linux內核部件分析（七）——設備驅動模型之driver

     上節我們分析設備驅動模型中的device，主要是drivers/base/core.c，可以說是代碼量最大的一個文件。本節要分析的驅動driver，就要相對簡單很多。原因也很簡單，對於driver，我們能定義的公共部分實在不多，能再sysfs中表達的也很少。本節的分析將圍繞drivers/base/driver.c，但頭文件仍然是include/linux/device.h和drivers/base/base.h。

先讓我們來看看driver的結構。

struct device_driver {
	const char		*name;
	struct bus_type		*bus;

	struct module		*owner;
	const char		*mod_name;	/* used for built-in modules */

	bool suppress_bind_attrs;	/* disables bind/unbind via sysfs */

	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 device_driver就是模型定義的通用驅動結構。name是驅動名稱，但這個name也只是在靜態定義的初始名稱，實際使用的名稱還是由kobject中保管的。bus執行驅動所在的總線，owner是驅動所在的模塊，還有一個所在模塊名稱mod_name，suppress_bind_attrs定義是否允許驅動通過sysfs決定掛載還是卸載設備。下面是一系列函數指針，probe是在驅動剛與設備掛接時調用的，remove是在設備卸載時調用的，shutdown是在設備關閉時調用的(說實話我現在還不知道remove和shutdown的區別），suspend是設備休眠時調用的，resume是設備恢復時調用的。group是屬性集合，pm是電源管理的函數集合，p是指向driver_private的指針。

struct driver_private {
	struct kobject kobj;
	struct klist klist_devices;
	struct klist_node knode_bus;
	struct module_kobject *mkobj;
	struct device_driver *driver;
};
#define to_driver(obj) container_of(obj, struct driver_private, kobj)

與device類似，device_driver把與其它組件聯繫的大部分結構變量移到struct driver_private中來。首先是kobj，在sysfs中代表driver目錄本身。klist_devices是驅動下的設備鏈表，knode_bus是要掛載在總線的驅動鏈表上的節點。mkobj是driver與相關module的聯繫，之前在device_driver結構中已經有指向module的指針，但這還不夠，在/sys下你能發現一個module目錄，所以驅動所屬的模塊在sysfs中也有顯示，具體留到代碼中再看。driver指針自然是從driver_private指回struct device_driver的。

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);
};

#define DRIVER_ATTR(_name, _mode, _show, _store)	\
struct driver_attribute driver_attr_##_name =		\
	__ATTR(_name, _mode, _show, _store)

除了以上兩個結構，還有struct driver_attribute。driver_attribute是driver對struct attribute的封裝，添加了兩個特用於device_driver的讀寫函數。這種封裝看似簡單重複，工作量很小，但在使用時卻會造成巨大的便利。

 

好，結構介紹完畢，下面看driver.c中的實現。

static struct device *next_device(struct klist_iter *i)
{
	struct klist_node *n = klist_next(i);
	struct device *dev = NULL;
	struct device_private *dev_prv;

	if (n) {
		dev_prv = to_device_private_driver(n);
		dev = dev_prv->device;
	}
	return dev;
}

int driver_for_each_device(struct device_driver *drv, struct device *start,
			   void *data, int (*fn)(struct device *, void *))
{
	struct klist_iter i;
	struct device *dev;
	int error = 0;

	if (!drv)
		return -EINVAL;

	klist_iter_init_node(&drv->p->klist_devices, &i,
			     start ? &start->p->knode_driver : NULL);
	while ((dev = next_device(&i)) && !error)
		error = fn(dev, data);
	klist_iter_exit(&i);
	return error;
}
struct device *driver_find_device(struct device_driver *drv,
				  struct device *start, void *data,
				  int (*match)(struct device *dev, void *data))
{
	struct klist_iter i;
	struct device *dev;

	if (!drv)
		return NULL;

	klist_iter_init_node(&drv->p->klist_devices, &i,
			     (start ? &start->p->knode_driver : NULL));
	while ((dev = next_device(&i)))
		if (match(dev, data) && get_device(dev))
			break;
	klist_iter_exit(&i);
	return dev;
}

