linux嵌入式驱动-总线设备驱动模型

一、Kobject&Kset

Kobject就是在sysfs文件系统中创建一个目录，目录中包含一个文件。而Kset就是在sysfs文件系统中创建一个可以包含目录的目录。所以Kobject是Kset的父类或基类。

1、sysfs文件系统

“sysfs is a ram-based filesystem initially based on ramfs. It provides a means toexport kernel data structures, their attributes, and the linkages between them to userspace.”

---documentation/filesystems/sysfs.txt

Linux2.6内核引入了sysfs文件系统。sysfs被看成是与proc同类别的文件系统。sysfs把连接在系统上的设备和总线组织成分级的文件，使其从用户空间可以访问的到。也就是sysfs通过文件树的方式让用户知道内核的信息。

sysfs被加载在/sys/目录下，它的子目录包括：

.Block：在系统中发现的每个块设备在该目录下对应的一个子目录。每个子目录中又包含一些属性文件，它们描述了这个块设备的各个方面属性，如：设备大小。（loop块设备是使用文件来模拟的）

.Bus：在内核中注册的每条总线在该目录下对应一个子目录，如：ide pci scsi usb pcmcia 其中每个总线目录内又包含两个子目录：devices和drivers，devices目录包含了在整个系统中发现的属于该总线类型的设备，drivers目录包含了注册到该总线的所有驱动。

.class：将设备按照功能进行分类，如/sys/class/net目录下包含了所有网络接口

.Devices：包含系统所有的设备。

.kernel：内核中的配置参数

.Module：系统中所有模块的信息

.Firmware：系统中的固件

.Fs：描述系统中的文件系统

.Power：系统中电源选项

Sysfs文件系统

上面图显示了一个设备可以存在多个目录下，一个设备按照不同的分类方式分属于不同的分类。在Sysfs中的反映就是链接文件。

2、kobject

kobject实现了基本的面向对象管理机制，是构成Linux2.6设备模型的核心结构。它与sysfs文件系统紧密相连，在内核中注册的每个kobject对象对应sysfs文件系统的一个目录。

类似于C++中的基类，kobject常被嵌入于其他类型（即：容器）中。如bus,devices,drivers都是典型的容器。这些容器通过kobject连接起来，形成了一个树状结构。

struct kobject{const char *name;struct list_head entry;struct kobject *parent;//指向父对象struct kset *kset;struct kobj_type *ktype;struct sysfs_dirent *sd;struct kref kref;//对象引用计数unsigned int state_initialized:1;unsigned int state_in_sysfs:1;unsigned int state_add_uevent_sent:1;unsigned int state_remove_uevent_sent:1;};

kobject操作

. void kobject_init(struct kobject * kobj)

初始化kobject结构

. int kobject_add(struct kobject * kobj)

将kobject对象注册到Linux系统

. int kobject_init_and_add(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype, struct kobject *parent, const char *fmt, ...)

初始化kobject， 并将其注册到Linux系统. 

. void kobject_del(struct kobject *kobj)

从Linux系统中删除kobject对象

. struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)

将kobject对象的引用计数加1，同时返回该对象指针。

. void kobject_put(struct kobject * kobj)

将kobject对象的引用计数减1，如果引用计数降为0，则调用release方法释放该kobject对象。

Struct kobj_type

kobject的ktype成员是一个指向kobj_type结构的指针，该结构中记录了kobject对象的一些属性。

struct kobj_type{void (*release)(struct kobject *kobj);struct sysfs_ops *sysfs_ops;struct attribute **default_attrs;};

release：用于释放kobject占用的资源，当kobject的引用计数为0时被调用。
struct attribute

struct attribute{char *name; /*属性文件名*/struct module *owner;mode_t mode; /*属性的保护位*/};

struct attribute(属性)：对应于kobject的目录下的一个文件，Name成员就是文件名。
struct sysfs_ops

struct sysfs_ops{ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);ssize_t (*store)(struct kobject *, struct attribute *, const char *, size_t);};

