Linux驱动学习（一）
注：基于linux-2.6.38
在linux源码的根目录下有一个叫drivers的目录，可以发现linux源码根目录下也就那么十来二十个目录，linux把drivers作为根目录下的一个独立的目录，足见drivers在linux里占有的分量有多重。
打开drivers目录一看，有一种晕呼呼的感觉，好几十个目录就这样“活生生”地摆在眼前，不知该如何下手。任何东西如果多了，但没有秩序去维持，肯定会变得很混乱，显然linux不会让这种情况出现。一般来说，里面的每一个目录可以说代表一类驱动，但linux整个driver的初始化操作在哪里？根据前人的探索和经验可知，没错，就在/drivers/base/init.c里，打开它发现里面就一个driver_init()函数，有必要把它全部贴出来：
1 void __init driver_init(void) 2 { 3 /* These are the core pieces */ 4 devtmpfs_init(); 5 devices_init(); 6 buses_init(); 7 classes_init(); 8 firmware_init(); 9 hypervisor_init(); 10 11 /* These are also core pieces, but must come after the 12 * core core pieces. 13 */ 14 platform_bus_init(); 15 system_bus_init(); 16 cpu_dev_init(); 17 memory_dev_init(); 18 }
哟，原来是“禾草盖珍珠”，该函数内部全都是函数调用，其实这种现象在linux里多的是。在这里我主要想沿着一条主线“走下去”，而不是走着走着就“跑到”老远去，然后再回来。对于学习这件事情，我更偏向于先看到结果然后再努力去搞懂其内在的原理。好吧，接下就去寻找我想要的结果。
第4行调用devtmpfs_init()函数，从它的名字去理解它，就是/dev文件系统的初始化。第5行调用devices_init()函数，在drivers/base/core.c里定义，看看它怎么实现的：
1 int __init devices_init(void) 2 { 3 devices_kset = kset_create_and_add("devices", &device_uevent_ops, NULL); 4 if (!devices_kset) 5 return -ENOMEM; 6 dev_kobj = kobject_create_and_add("dev", NULL); 7 if (!dev_kobj) 8 goto dev_kobj_err; 9 sysfs_dev_block_kobj = kobject_create_and_add("block", dev_kobj); 10 if (!sysfs_dev_block_kobj) 11 goto block_kobj_err; 12 sysfs_dev_char_kobj = kobject_create_and_add("char", dev_kobj); 13 if (!sysfs_dev_char_kobj) 14 goto char_kobj_err; 15 16 return 0; 17 18 char_kobj_err: 19 kobject_put(sysfs_dev_block_kobj); 20 block_kobj_err: 21 kobject_put(dev_kobj); 22 dev_kobj_err: 23 kset_unregister(devices_kset); 24 return -ENOMEM; 25 }
还是比较简单的，第3行在/sys目录下创建了devices目录，第6行在/sys下创建了dev目录，第9，12行分别在/sys/dev下创建了block和char这两个目录。
接下来看在drivers/base/bus.c里定义的buses_init()函数：
1 int __init buses_init(void) 2 { 3 bus_kset = kset_create_and_add("bus", &bus_uevent_ops, NULL); 4 if (!bus_kset) 5 return -ENOMEM; 6 return 0; 7 }
第3行在/sys下创建了bus目录。
drivers/base/class.c里定义的classes_init()函数：
1 int __init classes_init(void) 2 { 3 class_kset = kset_create_and_add("class", NULL, NULL); 4 if (!class_kset) 5 return -ENOMEM; 6 return 0; 7 }
第3行在/sys下创建了class目录。
对于firmware_init()和hypervisor_init这两个函数暂时掠过。
在drivers/base/platform.c里定义的platform_bus_init()函数：
1 int __init platform_bus_init(void) 2 { 3 int error; 4 5 early_platform_cleanup(); 6 7 error = device_register(&platform_bus); 8 if (error) 9 return error; 10 11 error = bus_register(&platform_bus_type); 12 if (error) 13 device_unregister(&platform_bus); 14 return error; 15 }
第5行，在early_platform_cleanup()函数里通过遍历链表清除之前的平台代码。第7行，设备注册，不要被它的参数的名字骗了，先看参数platform_bus的定义：
1 struct device platform_bus = { 2 .init_name = "platform", 3 };