driver_for_each_device()是對drv的設備鏈表中的每個設備調用一次指定函數。

driver_find_device()是在drv的設備鏈表中尋找一個設備，尋找使用指定的匹配函數。

這兩個函數都不陌生，在之前分析device的core.c中已經見到與它們很類似的函數，只不過那裏是遍歷設備的子設備鏈表，這裏是遍歷驅動的設備鏈表。next_device()同樣是輔助用的內部函數。

int driver_create_file(struct device_driver *drv,
		       struct driver_attribute *attr)
{
	int error;
	if (drv)
		error = sysfs_create_file(&drv->p->kobj, &attr->attr);
	else
		error = -EINVAL;
	return error;
}

void driver_remove_file(struct device_driver *drv,
			struct driver_attribute *attr)
{
	if (drv)
		sysfs_remove_file(&drv->p->kobj, &attr->attr);
}

driver_create_file()創建drv下的屬性文件，調用sysfs_create_file()實現。

driver_remove_file()刪除drv下的屬性文件，調用sysfs_remove_file()實現。

static int driver_add_groups(struct device_driver *drv,
			     const struct attribute_group **groups)
{
	int error = 0;
	int i;

	if (groups) {
		for (i = 0; groups[i]; i++) {
			error = sysfs_create_group(&drv->p->kobj, groups[i]);
			if (error) {
				while (--i >= 0)
					sysfs_remove_group(&drv->p->kobj,
							   groups[i]);
				break;
			}
		}
	}
	return error;
}

static void driver_remove_groups(struct device_driver *drv,
				 const struct attribute_group **groups)
{
	int i;

	if (groups)
		for (i = 0; groups[i]; i++)
			sysfs_remove_group(&drv->p->kobj, groups[i]);
}

driver_add_groups()在drv目錄下添加屬性集合，調用sysfs_create_groups()實現。

driver_remove_groups()在drv目錄下刪除屬性集合，調用sysfs_remove_groups()實現。

發現兩點問題：第一，是不是覺得driver_add_groups()不太合適，最好改爲driver_create_groups()才搭調。但不只是driver用driver_add_groups()，device也使用device_add_groups()，不知一處這樣做。第二，有沒有發現driver_create_file()是外部函數，driver_add_groups()就是內部函數，也就是說driver只對外提供添加屬性的接口，卻不提供添加屬性集合的接口。理由嗎？在struct device_driver()已經專門定義了一個groups變量來添加屬性集合，後面就不易再重複提供接口，而且創建屬性集合需要的操作遠比創建屬性費時。在device中也是這樣做的。

另外，driver中只提供管理屬性文件的方法，卻不提供管理二進制屬性文件的方法，這是因爲驅動本身沒有這種需求，只有部分設備纔要求二進制文件表示。

struct device_driver *get_driver(struct device_driver *drv)
{
	if (drv) {
		struct driver_private *priv;
		struct kobject *kobj;

		kobj = kobject_get(&drv->p->kobj);
		priv = to_driver(kobj);
		return priv->driver;
	}
	return NULL;
}

void put_driver(struct device_driver *drv)
{
	kobject_put(&drv->p->kobj);
}

get_driver()增加drv的引用計數，put_driver()減少drv的引用計數。這都是通過drv->p->kobj來做的。

struct device_driver *driver_find(const char *name, struct bus_type *bus)
{
	struct kobject *k = kset_find_obj(bus->p->drivers_kset, name);
	struct driver_private *priv;

	if (k) {
		priv = to_driver(k);
		return priv->driver;
	}
	return NULL;
}

driver_find()從bus的驅動鏈表中尋找特定名稱的driver。

/**
 * driver_register - register driver with bus
 * @drv: driver to register
 *
 * We pass off most of the work to the bus_add_driver() call,
 * since most of the things we have to do deal with the bus
 * structures.
 */
int driver_register(struct device_driver *drv)
{
	int ret;
	struct device_driver *other;

