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Linux 驱动的分离与分层
驱动的分隔与分离
驱动的分层
platform 平台驱动模型
platform 总线
bus_type 结构体
platform 总线
platform_match函数
platform 驱动
platform_driver 结构体
device_driver 结构体
platform_driver_register 函数
platform_driver_unregister 函数
platform 驱动框架
platform 设备
platform_device结构体
resource结构体
platform_device_register 函数
platform_device_unregister 函数
platform 设备信息框架
Linux 驱动的分离与分层
驱动的分隔与分离
驱动的分隔，就是将主机驱动和设备驱动分隔开来，比如 I2C、 SPI 等等都会采用驱动分隔的方式来简化驱动的开发。
Linux 中的总线(bus)、驱动(driver)和设备(device)模型，也就是常说的驱动分离。
驱动的分离，是指将驱动程序中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开实现。
主要分离方式
设备与驱动分离
- 设备(device)：描述硬件资源（如寄存器地址、中断号等）
- 驱动(driver)：包含操作硬件的具体实现
- 通过总线(bus)将两者匹配起来
输入子系统分离
- 输入核心(input core)处理通用输入逻辑
- 输入驱动(input driver)处理具体硬件操作
- 输入事件(input event)处理事件上报
平台设备驱动分离
-
平台设备(platform_device)描述平台相关资源
-
平台驱动(platform_driver)实现硬件操作
驱动的分层
驱动的分层，是指将驱动程序按照功能或抽象层次进行分层实现。
Linux 驱动通常可以分为以下几个主要层次：
以input(输入子系统）为例，
- input 子系统，负责管理所有跟输入有关的驱动，包括键盘、鼠标、触摸等，
- 最底层的就是设备原始驱动，负责获取输入设备的原始值，获取到的输入事件上报给 input 核心层。
- input 核心层会处理各种 IO 模型，并且提供 file_operations 操作集合。
- 在编写输入设备驱动的时候，只需要处理好输入事件的上报即可。
platform 平台驱动模型
Linux 提出了 platform 这个虚拟总线，相应的就有 platform_driver 和 platform_device。
platform 总线
Linux系统内核使用bus_type 结构体表示总线，bus_type 结构体定义在文件 include/linux/device.h。
bus_type 结构体
bus_type 结构体内容如下：
/*** struct bus_type - 总线类型结构体* * 表示Linux内核中的一条总线类型，用于管理设备与驱动的匹配和交互*/
struct bus_type {/* 总线基本信息 */const char *name; /* 总线名称(如"pci", "usb", "platform"等) */const char *dev_name; /* 用于设备枚举的默认名称 */struct device *dev_root; /* 总线设备的根设备 *//* 属性相关 */struct device_attribute *dev_attrs; /* 总线设备的默认属性 */const struct attribute_group **bus_groups; /* 总线自身的属性组(在sysfs中显示) */const struct attribute_group **dev_groups; /* 总线上设备的默认属性组 */const struct attribute_group **drv_groups; /* 总线上驱动的默认属性组 *//* 核心操作函数 */int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv); /* 匹配设备与驱动的关键函数，返回1表示匹配成功 */int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env); /* 处理设备热插拔事件，生成用户空间事件 */int (*probe)(struct device *dev); /* 探测设备，初始化设备 */int (*remove)(struct device *dev); /* 移除设备时的清理操作 */void (*shutdown)(struct device *dev); /* 系统关闭时对设备的操作 *//* 设备状态管理 */int (*online)(struct device *dev); /* 使设备上线 */int (*offline)(struct device *dev); /* 使设备下线 *//* 电源管理相关 */int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state); /* 挂起设备 */int (*resume)(struct device *dev); /* 恢复设备 */const struct dev_pm_ops *pm; /* 电源管理操作集 *//* IOMMU相关 */const struct iommu_ops *iommu_ops; /* IOMMU操作函数集 *//* 私有数据 */struct subsys_private *p; /* 总线私有数据，由内核内部使用 */struct lock_class_key lock_key; /* 锁类键，用于锁调试 */
};其中，match 函数就是完成设备和驱动之间匹配的：
-
总线最重要的函数之一
-
负责检查设备(device)是否可以被驱动(device_driver)支持
-
通常通过比较设备ID和驱动支持的ID表来实现
match 函数有两个参数： dev 和 drv，这两个参数分别为 device 和 device_driver 类型，也就是设备和驱动。
platform 总线
platform 总线是 bus_type 的一个具体实例，定义在文件 drivers/base/platform.c。
platform 总线 定义如下：
/*** platform_bus_type - 平台总线类型实例* * Linux内核中用于管理平台设备(platform device)和平台驱动(platform driver)的总线类型* 平台总线用于那些不连接在传统物理总线上的SoC外设和集成设备*/
