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linux设备驱动程序注冊过程具体解释

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linux设备驱动程序注冊过程具体解释

大家好，又见面了，我是全栈君，祝每个程序员都可以多学几门语言。

Linux的驱动程序注冊过程，大致分为两个步骤：

  • 模块初始化
  • 驱动程序注冊

以下以内核提供的演示样例代码pci-skeleton.c，具体说明一个pci设备驱动程序的注冊过程。其它设备的驱动代码注冊过程基本同样，大家可自行查看。使用的内核代码版本号是2.6.38。

1. 模块初始化

1.1 驱动程序入口

全部的设备驱动程序都会有例如以下两行代码： 
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，载入驱动模块时，驱动程序就从netdrv_init_module函数開始运行。而当该驱动程序相应的设备被删除了，则会运行netdrv_cleanup_module这个函数。

1.2 模块初始化

当驱动程序開始运行时，首先会运行该驱动程序的初始化函数netdrv_init_module，代码例如以下： 
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 MODULE1910     printk(version);1911 #endif1912     return pci_register_driver(&netdrv_pci_driver);1913 }

能够看到，初始化函数非常easy，仅仅运行了一个pci_register_driver函数就返回了。

事实上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. 驱动程序注冊

什么是驱动模块的注冊？上面讲到的初始化函数中调用的pci_register_driver函数就是注冊驱动程序啦。在介绍注冊函数之前，必需要具体说明下linux的总线设备驱动模型，否则以下的内容非常难描写叙述清楚。

2.1 linux总线设备驱动模型

关于总线设备驱动模型，非常多书上都有具体的解说，可是都非常抽象，非常难理解(至少我是这样觉得的)。以下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来描写叙述总线、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     int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
 。。。
 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 to
416                      * its driver.
417                      */
418
419     struct bus_type *bus;       /* type of bus device is on */
420     struct device_driver *driver;   /* which driver has allocated this
421                        device */
。。。
456
457     void    (*release)(struct device *dev);
458 };

驱动： 

122 struct device_driver {
123     const char      *name;
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
135     int (*probe) (struct device *dev);
136     int (*remove) (struct device *dev);
。。。
145 };
上述三个结构体中，我将下文须要使用的成员进行了标识，后面会讨论到。
对照上面的三个结构体，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。那这三个的关系究竟是什么呢？
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，会着说注冊；每次出现一个驱动，也要向总线汇报，或者叫注冊。比方系统初始化时，会扫描连接了哪些设备，并为每个设备建立一个struct device变量，并为每个驱动程序准备一个struct device_driver结构的变量。把这些量变量添�对应的链表，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个设备和每个驱动程序。
当一个struct device诞生，总线就会去driver链表找设备相应的驱动程序。假设找到就运行设备的驱动程序，否则就等待。反之亦然。


另一个须要注意的地方：
usb_type结构体的match函数，它的两个參数一个是驱动，还有一个则是设备。这个函数就是用来进行推断，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 注冊函数具体解释

以下我们来详解驱动的注冊函数。

2.2.1 驱动的描写叙述

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)

真正的注冊函数式__pci_register_driver()，它的第一个參数是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;
 554     struct device_driver    driver;
 555     struct pci_dynids dynids;
 556 };

细致看这个结构，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。
事实上在linux内核中，全部设备的驱动的定义，都是以struct device_driver为基类，进行继承与扩展的。你没有看错，内核其中使用了非常多OO的思想。再看看网卡I2C设备的的驱动描写叙述： 

143 struct i2c_driver {144     unsigned int class;145。。。174     struct device_driver driver;175     const struct i2c_device_id *id_table;176177     /* 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 };

如今我们知道了pci设备的驱动程序的描写叙述方法。可是问题又来了：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 };

我们能够看出来，并非这个结构体的全部成员我们都要操作，我们仅仅管当中最关键的几个即可了。

那上面的几个分别什么作用呢？
name：驱动模块的名字，这个能够忽略。
id_table：这个id的表非常重要，
它的作用是匹配驱动所支持的设备。相同看看代码中的使用方法： 
 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：这个函数指针相同非常重要。
当驱动匹配到了相应的设备之后，就会调用该函数来驱动设备。所以能够说这个函数才是驱动程序真正的入口。
remove：当驱动程序相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
匹配到了相应的设备之后，就会调用该函数来驱动设备。这个匹配是什么意思？怎样进行匹配？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。这里我将仅仅说明驱动-设备匹配相关的内容，过程中看到的其它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     error = driver_register(&drv->driver);
1119     if (error)
1120         goto out;
1121
         。。。。。。。。
1137 }
__pci_register_driver函数中，调用driver_register，在总线上注冊驱动。 
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     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，将设备驱动加入�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         error = driver_attach(drv);
 653         if (error)
 654             goto out_unregister;
 655     }
 。。。。。。。。。。。。。。。
 690 }
303 int driver_attach(struct device_driver *drv)
304 {
305     return bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
306 }

能够看出来，上面讲驱动程序追加到总线上之后，如今開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         <span style="color:#ff0000;">error = fn(dev, data);</span>
 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     if (!driver_match_device(drv, dev))
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         driver_probe_device(drv, dev);
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 }

这里開始调用device_driver中注冊的match函数来进行匹配了，匹配的详细过程就不看了。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，最终看到drv->probe函数了。驱动程序的probe函数開始运行了，驱动程序的注冊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. 依据设备类型，构造所需描写叙述驱动的结构体。该结构体须要继承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，在初始化函数中注冊驱动程序。
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.假设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，须要依据驱动程序的功能来定，不属于本文的讨论范围。

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