linux device model简述

参考：

1）《LINUX设备驱动程序》第十四章 Linux 设备模型

2）内核源码2.6.38

内核初始化的时候会对设备模型作初始化，见init/main.c: start_kernel->rest_init->kernel_init->do_basic_setup->driver_init

设备模型中重要的数据结构：

include/linux/kobject.h:

struct kobject

struct kset

include/linux/device.h:

struct device

struct device_driver

struct bus_type

struct class

1. kobject

Linux设备驱动模型是一个复杂的数据结构，kobject是构成设备驱动模型的基本元素，它总是嵌入到其他结构中，用于把高级对象连接到设备驱动模型上。kobject类似于面向对象中的基类，device，device driver，bus，class便是它的派生产物。struct device，struct device_driver，struct bus_type，struct class中都包含一个类型为struct kobject的成员。

kobject和虚拟文件系统sysfs有着紧密的联系，一个kobject结构对应sysfs下的一个目录。

Documentation/kobject.txt和Documentation/filesystems/sysfs.txt对kobject和sysfs有详细描述。

struct kobject定义在include/linux/kobject.h中：

60 struct kobject {     61         const char              *name; /*对应sysfs中的目录名*/ 62         struct list_head        entry; /*同类kobject组成一个双向链表，entry是该链表中的一个节点*/ 63         struct kobject          *parent; /*指向父kobject*/ 64         struct kset             *kset; /*指向所属的kset*/ 65         struct kobj_type        *ktype; /*struct kobj_type中的struct attribute对应sysfs中的文件*/ 66         struct sysfs_dirent     *sd;  67         struct kref             kref;  68         unsigned int state_initialized:1;  69         unsigned int state_in_sysfs:1;  70         unsigned int state_add_uevent_sent:1;  71         unsigned int state_remove_uevent_sent:1;  72         unsigned int uevent_supPRess:1;  73 };

内核用kobject结构将各个对象连接起来组成一个分层的结构体系，有两种独立的机制用于连接：parent指针和kset。

在kobject结构中的parent成员指向另一个kobject结构，这个结构表示了分层结构中的上一层节点。父kobject和kobject在sysfs中表现为目录与子目录的关系。

kset是同类kobject的集合。

struct kset定义在include/linux/kobject.h中：

159 struct kset { 160         struct list_head list; /*kset包含的kobject组成一个链表，list指向该链表头*/161         spinlock_t list_lock; 162         struct kobject kobj; 163         const struct kset_uevent_ops *uevent_ops; 164 };

kset通过链表来管理集合中的kobject，struct kset中的list成员指向该链表头。

struct kset结构中亦有一个struct kobject类型的成员，故kset在sysfs中同样对应一个目录。

大部分情况下，kset集合中koject的父kobject都指向该kset中的kobject成员。

kset，parent，kobject的关系如下图：

对kobject的操作函数定义在lib/kobject.c中。

2. 总线、设备、驱动、类

下面主要描述一下总线、设备、驱动、类之间的关系，Documentation/driver-model下亦有描述。对于总线、设备、驱动、类的操作函数的实现，code shows you everything，详见drivers/base下的bus.c，core.c，driver.c，dd.c，class.c等。

2.1 总线

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。总线用struct bus_type来描述，bus_type是该总线下设备和驱动的管理机构。

struct bus_type定义在include/linux/device.h中：

 50 struct bus_type {  51         const char              *name;  52         struct bus_attribute    *bus_attrs;  53         struct device_attribute *dev_attrs;  54         struct driver_attribute *drv_attrs;  55  56         int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);  57         int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);  58         int (*probe)(struct device *dev);  59         int (*remove)(struct device *dev);  60         void (*shutdown)(struct device *dev);  61  62         int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);  63         int (*resume)(struct device *dev);  64  65         const struct dev_pm_ops *pm;  66  67         struct subsys_private *p;  68 }; 

重点看一下结构struct subsys_private，该结构描述了总线与设备和驱动的关系：

 27 struct subsys_private {  28         struct kset subsys;  29         struct kset *devices_kset;  30  31         struct kset *drivers_kset;  32         struct klist klist_devices;  33         struct klist klist_drivers;  34         struct blocking_notifier_head bus_notifier;  35         unsigned int drivers_autoprobe:1;  36         struct bus_type *bus;  37  38         struct list_head class_interfaces;  39         struct kset glue_dirs;  40         struct mutex class_mutex;  41         struct class *class;    42 };