struct bus_type platform_bus_type = {.name = "platform", /* 总线名称，在sysfs中显示为/sys/bus/platform *//* 平台设备的默认属性组 */.dev_groups = platform_dev_groups, /* 关键操作函数：平台设备与驱动的匹配函数 */.match = platform_match, .uevent = platform_uevent, /* 处理平台设备的热插拔事件，生成用户空间uevent *//* 电源管理操作集 */.pm = &platform_dev_pm_ops, };platform_bus_type 就是 platform 平台总线，其中 platform_match 就是匹配函数。
platform_match函数
platform_match 函数 定义在文件 drivers/base/platform.c 中，函数内容如下所示：
/*** platform_match - 平台设备与驱动的匹配函数* @dev: 待匹配的设备* @drv: 待匹配的驱动** 这个函数实现了平台设备与平台驱动的匹配逻辑，按照以下优先级顺序进行匹配：* 1. 首先检查driver_override强制绑定* 2. 然后尝试设备树(OF)风格匹配* 3. 接着尝试ACPI风格匹配* 4. 再尝试ID表匹配* 5. 最后回退到名称匹配** 返回1表示匹配成功，0表示匹配失败*/
static int platform_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{/* 转换为平台设备/驱动类型 */struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);struct platform_driver *pdrv = to_platform_driver(drv);/* * 1. 检查driver_override - 当设置了driver_override时，* 只绑定到名称完全匹配的驱动（用于强制指定驱动）*/if (pdev->driver_override)return !strcmp(pdev->driver_override, drv->name);/** 2. 首先尝试设备树(OF)风格匹配* 检查设备树节点是否与驱动中of_match_table匹配*/if (of_driver_match_device(dev, drv))return 1;/** 3. 尝试ACPI风格匹配* 检查ACPI设备ID是否与驱动中acpi_match_table匹配*/if (acpi_driver_match_device(dev, drv))return 1;/** 4. 尝试使用驱动的id_table进行匹配* 比较驱动的id_table和设备的name/id*/if (pdrv->id_table)return platform_match_id(pdrv->id_table, pdev) != NULL;/** 5. 最后回退到简单的名称匹配* 直接比较设备名称和驱动名称*/return (strcmp(pdev->name, drv->name) == 0);
}驱动和设备的匹配有四种方法：
- 设备树(OF)风格匹配：设备树中的每个设备节点的 compatible 属性会和 of_match_table 表中的所有成员比较，查看是否有相同的条目，如果有的话就表示设备和此驱动匹配，设备和驱动匹配成功以后 probe 函数就会执行。
- ACPI风格匹配
- ID表匹配：每个 platform_driver 结构体有一个 id_table成员变量，保存了很多 id 信息。这些 id 信息存放着这个 platformd 驱动所支持的驱动类型。
- 名称匹配：如果第三种匹配方式的 id_table 不存在的话就直接比较驱动和设备的 name 字段，看看是不是相等，如果相等的话就匹配成功。
platform 驱动
platform_driver 结构体表示platform 驱 动 ， 此结构体定义在文件include/linux/platform_device.h
中。
platform_driver 结构体
platform_driver 结构体内容如下：
/*** struct platform_driver - 平台设备驱动结构体*/
struct platform_driver {int (*probe)(struct platform_device *); // 设备匹配成功后的初始化函数int (*remove)(struct platform_device *); // 设备移除时的清理函数void (*shutdown)(struct platform_device *); // 系统关机时的设备关闭函数int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state); // 设备挂起函数(传统PM)int (*resume)(struct platform_device *); // 设备恢复函数(传统PM)struct device_driver driver; // 内嵌的标准驱动结构(含name/owner/pm等)const struct platform_device_id *id_table; // 驱动支持的设备ID表(传统匹配方式)bool prevent_deferred_probe; // 是否禁止延迟探测
};- probe 函数，当驱动与设备匹配成功以后 probe 函数就会执行。
- driver 成员，为 device_driver 结构体变量，相当于基类，提供了最基础的驱动框架。
- id_table 是个表( 也就是数组) ，每个元素的类型为 platform_device_id。
platform_device_id 结构体内容如下：
struct platform_device_id {char name[PLATFORM_NAME_SIZE]; /* 设备名称，最大长度为PLATFORM_NAME_SIZE(通常为20) */kernel_ulong_t driver_data; /* 驱动私有数据，可通过platform_get_device_id()获取 */
};device_driver 结构体
device_driver 结构体定义在 include/linux/device.h， device_driver 结构体内容如下：
/*** struct device_driver - 核心设备驱动结构体* * 表示Linux设备模型中的一个设备驱动程序*/