	BUG_ON(!drv->bus->p);

	if ((drv->bus->probe && drv->probe) ||
	    (drv->bus->remove && drv->remove) ||
	    (drv->bus->shutdown && drv->shutdown))
		printk(KERN_WARNING "Driver '%s' needs updating - please use "
			"bus_type methods\n", drv->name);

	other = driver_find(drv->name, drv->bus);
	if (other) {
		put_driver(other);
		printk(KERN_ERR "Error: Driver '%s' is already registered, "
			"aborting...\n", drv->name);
		return -EBUSY;
	}

	ret = bus_add_driver(drv);
	if (ret)
		return ret;
	ret = driver_add_groups(drv, drv->groups);
	if (ret)
		bus_remove_driver(drv);
	return ret;
}

driver_register()將drv註冊到系統中。它真是做得難以預料地簡單，所有的工作幾乎完全是由bus_add_driver()代爲完成的。但你要注意，在調用driver_register()前，drv->bus一定要預先設置。device可以不綁定bus，但driver一定要綁定到bus上。

void driver_unregister(struct device_driver *drv)
{
	if (!drv || !drv->p) {
		WARN(1, "Unexpected driver unregister!\n");
		return;
	}
	driver_remove_groups(drv, drv->groups);
	bus_remove_driver(drv);
}

driver_unregister()將drv從系統中撤銷。大部分工作是調用bus_remove_driver()完成的。可以看出bus_add_driver()與bus_remove_driver()相對。driver和bus的聯繫如此緊密，以至於driver的註冊和撤銷工作都可以由bus代勞了。我們需要更進一步的分析。

 

經過調查，我們發現很有一部分driver的代碼被移動到了bus.c中。我們本節是以driver爲主，所以接下來會盡量在不驚動bus的情況下，分析存在於bus.c中的driver代碼。

 

static ssize_t drv_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
			     char *buf)
{
	struct driver_attribute *drv_attr = to_drv_attr(attr);
	struct driver_private *drv_priv = to_driver(kobj);
	ssize_t ret = -EIO;

	if (drv_attr->show)
		ret = drv_attr->show(drv_priv->driver, buf);
	return ret;
}

static ssize_t drv_attr_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,
			      const char *buf, size_t count)
{
	struct driver_attribute *drv_attr = to_drv_attr(attr);
	struct driver_private *drv_priv = to_driver(kobj);
	ssize_t ret = -EIO;

	if (drv_attr->store)
		ret = drv_attr->store(drv_priv->driver, buf, count);
	return ret;
}

static struct sysfs_ops driver_sysfs_ops = {
	.show	= drv_attr_show,
	.store	= drv_attr_store,
};

看到這裏，你終於覺得driver開始正常了，它還要定義sysfs讀寫時操作的函數。

static void driver_release(struct kobject *kobj)
{
	struct driver_private *drv_priv = to_driver(kobj);

	pr_debug("driver: '%s': %s\n", kobject_name(kobj), __func__);
	kfree(drv_priv);
}

static struct kobj_type driver_ktype = {
	.sysfs_ops	= &driver_sysfs_ops,
	.release	= driver_release,
};

與device的釋放函數device_release不同，driver_release沒有提供外界代碼運行的機會，只是簡單地釋放drv_priv函數。

/* Manually detach a device from its associated driver. */
static ssize_t driver_unbind(struct device_driver *drv,
			     const char *buf, size_t count)
{
	struct bus_type *bus = bus_get(drv->bus);
	struct device *dev;
	int err = -ENODEV;

	dev = bus_find_device_by_name(bus, NULL, buf);
	if (dev && dev->driver == drv) {
		if (dev->parent)	/* Needed for USB */
			down(&dev->parent->sem);
		device_release_driver(dev);
		if (dev->parent)
			up(&dev->parent->sem);
		err = count;
	}
	put_device(dev);
	bus_put(bus);
	return err;
}
static DRIVER_ATTR(unbind, S_IWUSR, NULL, driver_unbind);

