linux内核部件分析（七）——设备驱动模型之driver

上节我们分析设备驱动模型中的device，主要是drivers/base/core.c，可以说是代码量最大的一个文件。本节要分析的驱动driver，就要相对简单很多。原因也很简单，对于driver，我们能定义的公共部分实在不多，能再sysfs中表达的也很少。本节的分析将围绕drivers/base/driver.c，但头文件仍然是include/linux/device.h和drivers/base/base.h。

先让我们来看看driver的结构。

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就是模型定义的通用驱动结构。name是驱动名称，但这个name也只是在静态定义的初始名称，实际使用的名称还是由kobject中保管的。bus执行驱动所在的总线，owner是驱动所在的模块，还有一个所在模块名称mod_name，suppress_bind_attrs定义是否允许驱动通过sysfs决定挂载还是卸载设备。下面是一系列函数指针，probe是在驱动刚与设备挂接时调用的，remove是在设备卸载时调用的，shutdown是在设备关闭时调用的(说实话我现在还不知道remove和shutdown的区别），suspend是设备休眠时调用的，resume是设备恢复时调用的。group是属性集合，pm是电源管理的函数集合，p是指向driver_private的指针。

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)

与device类似，device_driver把与其它组件联系的大部分结构变量移到struct driver_private中来。首先是kobj，在sysfs中代表driver目录本身。klist_devices是驱动下的设备链表，knode_bus是要挂载在总线的驱动链表上的节点。mkobj是driver与相关module的联系，之前在device_driver结构中已经有指向module的指针，但这还不够，在/sys下你能发现一个module目录，所以驱动所属的模块在sysfs中也有显示，具体留到代码中再看。driver指针自然是从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)

除了以上两个结构，还有struct driver_attribute。driver_attribute是driver对struct attribute的封装，添加了两个特用于device_driver的读写函数。这种封装看似简单重复，工作量很小，但在使用时却会造成巨大的便利。

好，结构介绍完毕，下面看driver.c中的实现。

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()是对drv的设备链表中的每个设备调用一次指定函数。

driver_find_device()是在drv的设备链表中寻找一个设备，寻找使用指定的匹配函数。

这两个函数都不陌生，在之前分析device的core.c中已经见到与它们很类似的函数，只不过那里是遍历设备的子设备链表，这里是遍历驱动的设备链表。next_device()同样是辅助用的内部函数。

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()创建drv下的属性文件，调用sysfs_create_file()实现。

driver_remove_file()删除drv下的属性文件，调用sysfs_remove_file()实现。

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目录下添加属性集合，调用sysfs_create_groups()实现。

driver_remove_groups()在drv目录下删除属性集合，调用sysfs_remove_groups()实现。

发现两点问题：第一，是不是觉得driver_add_groups()不太合适，最好改为driver_create_groups()才搭调。但不只是driver用driver_add_groups()，device也使用device_add_groups()，不知一处这样做。第二，有没有发现driver_create_file()是外部函数，driver_add_groups()就是内部函数，也就是说driver只对外提供添加属性的接口，却不提供添加属性集合的接口。理由吗？在struct device_driver()已经专门定义了一个groups变量来添加属性集合，后面就不易再重复提供接口，而且创建属性集合需要的操作远比创建属性费时。在device中也是这样做的。

另外，driver中只提供管理属性文件的方法，却不提供管理二进制属性文件的方法，这是因为驱动本身没有这种需求，只有部分设备才要求二进制文件表示。

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的引用计数，put_driver()减少drv的引用计数。这都是通过drv->p->kobj来做的。

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()从bus的驱动链表中寻找特定名称的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()将drv注册到系统中。它真是做得难以预料地简单，所有的工作几乎完全是由bus_add_driver()代为完成的。但你要注意，在调用driver_register()前，drv->bus一定要预先设置。device可以不绑定bus，但driver一定要绑定到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()将drv从系统中撤销。大部分工作是调用bus_remove_driver()完成的。可以看出bus_add_driver()与bus_remove_driver()相对。driver和bus的联系如此紧密，以至于driver的注册和撤销工作都可以由bus代劳了。我们需要更进一步的分析。

