一、導讀

在linux設備驅動模型中，總線是一個抽象的概念，是一類特殊的設備。在設備模型的實現中，內核規定了系統中的每個設備都需要連接到一個總線上，這個總線可以是一個內部的Bus、虛擬的Bus或者Platform 總線。在內核中通過struct but_type結構來描述總線，定義在include/linux/device.h中。

本文首先描述與總線相關的數據結構，重點描述struct bus_type結構體內部各個元素的含義以及內部之間的聯系。接著會描述linux設備驅動模型初始化過程中關于總線的初始化流程，這部分由buses_init()完成，最后會描述對總線的幾個操作接口函數。

本文所有源碼分析基于linux內核版本：4.1.15。

一、導讀

二、與總線相關的數據結構

（2-1）struct bus_type

（2-2）struct subsys_private

三、總線的初始化

四、總線的操作接口

（4-1）總線的注冊

（4-2）總線的注銷

（4-3）device和device_driver的添加

（4-4）driver的probe

二、與總線相關的數據結構

（2-1）struct bus_type

總線是處理器和更多設備之間的通道，對于linux的設備模型，所有的設備都通過總線連接在一起。總線之間可以互相連接，例如：USB控制器通常是一個PCI設備，設備模型表示總線和它們控制的設備之間的實際連接。總線由struct bus_type結構表示，該結構包含了總線名稱、默認屬性、總線的方法、PM操作和驅動核心的私有數據。sturct bus_type定義如下：

structbus_type{
constchar*name;
constchar*dev_name;
structdevice*dev_root;
structdevice_attribute*dev_attrs;/*usedev_groupsinstead*/
conststructattribute_group**bus_groups;
conststructattribute_group**dev_groups;
conststructattribute_group**drv_groups;

int(*match)(structdevice*dev,structdevice_driver*drv);
int(*uevent)(structdevice*dev,structkobj_uevent_env*env);
int(*probe)(structdevice*dev);
int(*remove)(structdevice*dev);
void(*shutdown)(structdevice*dev);

int(*online)(structdevice*dev);
int(*offline)(structdevice*dev);

int(*suspend)(structdevice*dev,pm_message_tstate);
int(*resume)(structdevice*dev);

conststructdev_pm_ops*pm;

conststructiommu_ops*iommu_ops;

structsubsys_private*p;
structlock_class_keylock_key;
};

name ：總線的名稱。

dev_name : 用于子系統枚舉設備等，例如("foo%u", dev->id)。

dev_root : 表示要用于父設備的默認設備。

dev_attrs: 設備屬性組。

bus_groups: bus屬性組。

dev_groups: dev屬性組。

drv_groups: drv屬性組。

match: 是一個需要由具體bus驅動實現的回調函數，當屬于該bus的所有device和驅動添加到內核時，內核都會調用該接口函數。

uevent:也是一個由具體的bus驅動實現的回到函數，當屬于該bus的設備，觸發添加、移除或者其他動作時，bus模塊核心就會調用該接口，這樣可以讓bus的驅動能夠修改環境變量。

probe、 remove:這兩個也是回調函數，當有新的設備或者驅動添加到這個bus時，內核則會首先調用這個bus的probe，然后再調用具體驅動程序的probe去初始化匹配設備；當有設備從這個bus上移除的時候則會調用remove，所以這個兩個回調函數非常重要。

shutdown:在需要shutdown的時候調用該回調函數，以讓設備停止工作。該函數與電源管理相關。

online:當設備再脫機后重新聯機時調用該函數。該函數與電源管理相關。

offline:當讓設備脫機以便進行熱插拔時調用該函數。

suspend:當總線上的設備想要進入睡眠模式時調用。

resume:讓這個bus上的一個設備退出睡眠模式時調用該函數。

pm：是與之對應的bus的電源管理操作，會去回調執行特定驅動程序的pm的ops。

iommu_ops:該總線的IOMMU特定操作，用于將IOMMU驅動程序實現附加到總線上，并允許驅動程序進行總線上特殊的設定操作。

p: 一個struct subsys_private類型的指針，是驅動核心的私有數據，只有驅動核心可以使用，

lock_key: 該參數供鎖驗證器使用。

（2-2）struct subsys_private

在bus_type和class結構中都有一個指向struct subsys_private的指針，用于保存bus_type和class結構的驅動程序核心部分的私有數據。從命名上似乎不容易理解struct subsys_private，由于bus_type和clsss結構中都有一個struct subsys_private指針，所以可以將subsys_private理解成bus_type和class的上層，包含了bus和class。

