linux驱动模型 -- 总线_设备_设备驱动

1. 总线、设备和驱动

1.1 简单介绍

Linux设备模型中三个很重要的概念就是总线、设备和驱动，即bus，device和driver。它们分别对应的数据结构分别为struct bus_type，struct device和struct device_driver。

总线是处理器与一个或多个设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都通过总线相连。在最底层，Linux系统中的每一个设备都用device结构的一个实例来表示。而驱动则是使总线上的设备能够完成它应该完成的功能。

在系统中有多种总线，如PCI总线、SCSI总线等。系统中的多个设备和驱动是通过总线让它们联系起来的。在bus_type中两个很重要的成员就是struct kset drivers和struct kset devices。它分别代表了连接在这个总线上的两个链，一个是设备链表，另一个则是设备驱动链表。也就是说，通过一个总线描述符，就可以找到挂载到这条总线上的设备，以及支持该总线的不同的设备驱动程序。

1.2 总线、设备与驱动的绑定

在系统启动时，它会对每种类型的总线创建一个描述符，并将使用该总线的设备链接到该总线描述符的devices链上来。也即是说在系统初始化时，它会扫描连接了哪些设备，并且为每个设备建立一个struce device变量，然后将该变量链接到这个设备所连接的总线的描述符上去。另一方面，每当加载了一个设备驱动，则系统也会准备一个struct device_driver 结构的变量，然后再将这个变量也链接到它所在总线的描述符的drivers链上去。

对于设备来说，在结构体struct device中有两个重要的成员，一个是struct bus_type *bus，另一个是struct device_driver *driver。bus成员就表示该设备是链接到哪一个总线上的，而driver成员就表示当前设备是由哪个驱动程序所驱动的。对于驱动程序来说，在结构体struct device_driver中也有两个成员，struct bus_type *bus和struct list_head devices，这里的bus 成员也是指向这个驱动是链接到哪个总线上的，而devices这个链表则是表示当前这个驱动程序可以去进行驱动的那些设备。一个驱动程序可以支持一个或多个设备，而一个设备则只会绑定给一个驱动程序。

对于device与device_driver之间建立联系的方式，主要有两种方式。第一种，在计算机启动的时候，总线开始扫描连接在其上的设备，为每个设备建立一个struct device变量并链接到该总线的devices链上，然后开始初始化不同的驱动程序，驱动程序到它所在的总线的devices链上去遍历每一个还没有被绑定给某个驱动的设备，然后再查看是否能够支持这种设备，如果它能够支持这种设备，则将这个设备与这个驱动联系起来。即，将这个设备的device变量加到驱动的devices链上，同时让struct device中的device_driver指向当前这个驱动。第二种则是热插拔。也即是在系统运行时插入了设备，此时内核会去查找在该bus链上注册了的device_driver，然后再将设备与驱动联系起来。设备与驱动根据什么规则联系起来，它们是如何被联系起来的代码我们将在后面的章节进行详细的描述。

1.3 PCI总线

PCI是一种在CPU与I/O设备之间进行高速数据传输的一种总线。有很多设备都是使用PCI总线的，网卡就是其中之一。我们在前面讲了那些总线、设备与驱动方面的知识，原因就在于网卡是连接到PCI总线上，所以PCI总线、网卡设备以及网卡驱动就成了我们研究网卡的一个很重要的线索，尤其是在网络的链路层部分。下图显示了在一个系统中PCI 设备的一个框图：

PCI子系统声明了一个bus_type结构，为pci_bus_type。它就是PCI总线的描述符。在这个变量上，链接了PCI设备以及支持PCI设备的驱动程序。

1.4 PCI设备与驱动

PCI设备通常由一组参数唯一地标识，它们被vendorID，deviceID和class nodes所标识，即设备厂商，型号等，这些参数保存在pci_device_id结构中。每个PCI设备都会被分配一个pci_dev变量，内核就用这个数据结构来表示一个PCI设备。

所有的PCI驱动程序都必须定义一个pci_driver结构变量，在该变量中包含了这个PCI驱动程序所提供的不同功能的函数，同时，在这个结构中也包含了一个device_driver结构，这个结构定义了PCI子系统与PCI设备之间的接口。在注册PCI驱动程序时，这个结构将被初始化，同时这个pci_driver变量会被链接到pci_bus_type中的驱动链上去。