/*
 * Manually attach a device to a driver.
 * Note: the driver must want to bind to the device,
 * it is not possible to override the driver's id table.
 */
static ssize_t driver_bind(struct device_driver *drv,
			   const char *buf, size_t count)
{
	struct bus_type *bus = bus_get(drv->bus);
	struct device *dev;
	int err = -ENODEV;

	dev = bus_find_device_by_name(bus, NULL, buf);
	if (dev && dev->driver == NULL && driver_match_device(drv, dev)) {
		if (dev->parent)	/* Needed for USB */
			down(&dev->parent->sem);
		down(&dev->sem);
		err = driver_probe_device(drv, dev);
		up(&dev->sem);
		if (dev->parent)
			up(&dev->parent->sem);

		if (err > 0) {
			/* success */
			err = count;
		} else if (err == 0) {
			/* driver didn't accept device */
			err = -ENODEV;
		}
	}
	put_device(dev);
	bus_put(bus);
	return err;
}
static DRIVER_ATTR(bind, S_IWUSR, NULL, driver_bind);

上面描述了driver下兩個只寫的屬性文件，unbind和bind。應該是提供用戶空間命令是否將設備與驅動掛接的接口。

static int driver_add_attrs(struct bus_type *bus, struct device_driver *drv)
{
	int error = 0;
	int i;

	if (bus->drv_attrs) {
		for (i = 0; attr_name(bus->drv_attrs[i]); i++) {
			error = driver_create_file(drv, &bus->drv_attrs[i]);
			if (error)
				goto err;
		}
	}
done:
	return error;
err:
	while (--i >= 0)
		driver_remove_file(drv, &bus->drv_attrs[i]);
	goto done;
}

static void driver_remove_attrs(struct bus_type *bus,
				struct device_driver *drv)
{
	int i;

	if (bus->drv_attrs) {
		for (i = 0; attr_name(bus->drv_attrs[i]); i++)
			driver_remove_file(drv, &bus->drv_attrs[i]);
	}
}

driver_add_attrs()向drv目錄下添加屬性，只是這些屬性都是在bus中定義的drv_attrs[]。

driver_remove_attrs()從drv目錄中刪除相應的bus->drv_attrs[]。

static int __must_check add_bind_files(struct device_driver *drv)
{
	int ret;

	ret = driver_create_file(drv, &driver_attr_unbind);
	if (ret == 0) {
		ret = driver_create_file(drv, &driver_attr_bind);
		if (ret)
			driver_remove_file(drv, &driver_attr_unbind);
	}
	return ret;
}

static void remove_bind_files(struct device_driver *drv)
{
	driver_remove_file(drv, &driver_attr_bind);
	driver_remove_file(drv, &driver_attr_unbind);
}

add_bind_files()在drv目錄下增加bind和unbind屬性。

remove_bind_files()從drv目錄下刪除bind和unbind屬性。

static ssize_t driver_uevent_store(struct device_driver *drv,
				   const char *buf, size_t count)
{
	enum kobject_action action;

	if (kobject_action_type(buf, count, &action) == 0)
		kobject_uevent(&drv->p->kobj, action);
	return count;
}
static DRIVER_ATTR(uevent, S_IWUSR, NULL, driver_uevent_store);

這是drv目錄下地uevent屬性文件，提供了從drv發送uevent的方法。

/**
 * bus_add_driver - Add a driver to the bus.
 * @drv: driver.
 */
int bus_add_driver(struct device_driver *drv)
{
	struct bus_type *bus;
	struct driver_private *priv;
	int error = 0;

	bus = bus_get(drv->bus);
	if (!bus)
		return -EINVAL;

	pr_debug("bus: '%s': add driver %s\n", bus->name, drv->name);

	priv = kzalloc(sizeof(*priv), GFP_KERNEL);
	if (!priv) {
		error = -ENOMEM;
		goto out_put_bus;
	}
	klist_init(&priv->klist_devices, NULL, NULL);
	priv->driver = drv;
	drv->p = priv;
	priv->kobj.kset = bus->p->drivers_kset;
	error = kobject_init_and_add(&priv->kobj, &driver_ktype, NULL,
				     "%s", drv->name);
	if (error)
		goto out_unregister;

	if (drv->bus->p->drivers_autoprobe) {
		error = driver_attach(drv);
		if (error)
			goto out_unregister;
	}
	klist_add_tail(&priv->knode_bus, &bus->p->klist_drivers);
	module_add_driver(drv->owner, drv);