只定义了设备的名字为platform。再看device_register()函数：
1 int device_register(struct device *dev) 2 { 3 device_initialize(dev); 4 return device_add(dev); 5 }
只有两个函数调用，先看device_initialize()函数：
1 void device_initialize(struct device *dev) 2 { 3 dev->kobj.kset = devices_kset; 4 kobject_init(&dev->kobj, &device_ktype); 5 INIT_LIST_HEAD(&dev->dma_pools); 6 mutex_init(&dev->mutex); 7 lockdep_set_novalidate_class(&dev->mutex); 8 spin_lock_init(&dev->devres_lock); 9 INIT_LIST_HEAD(&dev->devres_head); 10 device_pm_init(dev); 11 set_dev_node(dev, -1); 12 }
第3行的devices_kset由之前的devices_init()里被赋值，作为所有设备的顶层kset。第4行初始化当前设备的kobject。第10行是该设备电源管理的初始化。第11行，看一下：
1 static inline void set_dev_node(struct device *dev, int node) 2 { 3 dev->numa_node = node; 4 }
没什么，就给dev里的成员numa_node赋值为node（这里是-1）。
回到device_register()里的device_add()函数，这个函数比较长，涉及的内容也很多，不过还是得看，暂时将它分为两部分吧，先看第一部分：
1 int device_add(struct device *dev) 2 { 3 struct device *parent = NULL; 4 struct class_interface *class_intf; 5 int error = -EINVAL; 6 7 dev = get_device(dev); 8 if (!dev) 9 goto done; 10 11 if (!dev->p) { 12 error = device_private_init(dev); 13 if (error) 14 goto done; 15 } 16 17 /* 18 * for statically allocated devices, which should all be converted 19 * some day, we need to initialize the name. We prevent reading back 20 * the name, and force the use of dev_name() 21 */ 22 if (dev->init_name) { 23 dev_set_name(dev, "%s", dev->init_name); 24 dev->init_name = NULL; 25 } 26 27 if (!dev_name(dev)) { 28 error = -EINVAL; 29 goto name_error; 30 } 31 32 pr_debug("device: '%s': %s\n", dev_name(dev), __func__); 33 34 parent = get_device(dev->parent); 35 setup_parent(dev, parent); 36 37 /* use parent numa_node */ 38 if (parent) 39 set_dev_node(dev, dev_to_node(parent)); 40 41 /* first, register with generic layer. */ 42 /* we require the name to be set before, and pass NULL */ 43 error = kobject_add(&dev->kobj, dev->kobj.parent, NULL); 44 if (error) 45 goto Error; 46 47 /* notify platform of device entry */ 48 if (platform_notify) 49 platform_notify(dev); 50 51 error = device_create_file(dev, &uevent_attr); 52 if (error) 53 goto attrError; 54 55 if (MAJOR(dev->devt)) { 56 error = device_create_file(dev, &devt_attr); 57 if (error) 58 goto ueventattrError; 59 60 error = device_create_sys_dev_entry(dev); 61 if (error) 62 goto devtattrError; 63 64 devtmpfs_create_node(dev); 65 } 66 error = device_add_class_symlinks(dev); 67 if (error) 68 goto SymlinkError; 69 error = device_add_attrs(dev); 70 if (error) 71 goto AttrsError; 72 error = bus_add_device(dev); 73 if (error) 74 goto BusError; 75 error = dpm_sysfs_add(dev); 76 if (error) 77 goto DPMError; 78 device_pm_add(dev);
.....................