在pci_driver中有一个成员struct pci_device_id *id_table，它列出了这个设备驱动程序所能够处理的所有PCI设备的ID值。

1.5 PCI设备与驱动的绑定过程

下面描述一下对于PCI设备与驱动绑定的过程。首先在系统启动的时候，PCI总线会去扫描连接到这个总线上的设备，同时为每一个设备建立一个pci_dev结构，在这个结构中有一个device成员，并将这些pci_dev结构链接到PCI总线描述符上的devices链。如下图所示：

第二步是当PCI驱动被加载时，pci_driver结构体将被初始化，这一过程在函数pci_register_driver中：

drv->driver.bus = &pci_bus_type;

drv->driver.probe = pci_device_probe;

最后会调用driver_register(&drv->driver)将这个PCI驱动挂载到总线描述符的驱动链上。同时在注册的过程中，会根据pci_driver中的id_table中的ID值去查看该驱动支持哪些设备，将这些设备挂载到pci_driver中的devices链中来。如下图所示：

对于不同的设备，可能驱动程序也不一样，因此，对于上图中的Dev3，可能就需要另外一个驱动程序来对其进行驱动。所以当加载了Dev3的驱动程序时，其示意图如下图所示：

上面这三个示意图就描述了总线、设备以及驱动在系统中是如何进行相互联系的。前面对于驱动注册这些函数的描述较为简单，因为网卡是一个PCI设备，因此在后面具体地讲到网卡注册时再来详细地讲解和PCI相关的注册等函数。

1.6 小结

本部分主要讲解了总线、设备以及驱动方面的一些知识，由于网卡是一个PCI设备，因此具体地讲到了一点PCI总线、PCI设备及相应的PCI驱动方面的知识，但是由于PCI 本身就是很大的一个子系统，因此这里不可能对其进行详细地讲解，在后面对网卡的分析中，将对网卡中涉及到的和PCI相关的部分进行讲解。

1 2. 网卡在PCI层的注册

2.1 数据结构

前面第一章讲了总线、设备以及驱动方面的关系，也讲到了大多数网卡设备实际上是一个PCI设备。因此，本章就讲解网卡设备在注册时是如何注册到PCI总线上去的。在这里，以Intel的E100网卡驱动进行讲解。

前面讲到每个PCI设备都由一组参数唯一地标识，这些参数保存在结构体pci_device_id中，如下所示：

struct pci_device_id {

2__u32 vendor, device; /* Vendor and device ID or

PCI_ANY_ID*/

3__u32 subvendor, subdevice; /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */

4__u32 class, class_mask; /* (class,subclass,prog-if) triplet */

5kernel_ulong_t driver_data; /* Data private to the driver */

6};

7每个PCI设备驱动都有一个pci_driver变量，它描述了一个PCI驱动的信息，如下所示：

struct pci_driver {

8struct list_head node;

9char *name;

10const struct pci_device_id *id_table; /* must be non-NULL for probe to be called */

11int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id); /* New device inserted */

12void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */

13int (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /* Device suspended */

14int (*suspend_late) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);

15int (*resume_early) (struct pci_dev *dev);

16int (*resume) (struct pci_dev *dev); /* Device woken up */

17int (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable); /* Enable wake event */

18void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);

19

20struct pci_error_handlers *err_handler;

21struct device_driver driver;

22struct pci_dynids dynids;

23

24int multithread_probe;

25};

26每个PCI驱动中都有一个id_table成员变量，记录了当前这个驱动所能够进行驱动的那些设备的ID值。

对于E100网卡驱动来说，它的pci_driver变量定义为：

static struct pci_driver e100_driver = {

https://www.360docs.net/doc/9717685418.html, = DRV_NAME,

28.id_table = e100_id_table,

29.probe = e100_probe,

30.remove = __devexit_p(e100_remove),

31#ifdef CONFIG_PM

32/* Power Management hooks */

33.suspend = e100_suspend,

34.resume = e100_resume,

35#endif

36.shutdown = e100_shutdown,

37.err_handler = &e100_err_handler,

38};