1）devices_kset和drivers_kset分别指向该总线下所有设备和驱动的集合，在sysfs中，/sys/bus/xxx/下总是存在/sys/bus/xxx/devices和/sys/bus/xxx/drivers目录。

2）bus_type还管理着两个链表，klist_devices和 klist_drivers，分别表示该总线下的所有设备和所有驱动。

2.2 设备

设备驱动模型中，每一个设备都用struct device描述，struct device定义在include/linux/device.h中，下面只列出部分成员：

 struct device { 407         struct device           *parent; 408 409         struct device_private   *p; 410 411         struct kobject kobj;                ......               ......418 419         struct bus_type *bus;           /* type of bus device is on */ 420         struct device_driver *driver;   /* which driver has allocated this 421                                                          device */                ......               ......452 453         struct klist_node       knode_class; 454         struct class            *class;                ......               ......458 }; 

 68 struct device_private {          69         struct klist klist_children;  70         struct klist_node knode_parent;  71         struct klist_node knode_driver;  72         struct klist_node knode_bus;     73         void *driver_data;  74         struct device *device;  75 };

1）父子关系：它是一个父设备，它维护一个子设备的链表klist_children；它同时是一个子设备， parent指向它的父设备，knode_parent是该设备在其父设备的子设备链表中的节点；

2）与总线的关系：它挂在某个总线下，bus指向该总线的bus_type结构， knode_bus是其所在总线所维护的设备链表中的一个节点；

3）与驱动的关系：它是一个设备，理所当然要跟一个驱动匹配， driver指向与该设备匹配的device_driver结构，bus下的每一个驱动会维护一个设备链表表示该驱动支持的所有设备， knode_driver便表示该链表下的一个节点；

4）与类的关系：类是一个设备的高层视图，它抽象出了底层的实现细节，允许用户空间使用设备所提供的功能，而不关心设备是如何连接以及它们是如何工作的。即具体相似功能的设备被划为一类。class 指向该设备所属的类，每个类会维护一个链表表示该类型下的所有设备， knode_class便是该链表中的一个节点。

2.3 驱动

struct device_driver用来描述驱动程序，其定义在include/linux下：

122 struct device_driver { 123         const char              *name;  124         struct bus_type         *bus; 125                        ......               ......144         struct driver_private *p; 145 };

 45 struct driver_private {  46         struct kobject kobj;              47         struct klist klist_devices;  48         struct klist_node knode_bus;  49         struct module_kobject *mkobj;  50         struct device_driver *driver;  51 };

1）与设备的关系：每个驱动程序可以支持多个设备，device_driver维护了一个链表表示该驱动支持的所有设备，klist_devices指向该链表头；

2）与总线的关系：每个总线维护一个链表表示该总线下的所有驱动，knode_bus便是该链表下的一个节点， bus指向该驱动所在的总线；

2.4 类

类是一个设备的高层视图，它抽象出了底层的实现细节，允许用户空间使用设备所提供的功能，而不关心设备是如何连接以及它们是如何工作的。即具体相似功能的设备被划为一类。类用struct class描述，定义在include/device.h中：

193 struct class { 194         const char              *name; 195         struct module           *owner; 196 197         struct class_attribute          *class_attrs; 198         struct device_attribute         *dev_attrs; 199         struct bin_attribute            *dev_bin_attrs; 200         struct kobject                  *dev_kobj; 201 202         int (*dev_uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env); 203         char *(*devnode)(struct device *dev, mode_t *mode); 204 205         void (*class_release)(struct class *class); 206         void (*dev_release)(struct device *dev); 207 208         int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state); 209         int (*resume)(struct device *dev); 210 211         const struct kobj_ns_type_Operations *ns_type; 212         const void *(*namespace)(struct device *dev); 213 214         const struct dev_pm_ops *pm; 215 216         struct subsys_private *p; 217 }; 

27 struct subsys_private {  28         struct kset subsys;  29         struct kset *devices_kset;  30  31         struct kset *drivers_kset;  32         struct klist klist_devices;  33         struct klist klist_drivers;  34         struct blocking_notifier_head bus_notifier;  35         unsigned int drivers_autoprobe:1;  36         struct bus_type *bus;  37  38         struct list_head class_interfaces;  39         struct kset glue_dirs;   40         struct mutex class_mutex;  41         struct class *class;  42 };

1）与设备的关系：每个类会维护一个链表表示该类型下的所有设备， devices_kset指向该链表头