	error = driver_create_file(drv, &driver_attr_uevent);
	if (error) {
		printk(KERN_ERR "%s: uevent attr (%s) failed\n",
			__func__, drv->name);
	}
	error = driver_add_attrs(bus, drv);
	if (error) {
		/* How the hell do we get out of this pickle? Give up */
		printk(KERN_ERR "%s: driver_add_attrs(%s) failed\n",
			__func__, drv->name);
	}

	if (!drv->suppress_bind_attrs) {
		error = add_bind_files(drv);
		if (error) {
			/* Ditto */
			printk(KERN_ERR "%s: add_bind_files(%s) failed\n",
				__func__, drv->name);
		}
	}

	kobject_uevent(&priv->kobj, KOBJ_ADD);
	return 0;

out_unregister:
	kfree(drv->p);
	drv->p = NULL;
	kobject_put(&priv->kobj);
out_put_bus:
	bus_put(bus);
	return error;
}

bus_add_driver()看似是把drv與bus聯繫起來，其實是完成driver加入系統的大部分操作。

首先調用bus_get(drv->bus)增加對bus的引用。

分配並初始化drv->p，即driver_private結構。

調用kobject_init_and_add()將drv加入sysfs，之前只是設置了priv->obj.kset爲bus->p->drivers_kset，所以drv目錄會出現在bus目錄的drivers子目錄中。如果總線允許自動probe，就會調用driver_attach()將驅動和總線上的設備進行匹配，這個過程先略過。

然後調用klist_add_tail()將drv掛入總線的驅動鏈表。

調用module_add_driver()創建driver相關的模塊在sysfs中的表示。後面專門描述。

調用driver_create_file()在drv目錄下創建uevent屬性文件。

調用driver_add_attrs()在drv目錄下添加bus->driver_attrs[]中定義的屬性。

如果drv->suppress_bind_attrs爲零，即允許用戶空間決定驅動何時鏈接和卸載設備，則調用add_bind_files()添加bind和unbind屬性文件。

調用kobject_uevent()向用戶空間發佈KOBJ_ADD消息。

 

從bus_add_driver()的處理過程來看，driver只在bus的drivers目錄下出現，沒什麼軟鏈接，需要的屬性也不多。

 

/**
 * bus_remove_driver - delete driver from bus's knowledge.
 * @drv: driver.
 *
 * Detach the driver from the devices it controls, and remove
 * it from its bus's list of drivers. Finally, we drop the reference
 * to the bus we took in bus_add_driver().
 */
void bus_remove_driver(struct device_driver *drv)
{
	if (!drv->bus)
		return;

	if (!drv->suppress_bind_attrs)
		remove_bind_files(drv);
	driver_remove_attrs(drv->bus, drv);
	driver_remove_file(drv, &driver_attr_uevent);
	klist_remove(&drv->p->knode_bus);
	pr_debug("bus: '%s': remove driver %s\n", drv->bus->name, drv->name);
	driver_detach(drv);
	module_remove_driver(drv);
	kobject_put(&drv->p->kobj);
	bus_put(drv->bus);
}

bus_remove_driver()將drv從系統中撤銷，與bus_add_driver()相對應。

 

driver真正精彩的地方在於probe函數，對設備的操作，對用戶空間提供的接口，可惜這些都是特定的。這裏只能將driver與bus聯繫起來，並在以後與device聯繫起來。

 

不過不必失望，下面我們分析下drivers/base/module.c，它顯示了與驅動有關的module，在sysfs中的表現情況。

首先介紹使用到的結構。應該說module.c的代碼實現很簡單，但使用到的結構不簡單。

struct module_attribute {
        struct attribute attr;
        ssize_t (*show)(struct module_attribute *, struct module *, char *);
        ssize_t (*store)(struct module_attribute *, struct module *,
			 const char *, size_t count);
	void (*setup)(struct module *, const char *);
	int (*test)(struct module *);
	void (*free)(struct module *);
};

struct param_attribute
{
	struct module_attribute mattr;
	struct kernel_param *param;
};

struct module_param_attrs
{
	unsigned int num;
	struct attribute_group grp;
	struct param_attribute attrs[0];
};

struct module_kobject
{
	struct kobject kobj;
	struct module *mod;
	struct kobject *drivers_dir;
	struct module_param_attrs *mp;
};

