

virtaul bus是一个比较新的bus，主要用来抽象那些虚拟设备，所谓的虚拟设备，是指不是真实的硬件设备，而是用软件模拟出来的设备，例如虚拟机中使用的虚拟的网络设备（有关该bus的描述，可参考该链接处的解释：https://lwn.net/Articles/326540/）。

platform bus就比较普通，它主要抽象集成在CPU（SOC）中的各种设备。这些设备直接和CPU连接，通过总线寻址和中断的方式，和CPU交互信息。 

我们会在后续的文章中，进一步分析这些特殊的bus，这里就暂时不详细描述了。

4.3 subsys interface

subsys interface是一个很奇怪的东西，除非有一个例子，否则很难理解。代码中是这样注释的：

Interfaces usually represent a specific functionality of a subsystem/class of devices.

字面上理解，它抽象了bus下所有设备的一些特定功能。

kernel使用struct subsys_interface结构抽象subsys interface，并提供了subsys_interface_register/subsys_interface_unregister用于注册/注销subsys interface，bus下所有的interface都挂载在struct subsys_private变量的“interface”链表上（具体可参考2.2小节的描述）。struct subsys_interface的定义如下：

/**

* struct subsys_interface - interfaces to device functions

* @name: name of the device function

* @subsys: subsytem of the devices to attach to

* @node: the list of functions registered at the subsystem

* @add_dev: device hookup to device function handler

* @remove_dev: device hookup to device function handler

*

* Simple interfaces attached to a subsystem. Multiple interfaces can

* attach to a subsystem and its devices. Unlike drivers, they do not

* exclusively claim or control devices. Interfaces usually represent

* a specific functionality of a subsystem/class of devices.

*/

struct subsys_interface {

const char *name;

struct bus_type *subsys;

struct list_head node;

int (*add_dev)(struct device *dev, struct subsys_interface *sif);

int (*remove_dev)(struct device *dev, struct subsys_interface *sif);

};

name，interface的名称。

subsys，interface所属的bus。

node，用于将interface挂到bus中。

add_dev/remove_dev，两个回调函数，subsys interface的核心功能。当bus下有设备增加或者删除的时候，bus core会调用它下面所有subsys interface的add_dev或者remove_dev回调。设计者可以在这两个回调函数中实现所需功能，例如绑定该“specific functionality”所对应的driver，等等。

subsys interface的实现逻辑比较简单，这里不再详细描述了，具体可参考“drivers/base/bus.c”中相应的代码。另外，后续分析cpufreq framework的时候，会遇到使用subsys interface的例子，到时候我们再进一步理解它的现实意义。