.show：当用户读属性文件时，该函数被调用，该函数将属性值存入buffer中返回给用户态；

.store：当用户写属性文件时，该函数被调用，用于存储用户传入的属性值。

在学习驱动的过程中经常会学习函数指针，那如何来学习他们呢？

分三步：1、看参数从哪里来，要到哪里去（因为这些函数指针内核也需要用，所以不能更改它们的参数）2、函数指针什么时候调用 3、函数用来干什么，例如：show将内核让用户知道的信息打印并让用户看。

实例演示：kobject.c

#include <linux/device.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/init.h>#include <linux/string.h>#include <linux/sysfs.h>#include <linux/stat.h> MODULE_AUTHOR("David Xie");MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); void obj_test_release(struct kobject *kobject);ssize_t kobj_test_show(struct kobject *kobject, struct attribute *attr,char *buf);ssize_t kobj_test_store(struct kobject *kobject,struct attribute *attr,const char *buf, size_t count); struct attribute test_attr = {        .name = "kobj_config",        .mode = S_IRWXUGO,}; static struct attribute *def_attrs[] = {        &test_attr,        NULL,};  struct sysfs_ops obj_test_sysops ={        .show = kobj_test_show,        .store = kobj_test_store,}; struct kobj_type ktype = {        .release = obj_test_release,        .sysfs_ops=&obj_test_sysops,        .default_attrs=def_attrs,}; void obj_test_release(struct kobject *kobject){        printk("eric_test: release .\n");} ssize_t kobj_test_show(struct kobject *kobject, struct attribute *attr,char *buf){        printk("have show.\n");        printk("attrname:%s.\n", attr->name);        sprintf(buf,"%s\n",attr->name);        return strlen(attr->name)+2;} ssize_t kobj_test_store(struct kobject *kobject,struct attribute *attr,const char *buf, size_t count){        printk("havestore\n");        printk("write: %s\n",buf);        return count;} struct kobject kobj;static int kobj_test_init(){        printk("kboject test init.\n");        kobject_init_and_add(&kobj,&ktype,NULL,"kobject_test");        return 0;} static int kobj_test_exit(){        printk("kobject test exit.\n");        kobject_del(&kobj);        return 0;} module_init(kobj_test_init);module_exit(kobj_test_exit);

上例完成的工作：

1、在sys文件系统中创建了kobjet_test目录
2、在kobject_test目录下创建了一个文件kobj_config

3、读写kobj_config文件时，会按编程的效果打印输出给用户空间显示

3、kset

kset是具有相同类型的kobject的集合，在sysfs中体现成一个目录，在内核中用kset数据结构表示，定义为：

struct kset
{
struct list_head list;//连接该kset中所有kobject的链表头
spinlock_t list_lock;
struct kobject kobj;//内嵌的kobject
struct kset_uevent_ops *uevent_ops; //处理热插拔事件的操作集合
};

kset的操作

int kset_register(struct kset *kset)

在内核中注册一个kset

void kset_unregister(struct kset *kset)

从内核中注销一个kset

热插拔事件

在Linux系统中，当系统配置发生变化时，如：添加kset到系统；移动kobject，一个通知会从内核空间发送到用户空间，这就是热插拔事件。热插拔事件会导致用户空间中相应的处理程序（如udev，mdev）被调用，这些处理程序会通过加载驱动程序，创建设备节点等来响应热插拔事件。
操作集合

struct kset_uevent_ops
{
int (*filter)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);
const char *(*name)(struct kset *kset, struct kobject *kobj);
int (*uevent)(struct kset *kset, struct kobject *kobj, struct kobj_uevent_env *env);
};