struct subsys_private結構定義如下(/drivers/base/base.h)：

structsubsys_private{
structksetsubsys;
structkset*devices_kset;
structlist_headinterfaces;
structmutexmutex;

structkset*drivers_kset;
structklistklist_devices;
structklistklist_drivers;
structblocking_notifier_headbus_notifier;
unsignedintdrivers_autoprobe:1;
structbus_type*bus;

structksetglue_dirs;
structclass*class;
};

subsys：用于描述本subsystem的kset，用于代表其自身。

devices_kset: 表示subsystem的device目錄。

interfaces: interfaces是一個list_head類型數據，用于保存與之相關的interface。在內核中interface用于抽象bus下所有關聯設備的一些特殊的功能。

mutex: mutex類型鎖，用于保護設備和interface鏈表。

drivers_kset: 表示subsystem中驅動相關鏈表。

klist_devices: 設備鏈表，用于保存本bus下所有的device的指針，以方便查找。

klist_drivers: 驅動鏈表，用于保存本bus下所有的device_driver的指針，以方便查找。

bus_notifier: bus_notifier是一個總線通知列表，用于監測bus上發生的任何事情。

drivers_autoprobe:用于控制該bus下的drivers或者device是否具有自動probe屬性。

bus:是一個指向與之關聯的struct bus_type類型的指針。用于保存上層的bus。

glue_dirs:表示glue目錄，用于放在父設備之間，以避免名稱空間出現沖突。

class:是一個指向與之關聯的struct class類型的指針。用于保存上層的class。

三、總線的初始化

總線屬于linux驅動模型的一部分，所以在內核啟動過程中，在driver_init()函數中會調用buses_init()，完成總線相關的初始化操作：

在buses_init()的操作邏輯中，完成了以下幾件事情：

（1）動態創建bus內核kset，并指定其事件操作函數，然后添加到sysfs中。

（2）動態創建system內核kset，并指定其父級kset為devices_kset->kobj，然后添加到sysfs中。

四、總線的操作接口

本小節描述linux內核中對總線的操作API接口：

//添加設備到總線
externintbus_add_device(structdevice*dev);
//為新的設備探測驅動
externvoidbus_probe_device(structdevice*dev);
//從總線中將設備移除
externvoidbus_remove_device(structdevice*dev);

//添加一個驅動到總線
externintbus_add_driver(structdevice_driver*drv);
//從總線將移除驅動
externvoidbus_remove_driver(structdevice_driver*drv);

//將驅動程序從該驅動控制的所有設備中分離
externvoiddriver_detach(structdevice_driver*drv);
//嘗試將設備和驅動程序綁定在一起
externintdriver_probe_device(structdevice_driver*drv,structdevice*dev);

//注冊一個驅動核心總線子系統
externint__must_checkbus_register(structbus_type*bus);

//注銷驅動核心總線子系統
externvoidbus_unregister(structbus_type*bus);

/*注冊總線通知器。總線通知器，用于獲取當設備添加/移除或者驅動程序與
設備綁定/解綁定時的通知。*/
externintbus_register_notifier(structbus_type*bus,
structnotifier_block*nb);

//注銷總線通知器
externintbus_unregister_notifier(structbus_type*bus,
structnotifier_block*nb);

（4-1）總線的注冊

調用bus_register執行具體總線的注冊操作，該函數實現在/drivers/base/bus.c中，具體執行邏輯如下：

（1）調用kzalloc()為struct subsys_private創建內存，設置priv->bus的值為想要注冊的總線類型，然后將bus->p賦值為priv。

（2）初始化總線通知器。

（3）為priv->subsys.kobj重新設置名稱，即總線的名稱。

（4）初始化priv->subsys.kobj的kset和ktype字段。

（5）調用kset_register將private->subsys.kobj注冊到內核中。

（6）調用bus_create_file向sysfs文件系統中的bus目錄下添加一個uevnet attribute：

（7）調用kset_create_and_add()向內核分別添加devices和drivers kset，這樣便可以在sysfs中查看了：

（8）初始化priv指針中的mutex、klist_devices和klist_drivers等變量。

（9）調用add_probe_files函數，在bus下添加bus_attr_drivers_probe和bus_attr_drivers_autoprobe兩個attribute：

（10）調用bus_add_groups添加bus_groups屬性組。

（4-2）總線的注銷

調用bus_unregister執行具體總線的注銷操作，該函數同樣實現在/drivers/base/bus.c中：

voidbus_unregister(structbus_type*bus)
{
pr_debug("bus:'%s':unregistering
",bus->name);
if(bus->dev_root)
device_unregister(bus->dev_root);
bus_remove_groups(bus,bus->bus_groups);
remove_probe_files(bus);
kset_unregister(bus->p->drivers_kset);
kset_unregister(bus->p->devices_kset);
bus_remove_file(bus,&bus_attr_uevent);
kset_unregister(&bus->p->subsys);
}