39里面e100_id_table就表示该E100驱动所能够支持的PCI设备的ID号，其定义为：

#define INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(device_id, ich) {\

40PCI_VENDOR_ID_INTEL, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, \

41PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET << 8, 0xFFFF00, ich }

42static struct pci_device_id e100_id_table[] = {

43INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1029, 0),

44INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1030, 0),

45…

46{ 0, }

47};

48当PCI层检测到一个PCI设备能够被某PCI驱动所支持时（这是通过函数pci_match_one_device来进行检测的），就会调用这个PCI 驱动上的probe函数，在该函数中会对该特定的PCI设备进行一些具体的初始化等操作。比如对于E100设备驱动来说，其probe函数为e100_probe。在这个函数中，会对网卡设备进行初始化。

e100_probe主要就涉及到网卡设备net_device的初始化，我们现在先来关注一下从网卡注册一直到调用e100_probe这一个过程的整个流程。

2.2 E100初始化

E100驱动程序的初始化是在函数e100_init_module()中的，如下：

static int __init e100_init_module(void)

49{

50if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_DRV) {

51printk(KERN_INFO PFX "%s, %s\n", DRV_DESCRIPTION, DRV_VERSION);

52printk(KERN_INFO PFX "%s\n", DRV_COPYRIGHT);

53}

54return pci_register_driver(&e100_driver);

55}

56在这个函数中，调用了pci_register_driver()函数，对e100_driver这个驱动进行注册。

2.3 PCI注册

在前面我们已经看到，PCI的注册就是将PCI驱动程序挂载到其所在的总线的drivers链，同时扫描PCI设备，将它能够进行驱动的设备挂载到driver上的devices链表上来，这里，我们将详细地查看这整个流程的函数调用关系。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()

/**

57* __pci_register_driver - register a new pci driver

58* @drv: the driver structure to register

59* @owner: owner module of drv

60* @mod_name: module name string

62* Adds the driver structure to the list of registered drivers.

63* Returns a negative value on error, otherwise 0.

64* If no error occurred, the driver remains registered even if

65* no device was claimed during registration.

66*/

67int __pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner, const char *mod_name);

68在函数中有几个初始化语句：

69drv->https://www.360docs.net/doc/9717685418.html, = drv->name;

70drv->driver.bus = &pci_bus_type;

71drv->driver.owner = owner;

72drv->driver.mod_name = mod_name;

73即是将PCI设备中的driver变量的总线指向pci_bus_type这个总线描述符，同时设置驱动的名字等。

pci_bus_type定义如下：

struct bus_type pci_bus_type = {

https://www.360docs.net/doc/9717685418.html, = "pci",

75.match = pci_bus_match,

76.uevent = pci_uevent,

77.probe = pci_device_probe,

78.remove = pci_device_remove,

79.suspend = pci_device_suspend,

80.suspend_late = pci_device_suspend_late,

81.resume_early = pci_device_resume_early,

82.resume = pci_device_resume,

83.shutdown = pci_device_shutdown,

84.dev_attrs = pci_dev_attrs,

85};

86然后再调用函数driver_register(&drv->driver);通过这个函数将这个PCI驱动中的struct device_driver driver成员变量注册到系统中去。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()

driver_register()代码如下：

/**

87* driver_register - register driver with bus

88* @drv: driver to register

89*

90* We pass off most of the work to the bus_add_driver() call,

91* since most of the things we have to do deal with the bus

92* structures.

93*

94* The one interesting aspect is that we setup @drv->unloaded

95* as a completion that gets complete when the driver reference

96* count reaches 0.

98int driver_register(struct device_driver * drv)

99{

100if ((drv->bus->probe && drv->probe) ||

101(drv->bus->remove && drv->remove) ||

102(drv->bus->shutdown && drv->shutdown)) {

103printk(KERN_W ARNING "Driver '%s' needs updating - please use bus_type methods\n", drv->name);

104}

105klist_init(&drv->klist_devices, NULL, NULL);

106init_completion(&drv->unloaded);

107return bus_add_driver(drv);

108}

109klist_init()是为设备驱动的klist_devices成员进行初始化，这个klist_devices 是一个对链表进行操作的包裹结构，它会链接这个驱动能够支持的那些设备。

最后就调用bus_add_driver()函数。这个函数的功能就是将这个驱动加到其所在的总线的驱动链上。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()

在bus_add_driver()函数中，最重要的是调用driver_attach()函数，其定义如下：/**

110* driver_attach - try to bind driver to devices.