struct device_driver {const char *name; /* 驱动名称，用于匹配设备 */struct bus_type *bus; /* 所属总线类型 */struct module *owner; /* 所属模块(THIS_MODULE) */const char *mod_name; /* 内置模块名称 */bool suppress_bind_attrs; /* 禁用sysfs中的bind/unbind属性 *//* 设备匹配表 */const struct of_device_id *of_match_table; /* 设备树匹配表 */const struct acpi_device_id *acpi_match_table; /* ACPI匹配表 *//* 驱动操作函数 */int (*probe)(struct device *dev); /* 设备探测函数 */int (*remove)(struct device *dev); /* 设备移除函数 */void (*shutdown)(struct device *dev); /* 设备关闭函数 */int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state); /* 设备挂起函数 */int (*resume)(struct device *dev); /* 设备恢复函数 */const struct attribute_group **groups; /* 默认属性组 */const struct dev_pm_ops *pm; /* 电源管理操作集 */struct driver_private *p; /* 驱动私有数据 */
};其中， of_match_table 就是采用设备树的时候驱动使用的匹配表，同样是数组，每个匹配项都为 of_device_id 结构体类型。
of_device_id 结构体定义在文件 include/linux/mod_devicetable.h 中，内容如下：
struct of_device_id {char name[32]; /* 传统设备名称（逐步淘汰） */char type[32]; /* 传统设备类型（逐步淘汰） */char compatible[128]; /* 设备树节点必须包含的兼容性字符串 */const void *data; /* 传递给驱动的私有数据 */
};对于设备树而言，就是通过设备节点的 compatible 属性值和 of_match_table 中每个项目的 compatible 成员变量进行比较，如果有相等的就表示设备和此驱动匹配成功。
在编写 platform 驱动的时候，首先定义一个 platform_driver 结构体变量，然后实现结构体中的各个成员变量，重点是实现匹配方法以及 probe 函数。当驱动和设备匹配成功以后 probe函数就会执行，具体的驱动程序在 probe 函数里面编写，比如字符设备驱动等等。
platform_driver_register 函数
当我们定义并初始化好 platform_driver 结构体变量以后，需要在驱动入口函数里面调用platform_driver_register 函数向 Linux 内核注册一个 platform 驱动。
platform_driver_register 函数原型如下所示：
int platform_driver_register (struct platform_driver *driver)- driver：要注册的 platform 驱动。
- 返回值： 负数，失败； 0，成功。
platform_driver_unregister 函数
还需要在驱动卸载函数中，通过 platform_driver_unregister 函数卸载 platform 驱动， platform_driver_unregister 函数原型如下：
void platform_driver_unregister(struct platform_driver *drv)- drv：要卸载的 platform 驱动。
- 返回值： 无。
platform 驱动框架
platform 驱动框架如下所示：
/* 设备结构体 */
struct xxx_dev {struct cdev cdev;/* 设备结构体其他具体内容 */
};struct xxx_dev xxxdev; /* 定义个设备结构体变量 */static int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{/* 函数具体内容 */return 0;
}static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t cnt, loff_t *offt)
{/* 函数具体内容 */return 0;
}/** 字符设备驱动操作集*/
static struct file_operations xxx_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = xxx_open,.write = xxx_write,
};/** platform 驱动的 probe 函数* 驱动与设备匹配成功以后此函数就会执行*/
static int xxx_probe(struct platform_device *dev)
{......cdev_init(&xxxdev.cdev, &xxx_fops); /* 注册字符设备驱动 *//* 函数具体内容 */return 0;
}static int xxx_remove(struct platform_device *dev)
{......cdev_del(&xxxdev.cdev);/* 删除 cdev *//* 函数具体内容 */return 0;
}/* 匹配列表 */
static const struct of_device_id xxx_of_match[] = {{ .compatible = "xxx-gpio" },{ /* Sentinel */ }
};/** platform 平台驱动结构体*/
static struct platform_driver xxx_driver = {.driver = {.name = "xxx",.of_match_table = xxx_of_match,},.probe = xxx_probe,.remove = xxx_remove,
};/* 驱动模块加载 */
static int __init xxxdriver_init(void)
{return platform_driver_register(&xxx_driver);
}/* 驱动模块卸载 */
static void __exit xxxdriver_exit(void)
{platform_driver_unregister(&xxx_driver);
}module_init(xxxdriver_init);
module_exit(xxxdriver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");platform 驱动还是传统的字符设备驱动、块设备驱动或网络设备驱动，只是套上了一张“platform” 的皮，目的是为了使用总线、驱动和设备这个驱动模型来实现驱动的分离与分层。
platform 设备
platform_device结构体
platform_device 这个结构体表示 platform 设备，如果内核支持设备树，就是用设备树来描述设备。
platform_device 结构体定义在文件include/linux/platform_device.h 中，结构体内容如下：
