学习笔记——《LINUX设备驱动程序（第三版）》Linux设备模型：内核添加、删除设备、驱动程序

以下为阅读《LINUX设备驱动程序（第三版）》一书第十四章Linux设备模型时的部分内容总结（就是翻译的通俗点，让我自己以后需要复习时能看得容易点），可能有错误或遗漏，请参照原书原文，或留言指正，thanks。

1. 前言

该章先讲解了设备驱动的几个基础概念：kobject、kset、subsystem、sysfs、hotplug、bus、device、device_drive、class。

本文主要总结内核添加设备和删除设备的过程。

2. 准备工作

2.1. 概念

总线结构
struct bus_type{
char *name;
struct sybsystem subsys;
struct kset drivers;
struct kset devices;
int (*match)(struct device *dev, struct device driver *drv);
struct device *(*add)(struct device *parent, char *bus_id);
int (*hotplug)(struct device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
......
}
设备结构
struct device{
struct device *parent;
struct kobject kobj;
char bus_id[BUS_ID_SIZE];
struct bus_type *bus;
struct device_driver *driver;
void *driver_data;
void (*release)(struct device *dev);
......
}
驱动结构
struct device_driver{
char *name;
struct bus_type *bus;
struct kobject kobj;
struct list_head devices;
int (*probe)(struct device *dev);
int (*remove)(struct device *dev);
void (*shutdown)(struct device *dev);
......
}

2.2. 具体总线、设备、驱动结构体说明

内核中对具体的总线、设备、驱动定义了相应的结构体类型，以 PCI 为例。struct pci_dev 与 struct device 的关系类似于面向对象中的子类与父类的关系。例如，

总线结构
struct bus_type{
char *name;
struct sybsystem subsys;
struct kset drivers;
struct kset devices;
int (*match)(struct device *dev, struct device driver *drv);
struct device *(*add)(struct device *parent, char *bus_id);
int (*hotplug)(struct device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
......
}

其中，struct pci_driver 是 struct device_driver 的扩展结构，两者间关系与 pci_dev 与 device 关系类似。

针对 pci 设备，定义 struct pci_bus_type 用于描述 pci 总线结构，它相当于 struct bus_type 的扩展结构。详情参照原书。

为了方便说明，进行以下说明：

struct xxx_dev 为注册到 xxx 总线的设备对 struct device 结构的扩展结构

struct xxx_driver 为注册到 xxx 总线的驱动程序对 struct device_driver 结构的扩展结构
xxx_bus_type 为 xxx 总线的 bus_type 结构变量。
其他以 xxx_ 开头的函数均为用于实现 xxx 总线相关功能的函数。

2.3. 注册总线

驱动程序或设备的初始化时，其结构体 struct device_driver 和 struct device 中的总线类型指针 struct bus_type *bus 需要指向各自挂载的总线结构。

因此，内核添加设备前，需要先注册总线类型，通过调用 bus_register() 可实现。

3. 添加设备

3.1. STEP1 ——发现设备并创建设备结构 struct XXX_dev

当内核在某总线上发现新设备时，创建与总线相关的设备结构 struct xxx_dev。

3.2. STEP2 ——初始化设备结构

这里主要初始化了 xxx_dev->device 结构。其中：

xxx_dev->device->parent 设置为该设备所在的总线设备或宿主控制器设备；
xxx_dev->device->bus 设置为指向设备挂载的总线结构 bus_type 的变量，例如注册到 pci 总线的设备设置为 &pci_bus_type。

3.3. STEP3 ——注册设备

注册设备设备使用 device_register(&xxx_dev)，该函数通过以下操作实现对设备的初始化：

1. 驱动核心对 struct device 中的许多成员进行初始化。

2. 向 kobject 核心注册该设备的 kobject。

3. 该设备被添加到包含该设备的父节点（device->parent）的设备列表中。

4. 该设备被添加到与总线相关的所有设备链表（device->bus->devices）中，该链表包含了所有注册到该总线的设备。

5. 遍历总线上注册的驱动程序，依次调用总线的 bus_type->match() 函数（该函数流程后续说明），查看该驱动程序是否支持当前设备。

6. 若步骤5 返回 0，说明该驱动程序不支持当前设备，重复步骤 5。

7. 若步骤5 返回 1，说明该驱动程序支持当前设备。

8. 驱动核心将当前设备的 device->driver 指向该驱动，并调用该驱动程序的 device_driver->probe() 函数（该函数流程后续说明），查看该驱动该驱动能否处理当前设备。