这三个函数什么时候调用？

当该kset所管理的kobject和kset状态发生变化时（如被加入，移动），这三个函数将被调用。（例：kobject_uevent调用）

这三个函数的功能是什么？

filter：决定是否将事件传递到用户空间。如果filter返回0，将不传递事件。

name：用于将字符串传递给用户空间的热插拔处理程序。

uevent：将用户空间需要的参数添加到环境变量中。

kset与kobject的区别：

1、kobject是用于创建sys下面的目录

2、目录属性对应一个文件

3、注册和添加一个kset，对应一个目录。kset目录可以包含目录或文件，而kobject中只包含文件

热插拔事件由一个结构体来处理

实例kset.c

见网址：http://blog.csdn.net/mbh_1991/article/details/9170365

运行结果：

二、设备驱动模型

随着技术的不断进步，系统的拓扑结构也越来越复杂，对智能电源管理、热插拔的支持要求也越来越高，2.4内核已经难以满足这些需求。为适应这种形势的需要，Linux2.6内核提供了全新的内核设备模型。

设备模型元素：总线 驱动 设备

总线是处理器和设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都通过总线相连，甚至是内部虚拟“platform”总线（定时器、看门狗就是通过这种虚拟总线与处理器相连）。在linux设备模型中，总线由bus_type结构表示，定义在<linux/device.h>

struct bus_type
{
const char *name;//总线名称
struct bus_attribute *bus_attrs;//总线属性
struct device_attribute *dev_attrs;//设备属性
struct driver_attribute *drv_attrs;//驱动属性
int (*mach)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
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 (*suspend_late)(struct device *dev, pm_message_t state);
int (*resume_early)(struct device *dev);
int (*resume)(struct device *dev);
struct dev_pm_ops *pm;
struct bus_type_private *p;
}

bus_register(struct bus_type *bus)总线的注册使用，若成功，新的总线将被添加进系统，并可在sysfs的/sys/bus下看到。

void bus_unregister(struct bus_type *bus)总线删除的使用

总线方法

int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv)当一个新设备或者驱动被添加到这个总线时，该方法被调用。用于判断指定的驱动程序是否能处理指定的设备。若可以，则返回非零值。

int (*uevent)(struct device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size)在为用户空间产生热插拔事件之前，这个方法允许总线添加环境变量。

总线属性由结构bus_attribute描述，定义如下：

struct bus_attribute
{
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct bus_type *, char *buf);
ssize_t (*store)(struct bus_type *, const char *buf, size_t count);
}

int bus_create_file(struct bus_type *bus, struct bus_attribute *attr) 创建属性

void bus_remove_file(struct bus_type *bus, struct bus_attribute *attr) 删除属性

实例分析：Bus_basic.c

#include <linux/device.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/init.h>#include <linux/string.h>MODULE_AUTHOR("David Xie");MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");static char *Version = "$Revision: 1.0 $";static int my_match(struct device *dev, struct device_driver *driver){return !strncmp(dev->bus_id, driver->name, strlen(driver->name));}struct bus_type my_bus_type = {.name = "my_bus",.match = my_match,};static ssize_t show_bus_version(struct bus_type *bus, char *buf){return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%s\n", Version);}static BUS_ATTR(version, S_IRUGO, show_bus_version, NULL);static int __init my_bus_init(void){int ret;                /*注册总线*/ret = bus_register(&my_bus_type);if (ret)return ret;/*创建属性文件*/if (bus_create_file(&my_bus_type, &bus_attr_version))printk(KERN_NOTICE "Fail to create version attribute!\n");return ret;}static void my_bus_exit(void){bus_unregister(&my_bus_type);}module_init(my_bus_init);module_exit(my_bus_exit);