可以看到module_attribute結構除了包含struct attribute，還多增加了好幾條函數指針。而這只是最簡單的，struct param_attribute除了包含module_attribute，還有一個指向kernel_param的指針param。這個kernel_param就太複雜了，是外界向module提供參數用的窗口，這裏忽略。後面還有struct module_param_attrs和struct module_kobject。

static char *make_driver_name(struct device_driver *drv)
{
	char *driver_name;

	driver_name = kmalloc(strlen(drv->name) + strlen(drv->bus->name) + 2,
			      GFP_KERNEL);
	if (!driver_name)
		return NULL;

	sprintf(driver_name, "%s:%s", drv->bus->name, drv->name);
	return driver_name;
}

make_driver_name()將drv的名字和drv->bus的名字合起來，不過這是一個內部函數，具體使用還要看後面。

static void module_create_drivers_dir(struct module_kobject *mk)
{
	if (!mk || mk->drivers_dir)
		return;

	mk->drivers_dir = kobject_create_and_add("drivers", &mk->kobj);
}

module_create_drivers_dir()在mk所在的目錄下創建一個drivers的目錄。不過因爲是使用kobject_create_and_add()，所以這個kobject使用默認的dynamic_kobj_ktype。

void module_add_driver(struct module *mod, struct device_driver *drv)
{
	char *driver_name;
	int no_warn;
	struct module_kobject *mk = NULL;

	if (!drv)
		return;

	if (mod)
		mk = &mod->mkobj;
	else if (drv->mod_name) {
		struct kobject *mkobj;

		/* Lookup built-in module entry in /sys/modules */
		mkobj = kset_find_obj(module_kset, drv->mod_name);
		if (mkobj) {
			mk = container_of(mkobj, struct module_kobject, kobj);
			/* remember our module structure */
			drv->p->mkobj = mk;
			/* kset_find_obj took a reference */
			kobject_put(mkobj);
		}
	}

	if (!mk)
		return;

	/* Don't check return codes; these calls are idempotent */
	no_warn = sysfs_create_link(&drv->p->kobj, &mk->kobj, "module");
	driver_name = make_driver_name(drv);
	if (driver_name) {
		module_create_drivers_dir(mk);
		no_warn = sysfs_create_link(mk->drivers_dir, &drv->p->kobj,
					    driver_name);
		kfree(driver_name);
	}
}

module_add_drivers()在module下添加與driver的聯繫。

開始調用kset_find_obj()從module_kset下尋找drv所屬的module對應的kobj。說明每個module在加載時都會在/sys/module中創建一個kobject目錄。這裏找到後只是將其賦給drv->p->kmobj，並調用kobject_put()釋放找到時加上的引用計數。至於爲什麼driver不保留對module的引用計數，或許是不需要，或許是已經存在了。

接下來調用sysfs_create_link()在驅動目錄中添加指向module目錄的軟鏈接，名稱就是module。

調用module_create_drivers_dir()在module目錄下建立drivers子目錄。

調用sysfs_create_link()在drivers子目錄下建立指向驅動目錄的軟鏈接，名稱使用make_driver_name()的返回結果。

void module_remove_driver(struct device_driver *drv)
{
	struct module_kobject *mk = NULL;
	char *driver_name;

	if (!drv)
		return;

	sysfs_remove_link(&drv->p->kobj, "module");

	if (drv->owner)
		mk = &drv->owner->mkobj;
	else if (drv->p->mkobj)
		mk = drv->p->mkobj;
	if (mk && mk->drivers_dir) {
		driver_name = make_driver_name(drv);
		if (driver_name) {
			sysfs_remove_link(mk->drivers_dir, driver_name);
			kfree(driver_name);
		}
	}
}

module_remove_driver()消除driver與相應module之間的軟鏈接關係。

 

對於module，應該是另一個議題了，這裏只是簡單涉及，下節我們將涉及到總線bus，並深入分析device和driver的關係。