第7行，增加该设备的引用计数；第12行，主要为dev->p成员分配内存，然后对p里面的一些成员作初始化；第22～30行是关与dev->name的一些操作；第35行，设置当前设备的父设备；第39行，看注释就知道是将父设备numa_node成员的值赋给当前设备；第43行，调用kobject_add()，这个函数的内部调用关系挺复杂的，主要功能是建立当前设备与父设备的kobject对象关系和在/sys相应的目录下建立一个目录；第51行，创建设备的属性文件；第55行，如果该设备定义了主设备号的话就再生成一个设备文件，还有就是通过devtmpfs_create_node()函数在/dev下动态创建设备节点。第66～77行主要涉及sysfs文件系统的操作，在此暂时掠过；第78行是与电源管理相关的。
接下来看device_add()函数的第2部分：
1 if (dev->bus) 2 blocking_notifier_call_chain(&dev->bus->p->bus_notifier, 3 BUS_NOTIFY_ADD_DEVICE, dev); 4 5 kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD); 6 bus_probe_device(dev); 7 if (parent) 8 klist_add_tail(&dev->p->knode_parent, 9 &parent->p->klist_children); 10 11 if (dev->class) { 12 mutex_lock(&dev->class->p->class_mutex); 13 /* tie the class to the device */ 14 klist_add_tail(&dev->knode_class, 15 &dev->class->p->klist_devices); 16 17 /* notify any interfaces that the device is here */ 18 list_for_each_entry(class_intf, 19 &dev->class->p->class_interfaces, node) 20 if (class_intf->add_dev) 21 class_intf->add_dev(dev, class_intf); 22 mutex_unlock(&dev->class->p->class_mutex); 23 } 24 done: 25 put_device(dev); 26 return error; 27 DPMError: 28 bus_remove_device(dev); 29 BusError: 30 device_remove_attrs(dev); 31 AttrsError: 32 device_remove_class_symlinks(dev); 33 SymlinkError: 34 if (MAJOR(dev->devt)) 35 devtmpfs_delete_node(dev); 36 if (MAJOR(dev->devt)) 37 device_remove_sys_dev_entry(dev); 38 devtattrError: 39 if (MAJOR(dev->devt)) 40 device_remove_file(dev, &devt_attr); 41 ueventattrError: 42 device_remove_file(dev, &uevent_attr); 43 attrError: 44 kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_REMOVE); 45 kobject_del(&dev->kobj); 46 Error: 47 cleanup_device_parent(dev); 48 if (parent) 49 put_device(parent); 50 name_error: 51 kfree(dev->p); 52 dev->p = NULL; 53 goto done; 54 }
第5行kobject_uevent()这个函数的实现不是一般的复杂，主要是向用户空间发送消息，实现热插拔，暂时用不到，先掠过；第6行，bus_probe_device()这个函数非常重要，因此尽可能详细地分析一下，看它在drivers/base/bus.c里定义：
1 void bus_probe_device(struct device *dev) 2 { 3 struct bus_type *bus = dev->bus; 4 int ret; 5 6 if (bus && bus->p->drivers_autoprobe) { 7 ret = device_attach(dev); 8 WARN_ON(ret < 0); 9 } 10 }
别看它那么短，其实没那么简单。if的条件很显然，直接看第7行的device_attach()函数，在drivers/base/dd.c里定义为：
1 int device_attach(struct device *dev) 2 { 3 int ret = 0; 4 5 device_lock(dev); 6 if (dev->driver) { 7 ret = device_bind_driver(dev); 8 if (ret == 0) 9 ret = 1; 10 else { 11 dev->driver = NULL; 12 ret = 0; 13 } 14 } else { 15 pm_runtime_get_noresume(dev); 16 ret = bus_for_each_drv(dev->bus, NULL, dev, __device_attach); 17 pm_runtime_put_sync(dev); 18 } 19 device_unlock(dev); 20 return ret; 21 }
第6行，如果当前设备已经绑定了相应的驱动程序，那么就调用device_bind_driver()。在这里有个疑问：先有设备还是先有驱动？一般来说是先有设备再有驱动，但对于热插拔设备来说的话则相反。不管怎样，去看看它是怎么定义的：
1 int device_bind_driver(struct device *dev) 2 { 3 int ret; 4 5 ret = driver_sysfs_add(dev); 6 if (!ret) 7 driver_bound(dev); 8 return ret; 9 }