设备描述：

linux系统中的每个设备由一个struct device描述：

struct device
{
struct kobject kobj;
char bus_id[BUS_ID_SIZE];//在总线上唯一标识该设备的字符串
struct bus_type *bus; //设备所在总线
struct device_driver *driver;//管理该设备的驱动
void *driver_data; //该设备驱动使用的私有数据成员
struct klist_node knode_class;
struct class *class;
struct attribute_group **groups;
void (*release)(struct device *dev);
}

int device_register(struct device *dev)注册设备

void device_unregister(struct device *dev)注销设备

**一条总线也是个设备，也必须按照设备注册**

设备属性由struct device_attribute描述：

struct device_attribute
{
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute 
*attr, char *buf);
ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
const char *buf, size_t count);
}
int device_create_file(struct device *device, struct device_attribute * entry)创建属性

void device_remove_file(struct device * dev, struct device_attribute *attr) 删除属性

驱动程序由struct device_driver描述：

struct device_driver
{
const char *name; //驱动程序的名字（体现在sysfs中）
struct bus_type *bus; //驱动程序所在的总线
struct module *owner;
const char *mod_name;
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);
struct attribute_group **groups;
struct dev_pm_ops *pm;
struct driver_private *p;
}

int driver_register(struct device_driver *drv) //注册驱动

void driver_unregister(struct device_driver *drv) //注销驱动

驱动的属性使用struct driver_attribute来描述：

struct driver_attribute
{
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct device_driver *drv, char *buf);
ssize_t (*store)(struct device_driver *drv, 
const char *buf, size_t count);
}

int driver_create_file(struct device_driver *drv, struct driver_attribute *attr)创建属性

void driver_remove_file(struct device_driver * drv, struct driver_attribute *attr)删除属性

实例分析见http://blog.csdn.net/mbh_1991/article/details/9183627

运行结果：

三、Platform驱动程序

platform总线

platform总线是linux2.6内核加入的一种虚拟总线。platform机制的本身使用并不复杂，由两部分组成

platform_device和platform_driver

platform驱动与传统的设备驱动模型相比，优势在于platform机制将设备本身的资源注册进内核，由内核统一管理，在驱动程序使用这些资源时使用统一的接口，这样提高了程序的可移植性。

通过platform机制开发底层设备驱动的流程图：

平台设备使用struct platform_device来描述：

struct platform_device

{
const char *name;//设备名
int id; //设备编号，配合设备名使用
struct device dev;
u32 num_resource;
struct resource *resource;//设备资源
}

struct platform_device的分配使用：

struct platform_device *platform_device_alloc(const char *name, int id)

参数：

name:设备名

id：设备id，一般为-1

int platform_device_add(struct platform_device *pdev)

平台设备资源使用struct resource来描述：

struct resource

{
resource_size_t start; //资源的起始物理地址
resource_size_t end; //资源的结束物理地址
const char *name; //资源的名称
unsigned long flags; //资源的类型，比如MEM，IO，IRQ类型
struct resource *parent, *sibling, *child; //资源链表指针
}
实例分析如下：
static struct resource s3c_wdt_resource1 = 
{
.start = 0x44100000,
.end = 0x44200000,
.flags = IORESOURCE_MEM,
}
static struct resource s3c_wdt_resource2 =
{
.start = 20,
.end = 20,
.flags = IORESOURCE_IRQ,
}

获取资源

struct resource * platform_get_resource(struct platform_device *dev,

unsigned int type, unsigned int num)

参数：

dev：资源所属的设备

type：获取的资源类型

num：获取的资源号

例：

platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_IRQ, 0) //获取中断号

平台驱动使用struct platform_driver描述：

struct platform_driver
{
int (*probe)(struct platform_device *);
int (*remove)(struct platform_device *);
void (*shutdown)(struct platform_device *);
int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
int (*suspend_late)(struct platform_device *, pm_message_t state);
int (*resume_early)(struct platform_device *);
int (*resume)(struct platform_device *);
struct device_driver driver;
}

int platform_driver_register(struct platform_driver *) //平台驱动的注册函数

platform平台驱动的实例分析见：http://blog.csdn.net/mbh_1991/article/details/9188691

platform平台总线混杂设备驱动led：http://blog.csdn.net/mbh_1991/article/details/9199937

总线模型的作用就是使得dev能够找到属于它的drv，同理使得drv找到属于它的dev。

四、中断处理

1、为什么需要中断？

中断是外设与CPU之间信息交互的机制，除中断外，它们之间通信还有轮询，不过，轮询占用CPU较长的时间，会降低CPU的效率，但算法简单，轮询会导致外设得不到CPU的响应，它的实时处理不好。