经过调查，我们发现很有一部分driver的代码被移动到了bus.c中。我们本节是以driver为主，所以接下来会尽量在不惊动bus的情况下，分析存在于bus.c中的driver代码。

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,
};

看到这里，你终于觉得driver开始正常了，它还要定义sysfs读写时操作的函数。

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,
};

与device的释放函数device_release不同，driver_release没有提供外界代码运行的机会，只是简单地释放drv_priv函数。

/* 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下两个只写的属性文件，unbind和bind。应该是提供用户空间命令是否将设备与驱动挂接的接口。

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目录下添加属性，只是这些属性都是在bus中定义的drv_attrs[]。

driver_remove_attrs()从drv目录中删除相应的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目录下增加bind和unbind属性。

remove_bind_files()从drv目录下删除bind和unbind属性。

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);

这是drv目录下地uevent属性文件，提供了从drv发送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与bus联系起来，其实是完成driver加入系统的大部分操作。

首先调用bus_get(drv->bus)增加对bus的引用。

分配并初始化drv->p，即driver_private结构。

调用kobject_init_and_add()将drv加入sysfs，之前只是设置了priv->obj.kset为bus->p->drivers_kset，所以drv目录会出现在bus目录的drivers子目录中。如果总线允许自动probe，就会调用driver_attach()将驱动和总线上的设备进行匹配，这个过程先略过。

然后调用klist_add_tail()将drv挂入总线的驱动链表。

调用module_add_driver()创建driver相关的模块在sysfs中的表示。后面专门描述。

调用driver_create_file()在drv目录下创建uevent属性文件。

调用driver_add_attrs()在drv目录下添加bus->driver_attrs[]中定义的属性。

如果drv->suppress_bind_attrs为零，即允许用户空间决定驱动何时链接和卸载设备，则调用add_bind_files()添加bind和unbind属性文件。

调用kobject_uevent()向用户空间发布KOBJ_ADD消息。

从bus_add_driver()的处理过程来看，driver只在bus的drivers目录下出现，没什么软链接，需要的属性也不多。

/**
* 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()将drv从系统中撤销，与bus_add_driver()相对应。

driver真正精彩的地方在于probe函数，对设备的操作，对用户空间提供的接口，可惜这些都是特定的。这里只能将driver与bus联系起来，并在以后与device联系起来。

不过不必失望，下面我们分析下drivers/base/module.c，它显示了与驱动有关的module，在sysfs中的表现情况。

首先介绍使用到的结构。应该说module.c的代码实现很简单，但使用到的结构不简单。

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结构除了包含struct attribute，还多增加了好几条函数指针。而这只是最简单的，struct param_attribute除了包含module_attribute，还有一个指向kernel_param的指针param。这个kernel_param就太复杂了，是外界向module提供参数用的窗口，这里忽略。后面还有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()将drv的名字和drv->bus的名字合起来，不过这是一个内部函数，具体使用还要看后面。

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所在的目录下创建一个drivers的目录。不过因为是使用kobject_create_and_add()，所以这个kobject使用默认的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下添加与driver的联系。

开始调用kset_find_obj()从module_kset下寻找drv所属的module对应的kobj。说明每个module在加载时都会在/sys/module中创建一个kobject目录。这里找到后只是将其赋给drv->p->kmobj，并调用kobject_put()释放找到时加上的引用计数。至于为什么driver不保留对module的引用计数，或许是不需要，或许是已经存在了。

接下来调用sysfs_create_link()在驱动目录中添加指向module目录的软链接，名称就是module。

调用module_create_drivers_dir()在module目录下建立drivers子目录。

调用sysfs_create_link()在drivers子目录下建立指向驱动目录的软链接，名称使用make_driver_name()的返回结果。

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与相应module之间的软链接关系。

对于module，应该是另一个议题了，这里只是简单涉及，下节我们将涉及到总线bus，并深入分析device和driver的关系。