/*** struct platform_device - 平台设备结构体* * 表示一个不连接在传统硬件总线上的设备(如SoC内置外设)*/
struct platform_device {const char *name; /* 设备名称，用于与驱动匹配 */int id; /* 设备实例ID(-1表示单个实例) */bool id_auto; /* 是否自动分配ID */struct device dev; /* 内嵌的标准设备结构 */u32 num_resources; /* 资源数量 */struct resource *resource; /* 设备资源数组(内存/I/O/中断等) */const struct platform_device_id *id_entry; /* 设备ID条目(传统匹配方式) */char *driver_override; /* 强制指定驱动名称 */struct mfd_cell *mfd_cell; /* 如果是MFD子设备，指向父单元 */struct pdev_archdata archdata; /* 架构特定数据 */
};其中：
- name 表示设备名字，要和所使用的 platform 驱动的 name 字段相同，否则的话设备就无法匹配到对应的驱动。
- num_resources 表示资源数量。
- resource 表示资源，也就是设备信息，比如外设寄存器等。
resource结构体
Linux 内核使用 resource结构体表示资源， resource 结构体内容如下：
/*** struct resource - 硬件资源描述结构体* * 描述设备使用的硬件资源，包括内存区域、I/O端口、中断号等*/
struct resource {resource_size_t start; /* 资源起始地址/中断号 */resource_size_t end; /* 资源结束地址/中断号 */const char *name; /* 资源名称(可选) */unsigned long flags; /* 资源类型和属性标志 *//* 资源树管理指针(内核内部使用) */struct resource *parent; /* 父资源 */struct resource *sibling; /* 兄弟资源 */struct resource *child; /* 子资源 */
};- start 和 end 分别表示资源的起始和终止信息，对于内存类的资源，就表示内存起始和终止地址。
- name 表示资源名字。
- flags 表示资源类型。
可选的资源类型，都定义在了文件include/linux/ioport.h 里面，如下所示：
#define IORESOURCE_IO 0x00000100 /* IO端口资源 */
#define IORESOURCE_MEM 0x00000200 /* 内存区域资源 */
#define IORESOURCE_IRQ 0x00000400 /* 中断资源 */
#define IORESOURCE_DMA 0x00000800 /* DMA通道 */
#define IORESOURCE_BUSY 0x80000000 /* 资源已分配 */#define IORESOURCE_CACHEABLE 0x00000001 /* 可缓存内存 */
#define IORESOURCE_READONLY 0x00000002 /* 只读内存 */在以前不支持设备树的Linux版本中，用户需要编写platform_device变量来描述设备信息，然后使用 platform_device_register 函数将设备信息注册到 Linux 内核中。
platform_device_register 函数
platform_device_register 函数原型如下所示：
int platform_device_register(struct platform_device *pdev)- pdev：要注册的 platform 设备。
- 返回值： 负数，失败； 0，成功。
platform_device_unregister 函数
如果不再使用 platform 的话，可以通过 platform_device_unregister 函数注销掉相应的 platform设备。
platform_device_unregister 函数原型如下
void platform_device_unregister(struct platform_device *pdev)- pdev：要注销的 platform 设备。
- 返回值： 无。
platform 设备信息框架
当 Linux 内核支持了设备树以后，就不需要用户手动去注册 platform 设备了。
因为设备信息都放到了设备树中去描述， Linux 内核启动的时候会从设备树中读取设备信息，然后将其组织成 platform_device 形式，
platform 设备信息框架如下所示：
/* 寄存器地址定义*/
#define PERIPH1_REGISTER_BASE (0X20000000) /* 外设1寄存器首地址 */
#define PERIPH2_REGISTER_BASE (0X020E0068) /* 外设2寄存器首地址 */
#define REGISTER_LENGTH 4/* 资源 */
static struct resource xxx_resources[] = {[0] = {.start = PERIPH1_REGISTER_BASE,.end = (PERIPH1_REGISTER_BASE + REGISTER_LENGTH - 1),.flags = IORESOURCE_MEM,},[1] = {.start = PERIPH2_REGISTER_BASE,.end = (PERIPH2_REGISTER_BASE + REGISTER_LENGTH - 1),.flags = IORESOURCE_MEM,},
};/* platform 设备结构体 */
static struct platform_device xxxdevice = {.name = "xxx-gpio",.id = -1,.num_resources = ARRAY_SIZE(xxx_resources),.resource = xxx_resources,
};/* 设备模块加载 */
static int __init xxxdevice_init(void)
{return platform_device_register(&xxxdevice);
}/* 设备模块注销 */
static void __exit xxxdevice_exit(void)
{platform_device_unregister(&xxxdevice);
}module_init(xxxdevice_init);
module_exit(xxxdevice_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
