linux设备驱动程序注册过程详解

Linux的驱动程序注册过程，大致分为两个步骤：

• 模块初始化
• 驱动程序注册

下面以内核提供的示例代码pci-skeleton.c，详细说明一个pci设备驱动程序的注册过程。其他设备的驱动代码注册过程基本相同，大家可自行查看。使用的内核代码版本是2.6.38。

1. 模块初始化

1.1 驱动程序入口

所有的设备驱动程序都会有如下两行代码：

1922 module_init(netdrv_init_module); 1923 module_exit(netdrv_cleanup_module);

module_init/module_exit是两个宏。module_init是该驱动程序的入口，加载驱动模块时，驱动程序就从netdrv_init_module函数开始执行。而当该驱动程序对应的设备被删除了，则会执行netdrv_cleanup_module这个函数。

1.2 模块初始化

当驱动程序开始执行时，首先会执行该驱动程序的初始化函数netdrv_init_module，代码如下：

1906 static int __init netdrv_init_module(void) 1907 { 1908 /* when a module, this is printed whether or not devices are found in probe */ 1909 #ifdef MODULE 1910 printk(version); 1911 #endif 1912 return pci_register_driver(&netdrv_pci_driver); 1913 }

可以看到，初始化函数很简单，只执行了一个pci_register_driver函数就返回了。

其实模块的初始化过程就是这么简单，这也是linux驱动程序的ISO标准流程：module_init-->xx_init_module-->xx_register_driver。相信你看着这里时，还是一头雾水。别着急，我们慢慢来。

2. 驱动程序注册

什么是驱动模块的注册？上面讲到的初始化函数中调用的pci_register_driver函数就是注册驱动程序啦。在介绍注册函数之前，必须要详细说明下linux的总线设备驱动模型，否则下面的内容很难描述清楚。

2.1 linux总线设备驱动模型

关于总线设备驱动模型，很多书上都有详细的讲解，但是都很抽象，很难理解(至少我是这样认为的)。下面我尽量用最简单的方法来说明相关内容。

linux内核中分别用struct bus_type，struct device和struct device_driver来描述总线、设备和驱动。

总线：

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 <strong>"color:#ff0000;">int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);strong> 。。。 68 };

设备：

406 struct device { 407 struct device       *parent; 408 409 struct device_private   *p; 410 411 struct kobject kobj; 412 const char      *init_name; /* initial name of the device */ 413 struct device_type  *type; 414 415 struct mutex        mutex; /* mutex to synchronize calls to416                      * its driver.417                      */ 418 <strong>"color:#ff0000;">419 struct bus_type *bus; /* type of bus device is on */ 420 struct device_driver *driver; /* which driver has allocated this421                        device */strong>。。。 456 457 void (*release)(struct device *dev); 458 };

驱动：

122 struct device_driver { 123 const char *name;"color:#ff0000;">124 struct bus_type     *bus; 125 126 struct module       *owner; 127 const char *mod_name; /* used for built-in modules */ 128 129 bool suppress_bind_attrs; /* disables bind/unbind via sysfs */ 130 131 #if defined(CONFIG_OF) 132 const struct of_device_id   *of_match_table; 133 #endif 134 "color:#ff0000;">135 int (*probe) (struct device *dev); 136 int (*remove) (struct device *dev);。。。 145 };

上述三个结构体中，我将下文需要使用的成员进行了标识，后面会讨论到。

对比上面的三个结构体，你会发现：总线中既定义了设备，也定义了驱动；设备中既有总线，也有驱动；驱动中既有总线也有设备相关的信息。那这三个的关系到底是什么呢？

三者的关系是：

内核要求每次出现一个设备，就要向总线汇报，会着说注册；每次出现一个驱动，也要向总线汇报，或者叫注册。比如系统初始化时，会扫描连接了哪些设备，并为每一个设备建立一个struct device变量，并为每一个驱动程序准备一个struct device_driver结构的变量。把这些量变量加入相应的链表，形成一条设备链表和一条驱动量表。这样，总线就能通过总线找到每一个设备和每一个驱动程序。

当一个struct device诞生，总线就会去driver链表找设备对应的驱动程序。如果找到就执行设备的驱动程序，否则就等待。反之亦然。

还有一个需要注意的地方：

usb_type结构体的match函数，它的两个参数一个是驱动，另一个则是设备。这个函数就是用来进行判断，总线上的驱动程序能不能处理设备的。至于这个函数什么时候调用，怎么调用，后面会有说。

2.2 注册函数详解

下面我们来详细解释驱动的注册函数。

2.2.1 驱动的描述

首先从register函数的函数原型看起：

896 #define pci_register_driver(driver)     \897     __pci_register_driver(driver, THIS_MODULE, KBUILD_MODNAME) 1103 int __pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner, 1104 const char *mod_name)