（4-3）device和device_driver的添加

linux內核的驅動模型中，提供了device_register()和driver_register()兩個接口，供各個驅動模塊使用。從linux內核多個子系統的源碼中可以發現，對于各種驅動程序的注冊最終都會調用到driver_register()。然而這兩個接口函數的核心邏輯中，是通過調用總線的bus_add_device()和bus_add_driver()實現的：在driver_register()中調用driver_find()在給定的總線中查找給定名稱的驅動，如果驅動已經存在則返回-EBUSY；如果驅動在總線中不存在，則調用bus_add_driver()注冊驅動。在device_register()中則首先調用device_initialize初始化設備（本質上是對sturct device結構賦值），然后調用device_add向linux內核驅動模型注冊設備。

device_register()和driver_register()兩個接口都在/drivers/base/bus.c文件中實現。下文來具體看看這兩個接口的執行邏輯：

1、bus_add_device的執行邏輯：

（1）從dev->bus中取得bus_type*類型的指針bus，如果獲取bus不成功，則函數直接返回；如果bus獲取成功，則會繼續后續的第（2）步操作。

（2）調用device_add_attrs接口，將由bus->dev_attrs指針定義的默認attribute添加到內核中，這個操作會體現在sysfs文件系統中的/sys/devices/xxx/xxx_device/目錄中。

（3）調用device_add_groups將bus_dev_groups添加到內核中。

（4）調用sysfs_create_link將該設備在sysfs中的目錄，鏈接到該bus的devices目錄下

（5）接著依然調用sysfs_create_link，在該設備的sysfs目錄中，創建一個指向該設備所在bus目錄的鏈接，命名為subsystem。

（6）前面幾個操作實則是向sysfs文件系統注冊關于設備的信息，向用戶空間拋出接口。最后步驟則是調用klist_add_tail()將該設備指針保存到bus->p->klist_devices中。

2、bus_add_driver的執行邏輯：

（1）首先調用bus_get從驅動程序中獲取到該驅動程序所屬的bus_type指針。如果該指針為零（即獲取失敗）則返回-EINVAL；反之則繼續執行后續操作。

（2）為該驅動的struct driver_private指針（priv）分配空間，并初始化其中的priv->klist_devices、priv->driver、priv->kobj.kset等變量，同時將priv保存到device_driver的p中。

（3）調用kobject_init_and_add，并傳入該驅動的名稱作為參數，向sysfs中注冊driver的kobject。該操作體現在sysfs文件中的/sys/bus/xxx/drivers/目錄下。

（4）調用klist_add_tail將驅動添加到總線的klist_drivers鏈表中，如果該驅動的drivers_autoprobe為真，還將調用driver_attach嘗試將驅動綁定到設備。

（5）調用module_add_driver()將驅動添加到drv->owner中，咱不過多分析。

（6）調用driver_create_file，在sysfs文件系統中的driver目錄下，創建uevent attribute。

（7）調用driver_add_groups將bus->drv_groups屬性組添加到驅動中。

（4-4）driver的probe

當一個driver在進行probe的時候，大部分邏輯都會依賴總線的具體實現，核心操作是bus_probe_device()和driver_attach()兩個接口，這兩個接口都是在drivers/base/base.h中聲明，在drivers/base/bus.c中實現。

bus_probe_device()實現如下：

driver_attach()實現如下：



從上圖可知，driver_attach中會調用bus_for_each_dev遍歷設備，該函數用于遍歷drv->bus的設備列表，并為每個設備調用__driver_attach()，并將drv傳遞給__driver_attach，故而可以明確知道對每個設備執行的操作則是__driver_attach()，該函數定義在/drivers/base/dd.c文件中，具體的執行邏輯如下：

（1）使用driver_match_device()判斷驅動和設備是否匹配（本質上是判斷是否指定了drv->bus->match，如果指定了則執行與之對應的函數，否則返回1），如果驅動和設備已經匹配了則直接返回；否則，則繼續執行后續的操作。

（2）調用driver_probe_device()嘗試將驅動和設備綁定在一起。

總體上，bus_probe_device()和driver_attach()這兩個接口的操作流程類似，即：搜索所在的總線，比對是否有同名的device_driver（或device），如果有并且該設備沒有綁定Driver（注：這一點很重要，則可以使同一個Driver驅動相同名稱的多個設備）則調用device_driver的probe接口。

審核編輯：劉清