9. 若步骤8 返回非 0 的错误信息，说明该驱动程序不能处理当前设备，则重复步骤 5。

10.若步骤 8 返回 0，说明该驱动程序能处理当前设备。

11. 将当前设备添加到该驱动的设备链表（device_driver->devices）中，并 sysfs 中将该驱动程序目录和当前设备之间建立符号链接。

关于bus_type->match()。注册总线前，将bus_type->match()函数指定为 xxx_bus_match()。其实现功能如下：

1. 将参数 struct device 结构转换为 struct xxx_dev 结构。

2. 将参数 struct device_driver 结构转换为struct xxx_driver结构。

3. 查看struct xxx_dev 和struct xxx_driver 中的相关信息，以确定当前驱动程序是否支持当前设备。

4. 若当前驱动程序与当前设备不匹配，match() 向驱动核心返回0；否则，返回1。

关于 device_driver->probe()。注册驱动程序前，将 device_driver->probe() 函数值定位 xxx_device_probe()。实现功能如下：

1. 将参数 struct device 结构转换为 struct xxx_dev 结构。

2. 将 device->driver 结构转换为 struct xxx_driver 结构。

3. 检测当前驱动程序的状态，确保能支持这个函数（用绑定的 xxx_dev 结构指针为参数调用 xxx_driver->probe()），增加设备的引用计数。
4. 若 xxx_driver->probe() 判定不能处理当前设备，则返回负的错误之给驱动核心；否则，返回 0。

4. 删除设备

删除设备调用 xxx_remove_bus_device() 函数，该函数进行以下操作：

1. 进行清理工作。

2. 使用 xxx_dev->device 作为参数调用 device_unregister() 函数。

当 xxx_remove_bus_device() 函数结束后，若该设备的 kobject 已经不被引用，调用 xxx_release_dev() 函数，释放 xxx_dev 结构占用的空间。

关于 device_unregister() 。实现功能如下：

1. 删除了 sysfs 中从设备绑定的驱动程序到设备之间的符号链接。

2. 将该设备从设备绑定的驱动程序的设备链表中删除。

3. 使用 device->kobject 作为参数调用 kobject_del()。

关于 kobject_del()。实现功能如下：

1. 引起用户空间 hotplug 的调用。

2. 删除全部与 kobject 相关的 sysfs 文件、目录。
3. 删除设备的 kobject 的引用。

5. 添加驱动程序

添加驱动调用xxx_register_driver()函数，该函数进行以下操作：

1. 初始化 xxx_driver->device_driver 结构体。

2. 调用 device_register(&xxx_driver->device_driver) 将 xxx 驱动程序添加到驱动核心中。

关于device_register()。实现功能如下：

1. 初始化 device_driver 中的锁。

2. 调用 bus_add_driver()，函数功能如下。

关于 bus_add_driver()。实现功能如下：

1. 查找与驱动程序相关的总线。若未找到，则函数返回。

2. 根据驱动程序的名字以及相关的总线，创建驱动程序的 sysfs 目录。

3. 获取总线内部的锁，遍历所有向总线注册的设备，参照 3.3 节的 bus_type->match()，依次为其调用 match 函数。

6. 删除驱动程序

删除驱动调用 xxx_unregister_driver() 函数，该函数执行以下操作：

调用 driver_unregister(&xxx_driver->device_driver)

关于 driver_unregister() 函数。实现功能如下：

1. 清除 sysfs 中属于驱动程序的 sysfs 属性。

2. 遍历驱动程序设备列表，参照 4 节，依次调用 release 函数。

3. 执行以下操作：

down(&drv->unload_sem);

up(&drv->unload_sem);

原因：函数安全返回前，代码需要等待驱动所有调用引用技术清零。

只要驱动程序正被设备所引用并等待 unload->sem 被解开，模块就要保留在内核中。