111* @drv: driver.

112*

113* Walk the list of devices that the bus has on it and try to

114* match the driver with each one. If driver_probe_device()

115* returns 0 and the @dev->driver is set, we've found a

116* compatible pair.

117*/

118int driver_attach(struct device_driver * drv)

119{

120return bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);

121}

122该函数遍历这个驱动所在的总线上的所有设备，然后将这些设备与当前驱动进行匹配，以检测这个驱动是否能够支持某个设备，也即是将设备与驱动联系起来。

bus_for_each_dev函数是扫描在drv->bus这个总线上的所有设备，然后将每个设备以及当前驱动这两个指针传递给__driver_attach函数。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()

__driver_attach()函数是将驱动与设备联系起来的函数。

static int __driver_attach(struct device * dev, void * data)

123{

124struct device_driver * drv = data;

125

126/*

127* Lock device and try to bind to it. We drop the error

128* here and always return 0, because we need to keep trying

129* to bind to devices and some drivers will return an error

130* simply if it didn't support the device.

131*

132* driver_probe_device() will spit a warning if there

133* is an error.

134*/

135

136if (dev->parent) /* Needed for USB */

137down(&dev->parent->sem);

138down(&dev->sem);

139if (!dev->driver)

140driver_probe_device(drv, dev);

141up(&dev->sem);

142if (dev->parent)

143up(&dev->parent->sem);

144

145return 0;

146}

147在函数中有两条语句：

if (!dev->driver)

148driver_probe_device(drv, dev);

149也即是判断当前设备是否已经注册了一个驱动，如果没有注册驱动，则调用driver_probe_device()函数。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()->driver_probe_device()

如下：

/**

150* driver_probe_device - attempt to bind device & driver together

151* @drv: driver to bind a device to

152* @dev: device to try to bind to the driver

153*

154* First, we call the bus's match function, if one present, which should

155* compare the device IDs the driver supports with the device IDs of the

156* device. Note we don't do this ourselves because we don't know the

157* format of the ID structures, nor what is to be considered a match and

158* what is not.

159*

160* This function returns 1 if a match is found, an error if one occurs

161* (that is not -ENODEV or -ENXIO), and 0 otherwise.

162*

163* This function must be called with @dev->sem held. When called for a

164* USB interface, @dev->parent->sem must be held as well.

165*/

166int driver_probe_device(struct device_driver * drv, struct device * dev)

167{

168struct stupid_thread_structure *data;

169struct task_struct *probe_task;

170int ret = 0;

171

172if (!device_is_registered(dev))

173return -ENODEV;

174if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))

175goto done;

176

177pr_debug("%s: Matched Device %s with Driver %s\n",

178drv->bus->name, dev->bus_id, drv->name);

179

180data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);

181if (!data)

182return -ENOMEM;

183data->drv = drv;

184data->dev = dev;

185

186if (drv->multithread_probe) {

187probe_task = kthread_run(really_probe, data,

188"probe-%s", dev->bus_id);

189if (IS_ERR(probe_task))

190ret = really_probe(data);

191} else

192ret = really_probe(data);

193

194done:

195return ret;

196}

197该函数首先会调用总线上的match函数，以判断当前的PCI驱动能否支持该PCI设备，如果可以，则继续往后面执行。

drv->bus->match函数也即是pci_bus_type中的match成员变量，它为pci_bus_match函数。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->pci_bus_match()

/**

198* pci_bus_match - Tell if a PCI device structure has a matching PCI device id structure 199* @dev: the PCI device structure to match against

200* @drv: the device driver to search for matching PCI device id structures

201*

202* Used by a driver to check whether a PCI device present in the

203* system is in its list of supported devices. Returns the matching

204* pci_device_id structure or %NULL if there is no match.