第5行是与sysfs有关的，直接看第7行的driver_bound()函数：
1 static void driver_bound(struct device *dev) 2 { 3 if (klist_node_attached(&dev->p->knode_driver)) { 4 printk(KERN_WARNING "%s: device %s already bound\n", 5 __func__, kobject_name(&dev->kobj)); 6 return; 7 } 8 9 pr_debug("driver: '%s': %s: bound to device '%s'\n", dev_name(dev), 10 __func__, dev->driver->name); 11 12 klist_add_tail(&dev->p->knode_driver, &dev->driver->p->klist_devices); 13 14 if (dev->bus) 15 blocking_notifier_call_chain(&dev->bus->p->bus_notifier, 16 BUS_NOTIFY_BOUND_DRIVER, dev); 17 }
咋一看，都是与链表操作相关的，关键是第12行，实现将驱动程序和设备联系起来。
回到device_attach()函数的第16行，调用bus_for_each_drv()函数遍历设备所在总线上所有已经挂载了的驱动，每遍历一个就调用一次__device_attach()函数，直接看__device_attach()的定义：
1 static int __device_attach(struct device_driver *drv, void *data) 2 { 3 struct device *dev = data; 4 5 if (!driver_match_device(drv, dev)) 6 return 0; 7 8 return driver_probe_device(drv, dev); 9 }
第5行的函数是在drivers/base/base.h头文件中定义的，只有一行：
1 static inline int driver_match_device(struct device_driver *drv, 2 struct device *dev) 3 { 4 return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1; 5 }
如果驱动所在的总线上定义了match函数，那么就调用它，否则返回1。
如果driver_match_device()成功，接下来就调用driver_probe_device()：
1 int driver_probe_device(struct device_driver *drv, struct device *dev) 2 { 3 int ret = 0; 4 5 if (!device_is_registered(dev)) 6 return -ENODEV; 7 8 pr_debug("bus: '%s': %s: matched device %s with driver %s\n", 9 drv->bus->name, __func__, dev_name(dev), drv->name); 10 11 pm_runtime_get_noresume(dev); 12 pm_runtime_barrier(dev); 13 ret = really_probe(dev, drv); 14 pm_runtime_put_sync(dev); 15 16 return ret; 17 }
主要是第13行的really_probe()，该函数有点长，主要看它的核心部分：
1 static int really_probe(struct device *dev, struct device_driver *drv) 2 { 3 .................................. 4 dev->driver = drv; 5 if (driver_sysfs_add(dev)) { 6 printk(KERN_ERR "%s: driver_sysfs_add(%s) failed\n", 7 __func__, dev_name(dev)); 8 goto probe_failed; 9 } 10 11 12 if (dev->bus->probe) { 13 ret = dev->bus->probe(dev); 14 if (ret) 15 goto probe_failed; 16 } else if (drv->probe) { 17 ret = drv->probe(dev); 18 if (ret) 19 goto probe_failed; 20 } 21 22 driver_bound(dev); 23 ..............................
第4行，不用说；第12行，如果设备所在的总线定义了probe()函数则调用它，否则如果设备对应的驱动定义了probe()函数则调用它，在这里可以说第16行的条件一般会满足，至少对于平台设备来说是这样的（研究过平台设备和平台驱动的同学应该懂我的意思）。第22行的driver_bound()函数在上面已经说过了。
已经“跑”得很远了，回到device_add()函数，发现后面的内容基本上就是一些相应的出错处理。好了，device_register()的分析到这里，回到platform_bus_init()第11行调用的bus_register()，这个函数还是很长，不贴出代码了，主要是涉及kobject，kset和klist等一些操作。
好了，回到最初的函数driver_init()，第15行调用system_bus_init()：
1 int __init system_bus_init(void) 2 { 3 system_kset = kset_create_and_add("system", NULL, &devices_kset->kobj); 4 if (!system_kset) 5 return -ENOMEM; 6 return 0; 7 }
第3行，在一个/sys/devices下创建system目录。
driver_init()中最后2个函数是cpu和内存初始化相关的，暂掠过。
driver_init()的分析就到这里，后面会以平台设备和平台驱动来说说是怎么利用这些东西让它们“沟通”起来的，这也就是编写驱动的人比较关心的内容。
附：本人也在学习中，第一次写这些东西，写得不好还请见谅。