真正的注册函数式__pci_register_driver()，它的第一个参数是struct pci_driver类型的，再看看这个结构的定义：

542 struct pci_driver { 543 struct list_head node; 544 const char *name; 545 const struct pci_device_id *id_table; /* must be non-NULL for probe to be calle     d */ 546 int (*probe)  (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id); /* New de     vice inserted */ 547 void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not a hot-plug      capable driver) */ 548 int (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /* Device suspended *     / 549     int  (*suspend_late) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); 550     int  (*resume_early) (struct pci_dev *dev); 551     int  (*resume) (struct pci_dev *dev);                   /* Device woken up */ 552 void (*shutdown) (struct pci_dev *dev); 553 struct pci_error_handlers *err_handler; <strong>"color:#ff0000;">554 struct device_driver    driver;strong> 555 struct pci_dynids dynids; 556 };

仔细看这个结构，发现其中一个成员是我们上面的总线设备模型中的driver的结构体。 其实在linux内核中，所有设备的驱动的定义，都是以struct device_driver为基类，进行继承与扩展的。 你没有看错，内核当中使用了很多OO的思想。再看看网卡I2C设备的的驱动描述：

143 struct i2c_driver { 144 unsigned int class; 145 。。。<strong>"color:#ff0000;">174 struct device_driver driver;strong> 175 const struct i2c_device_id *id_table; 176 177 /* Device detection callback for automatic device creation */ 178 int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *); 179 const unsigned short *address_list; 180 struct list_head clients; 181 };

现在我们知道了pci设备的驱动程序的描述方法。但是问题又来了：这么复杂的一个结构体，我们怎么用呢？

首先看下实例代码中是怎么玩的：

1894 static struct pci_driver netdrv_pci_driver = { 1895 .name       = MODNAME, 1896 .id_table   = netdrv_pci_tbl, 1897 .probe      = netdrv_init_one, 1898 .remove = __devexit_p(netdrv_remove_one), 1899 #ifdef CONFIG_PM 1900 .suspend    = netdrv_suspend, 1901 .resume     = netdrv_resume, 1902 #endif /* CONFIG_PM */ 1903 };

我们可以看出来，并不是这个结构体的所有成员我们都要操作，我们只管其中最关键的几个就行了。

那上面的几个分别什么作用呢？

name：驱动模块的名字，这个可以忽略。

id_table：这个id的表很重要， 它的作用是匹配驱动所支持的设备。 同样看看代码中的用法：

221 static DEFINE_PCI_DEVICE_TABLE(netdrv_pci_tbl) = { 222 {0x10ec, 0x8139, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 }, 223 {0x10ec, 0x8138, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, NETDRV_CB }, 224 {0x1113, 0x1211, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, SMC1211TX }, 225 /*  {0x1113, 0x1211, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, MPX5030 },*/ 226 {0x1500, 0x1360, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, DELTA8139 }, 227 {0x4033, 0x1360, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, ADDTRON8139 }, 228 {0,} 229 }; 230 MODULE_DEVICE_TABLE(pci, netdrv_pci_tbl);

这里表示的就是本驱动程序支持的设备类型。

probe：这个函数指针同样很重要。 当驱动匹配到了对应的设备之后，就会调用该函数来驱动设备。 所以可以说这个函数才是驱动程序真正的入口。

remove：当驱动程序对应的设备被删除之后，使用这个函数来删除驱动程序。

综合看来，上面的id_table和probe函数好像是最重要的，那我们就看看它们是怎么使用的。

2.2.2 驱动-设备的匹配

上面在说明probe函数的时候说到：当驱动 匹配 到了对应的设备之后，就会调用该函数来驱动设备。这个匹配是什么意思？如何进行匹配？跟bus结构体中的match函数有没有关系？

带着这几个问题，我们来看看register函数。这里我将只说明驱动-设备匹配相关的内容，过程中看到的其他内容不在讨论范围内。我们将调用过程加粗和标红。

1103 int __pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner, 1104 const char *mod_name) 1105 { 1106 int error; 1107 1108 /* initialize common driver fields */ 1109 drv->driver.name = drv->name; 1110 drv->driver.bus = &pci_bus_type; 1111 drv->driver.owner = owner; 1112 drv->driver.mod_name = mod_name; 1113 1114 spin_lock_init(&drv->dynids.lock); 1115 INIT_LIST_HEAD(&drv->dynids.list); 1116 1117 /* register with core */ 1118 "color:#ff0000;">error = driver_register(&drv->driver); 1119 if (error) 1120 goto out; 1121 。。。。。。。。 1137 }