具体答案：

1、外设的处理速度一般慢于CPU

2、CPU不能一直等待外部事件

所以设备必须有一种方法来通知CPU它的工作进度，这种方法就是中断。

中断实现

在Linux驱动程序中，为设备实现一个中断包含两个步骤：

1、向内核注册中断

2、实现中断处理函数

request_irq用于实现中断的注册功能：

int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int, void *, 
struct pt_regs *),
unsigned long flags,
const char *devname,
void *dev_id)

返回0表示成功，或者返回一个错误码

参数介绍：

unsigned int irq //中断号

void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *) //中断处理函数

unsigned long flags //与中断管理有关的各种选项

const char *devname //设备号

void *dev_id //共享中断时使用

中断标志：在flags参数中，可以选择一些与中断管理有关的选项，如：

.IRQF_DISABLED (SA_INTERRUPT) //如果设置该位，表示是一个“快速”中断处理程序；如果没有设置这位，那么是一个“慢速”中断处理程序。

.IRQF_SHARED (SA_SHIRQ) //该位表明中断可以再设备间共享。

这里解释一下快速中断和共享中断

快速中断不允许嵌套中断，如果嵌套了中断就是慢速中断了。而共享中断是指几个设备共享一条中断线，即共享同一个中断号。

为什么要有共享中断？

早期的操作系统只有16条中断线，如无共享中断，那么就只能有16个外设，显然这远远不够的。所以就提出了共享中断的概念。

快速/慢速中断

这两种类型的中断处理程序的主要区别在于：快速中断保证中断处理的原子性（不被打断），而慢速中断则不保证。换句话说，也就是“开启中断”标志位（处理器IF）在运行快速中断处理程序时是关闭的，因此在服务该中断时，不会被其他类型的中断打断；而调用慢速中断处理时，其它类型的中断仍可以得到服务。

共享中断就是将不同的设备挂到同一个中断信号线上。Linux对共享的支持主要是为PCI设备服务。

共享中断也是通过request_irq函数来注册的，但有三个特别之处：

1、申请共享中断时，必须在flags参数中指定IRQF_SHARED位

2、dev_id参数必须是唯一的。

为什么要唯一？

我们可以看到后面的释放中断函数有两个参数，一个是中断，一个是设备号。因为共享中断的设备拥有用一个中断号，所以要释放这些设备就要给每个设备一个设备号，用于区分各个设备。

3、共享中断的处理程序中，不能使用disable_irq(unsigned int irq)

为什么？

如果使用了这个函数，共享中断信号线的其它设备将同样无法使用中断，也就无法正常工作了。

什么是中断处理程序，有何特别之处？中断处理程序就是普通的C代码。特别之处在于中断处理程序是在中断上下文中运行的，它的行为受到某些限制：

1、不能向用户空间发送或接受数据

2、不能使用可能引起阻塞的函数

3、不能使用可能引起调度的函数

中断处理函数流程

void short_sh_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
//判断是否是本设备产生了中断（为什么要做这样的检查？）
value = inb(short_base);
if(!(value & 0x80)) return;

//清除中断位（如果设备支持自动清除，则不需要这步）
outb（value & 0x7F, short_base);

//中断处理，通常是数据接收
。。。。。。。。。
//唤醒等待数据的进程
wake_up_interruptible(&short_queue);
}

释放中断

当设备不再需要使用中断时（通常在驱动卸载时），应当把它们返还给系统，使用

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)

五、按键驱动程序

tiny6410的按键硬件连接：

参考博文：http://blog.csdn.net/mbh_1991/article/details/9229665

也同样可以参考内核中的mini6410_buttons.c,学习内核驱动时，内核是我们最好的榜样。