205*/

206static int pci_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)

207{

208struct pci_dev *pci_dev = to_pci_dev(dev);

209struct pci_driver *pci_drv = to_pci_driver(drv);

210const struct pci_device_id *found_id;

211

212found_id = pci_match_device(pci_drv, pci_dev);

213if (found_id)

214return 1;

215

216return 0;

217}

218pci_bus_match函数的作用就是将PCI设备与PCI驱动进行比较以检查该驱动是否能够支持这个设备。在函数的最前面是两个宏to_pci_dev和to_pci_driver。因为在函数执行的过程中，虽然最开始传进来的是pci_driver结构与pci_dev结构，但是在执行的时候却取了这两个结构体中的device_driver和device成员变量，所以现在就要通过这两个成员变量找到之前对应的pci_driver和pci_dev结构的地址。

#define to_pci_dev(n) container_of(n, struct pci_dev, dev)

#define to_pci_driver(drv) container_of(drv,struct pci_driver, driver)

这两个宏在 3rd书上有相应的讲解，这里也就是找到E100的pci_driver：e100_driver以及该网卡设备的pci_dev结构。现在就要对它们进行比较以看它们之间是否能够联系起来。这是通过函数pci_match_device实现的。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->pci_bus_match()->pci_match_device()

/**

219* pci_match_device - Tell if a PCI device structure has a matching PCI device id structure 220* @drv: the PCI driver to match against

221* @dev: the PCI device structure to match against

222*

223* Used by a driver to check whether a PCI device present in the

224* system is in its list of supported devices. Returns the matching

225* pci_device_id structure or %NULL if there is no match.

226*/

227const struct pci_device_id *pci_match_device(struct pci_driver *drv,

228struct pci_dev *dev)

229{

230struct pci_dynid *dynid;

231

232/* Look at the dynamic ids first, before the static ones */

233spin_lock(&drv->dynids.lock);

234list_for_each_entry(dynid, &drv->dynids.list, node) {

235if (pci_match_one_device(&dynid->id, dev)) {

236spin_unlock(&drv->dynids.lock);

237return &dynid->id;

238}

239}

240spin_unlock(&drv->dynids.lock);

241

242return pci_match_id(drv->id_table, dev);

243}

244pci_match_one_driver函数的作用是将一个PCI设备与PCI驱动进行比较，以查看它们是否相匹配。如果相匹配，则返回匹配的pci_device_id结构体指针。

此时，如果该PCI驱动已经找到了一个可以想符的PCI设备，则返回，然后再退回到之前的driver_probe_device函数中。在该函数最后将调用really_probe函数。将device_driver与device结构体指针作为参数传递到这个函数中。下面几行是调用驱动或者总线的probe函数来扫描设备。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()

在函数really_probe()中：

if (dev->bus->probe) {

245ret = dev->bus->probe(dev);

246if (ret)

247goto probe_failed;

248} else if (drv->probe) {

249ret = drv->probe(dev);

250if (ret)

251goto probe_failed;

252}

253此时的dev->bus为pci_bus_type，其probe函数则对应为：pci_device_probe。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()->pci_device_probe() 同样，在该函数中会获得当前的PCI设备的pci_dev结构体指针以及PCI驱动程序的pci_driver结构体指针。分别使用宏to_pci_dev和to_pci_driver。最后则调用函数__pci_device_probe。在该函数中还会调用函数pci_call_probe，这是最后的函数

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()->pci_device_probe()->__pci

_device_probe()->pci_call_probe()

在函数pci_call_probe里有一条语句：

static int pci_call_probe(struct pci_driver *drv, struct pci_dev *dev,

254const struct pci_device_id *id)

255{

256int error;

257/* 省略*/

258error = drv->probe(dev, id);

259在此处就调用了pci_driver的probe函数，对于这里的E100驱动来说，它的probe函数是最开始注册的e100_probe函数，在该函数中会完成对网卡设备net_device的初始化等操作。

pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_at tach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()->pci_device_probe()->__pci _device_probe()->pci_call_probe()->e100_probe()

到这里，我们对网卡驱动的PCI层的初始化分析就告一个段落了，剩下的部分就是网卡驱动对网卡设备本身的初始化等操作。