__pci_register_driver函数中，调用driver_register，在总线上注册驱动。

222 int driver_register(struct device_driver *drv)223 {224     int ret;225     struct device_driver *other; 226 227 BUG_ON(!drv->bus->p); 228 229 if ((drv->bus->probe && drv->probe) || 230 (drv->bus->remove && drv->remove) || 231 (drv->bus->shutdown && drv->shutdown)) 232 printk(KERN_WARNING "Driver '%s' needs updating - please use " 233 "bus_type methods\n", drv->name); 234 235 other = driver_find(drv->name, drv->bus); 236 if (other) { 237 put_driver(other); 238 printk(KERN_ERR "Error: Driver '%s' is already registered, " 239 "aborting...\n", drv->name); 240 return -EBUSY; 241 } 242 243 "color:#ff0000;">ret = bus_add_driver(drv); 244 if (ret) 245 return ret; 246 ret = driver_add_groups(drv, drv->groups); 247 if (ret) 248 bus_remove_driver(drv); 249 return ret; 250 }

driver_register中调用bus_add_driver，将设备驱动添加到总线上。

625 int bus_add_driver(struct device_driver *drv) 626 {  。。。。。。。。。。。。。 642 klist_init(&priv->klist_devices, NULL, NULL); 643 priv->driver = drv; 644 drv->p = priv; 645 priv->kobj.kset = bus->p->drivers_kset; 646 error = kobject_init_and_add(&priv->kobj, &driver_ktype, NULL, 647 "%s", drv->name); 648 if (error) 649 goto out_unregister; 650 651 if (drv->bus->p->drivers_autoprobe) { 652 "color:#ff0000;">error = driver_attach(drv); 653 if (error) 654 goto out_unregister; 655 } 。。。。。。。。。。。。。。。 690 }

303 int driver_attach(struct device_driver *drv) 304 { 305 return <strong><span style="color:#ff0000;">bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);span>strong> 306 }

可以看出来，上面讲驱动程序追加到总线上之后，现在开始将设备与驱动进行匹配了。

285 int bus_for_each_dev(struct bus_type *bus, struct device *start, 286 void *data, int (*fn)(struct device *, void *)) 287 {  。。。。。。。。。。。。 295 klist_iter_init_node(&bus->p->klist_devices, &i, 296 (start ? &start->p->knode_bus : NULL)); 297 while ((dev = next_device(&i)) && !error) 298 "color:#ff0000;">error = fn(dev, data); 299 klist_iter_exit(&i); 300 return error; 301 }

这里的fn就是__driver_attach函数，我们来看一下它干了什么：

265 static int __driver_attach(struct device *dev, void *data) 266 { 267 struct device_driver *drv = data;。。。。。。。。。。。。。。。 279 <strong>if (!driver_match_device(drv, dev))strong> 280 return 0; 281 282 if (dev->parent) /* Needed for USB */ 283 device_lock(dev->parent); 284 device_lock(dev); 285 if (!dev->driver) 286 <strong>"color:#ff0000;">driver_probe_device(drv, dev);strong> 287 device_unlock(dev); 288 if (dev->parent) 289 device_unlock(dev->parent); 290 291 return 0; 292 }

279行的driver_match_device函数就是用来为driver匹配device的

108 static inline int driver_match_device(struct device_driver *drv, 109 struct device *dev) 110 { 111 return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1; 112 }

这里开始调用device_driver中注册的match函数来进行匹配了，匹配的具体过程就不看了。再回到上面的__driver_attach函数的driver_probe_device中。

200 int driver_probe_device(struct device_driver *drv, struct device *dev) 201 { 202 int ret = 0; 203 204 if (!device_is_registered(dev)) 205 return -ENODEV; 206 207 pr_debug("bus: '%s': %s: matched device %s with driver %s\n", 208 drv->bus->name, __func__, dev_name(dev), drv->name); 209 210 pm_runtime_get_noresume(dev); 211 pm_runtime_barrier(dev); 212 ret = really_probe(dev, drv); 213 pm_runtime_put_sync(dev); 214 215 return ret; 216 }

108 static int really_probe(struct device *dev, struct device_driver *drv) 109 { 110 int ret = 0; 111 112 atomic_inc(&probe_count); 113 pr_debug("bus: '%s': %s: probing driver %s with device %s\n", 114 drv->bus->name, __func__, drv->name, dev_name(dev)); 115 WARN_ON(!list_empty(&dev->devres_head)); 116 117 dev->driver = drv; 118 if (driver_sysfs_add(dev)) { 119 printk(KERN_ERR "%s: driver_sysfs_add(%s) failed\n", 120 __func__, dev_name(dev)); 121 goto probe_failed; 122 } 123 124 if (dev->bus->probe) { 125 ret = dev->bus->probe(dev); 126 if (ret) 127 goto probe_failed; 128 } else if (drv->probe) { 129 ret = drv->probe(dev); 130 if (ret) 131 goto probe_failed; 132 } 133 。。。。。。。。。。。。。。 160 }

到这里，终于看到drv->probe函数了。驱动程序的probe函数开始执行了，驱动程序的注册工作也就大功告成了。

3. 总结

我们来总结一下设备驱动程序初始化的几个步骤：

1. 根据设备类型，构造所需描述驱动的结构体。该结构体需要继承struct device_driver结构，并给几个重要的成员初始化。

2. 通过module_init宏调用驱动程序的初始化函数xx_init_module，在初始化函数中注册驱动程序。

3.驱动程序会遍历总线上的struct device和struct device_driver两条链表，调用总线的match函数，对设备与驱动程序进行匹配。

4.如果设备与驱动程序匹配成功，则调用驱动程序的probe函数。probe函数的实现，需要根据驱动程序的功能来定，不属于本文的讨论范围。