i.MX6ULL驱动开发 | 23 - Linux下的驱动分离与分层——platform平台驱动模型

Posted 2022-07-05 Mculover666

一、Linux驱动的分离

1. 为什么需要驱动分离？

在嵌入式开发中，无论处理器如何更换，外设模块的操作都是一致的，比如有三个不同的平台都要驱动MPU6050传感器，最简单的方法是针对每个平台都写一份驱动：

显然这种处理方式太low了，MPU6050都是使用I2C接口操作的，对于不同的平台，只是I2C操作方式不一样，所以这里可以将I2C接口抽象出来，给不同的平台用自己的库函数适配：

这样多种平台就可以共用同一份MPU6050驱动：

2. Linux内核中的驱动分离

在Linux内核中，一般SOC的主机控制器驱动已经由半导体厂家写好了，比如这里imx6ull的i2c控制器驱动已经由NXP写好了。

而对于具体的设备，比如MPU6050等设备，其驱动程序也由设备厂商写好了。

我们要做的是提供设备信息即可，比如：设备连接到了哪个I2C接口上？支持的速率是多少？设备在总线上的从机地址是多少？等等。

这样设计之下，SOC的外设驱动只负责外设驱动，某个设备的驱动只负责设备驱动，使用时只需要让内核将二者联系起来即可。

当我们向系统注册一个驱动的时候，内核就会在右侧的设备中查找有没有匹配的设备，同样，当我们向系统中注册一个设备的时候，内核就会在左侧的驱动中查找有没有匹配的驱动。

这个就是Linux内核中的总线（bus）、驱动（driver）、设备（device）模型，也称之为Linux内核中的驱动分离。

3. Linux内核中的驱动分层

分层的目的是为了在不同的层处理不同的内容。

以input子系统为例，input子系统负责管理所有跟输入有关的驱动，包括键盘、鼠标、触摸板等。

• 设备原始驱动层：负责获取输入设备的原始值。
• input核心层：处理各种IO模型，并且提供file_operations操作集合。

这样分层设计之后，在编写输入设别的驱动时，只需要考虑到如何上报输入事件即可，至于如何处理这些上报的输入事件，是上层需要做的事情，无需关注。

二、platform平台驱动模型

1. 为什么需要platform？

Linux内核中的驱动程序分离为：总线（bus）、驱动（driver）、设备（device）模型，但是有些SOC中有些外设是没有总线这个概念的。

为了解决此问题，Linux内核中提出了platform平台模型作为虚拟总线，相应的有platform_driver和platform_device。

2. platform总线

2.1. platform总线的类型——bus_type结构体

Linux内核中使用bus_type结构体表示总线，定义在文件include/linux/device.h，如下：

struct bus_type 
	const char		*name;
	const char		*dev_name;
	struct device		*dev_root;
	struct device_attribute	*dev_attrs;	/* use dev_groups instead */
	const struct attribute_group **bus_groups;
	const struct attribute_group **dev_groups;
	const struct attribute_group **drv_groups;

	int (*match)(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 (*online)(struct device *dev);
	int (*offline)(struct device *dev);

	int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
	int (*resume)(struct device *dev);

	const struct dev_pm_ops *pm;

	const struct iommu_ops *iommu_ops;

	struct subsys_private *p;
	struct lock_class_key lock_key;
;

总线最重要的工作就是根据注册的设备来查找对应的驱动，或者根据注册的驱动来查找相应的设备，该任务主要依赖match函数指针，所以每一条总线都必须实现此函数。

int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);

可以看到，match函数有两个参数：dev和drv。

• dev：device类型，表示设备
• drv：device_driver类型，表示驱动

2.2. platform总线

platform总线是bus_type的一个具体实例，定义在文件drivers/base/platform.c中，如下：

struct bus_type platform_bus_type = 
	.name		= "platform",
	.dev_groups	= platform_dev_groups,
	.match		= platform_match,
	.uevent		= platform_uevent,
	.pm		= &platform_dev_pm_ops,
;
EXPORT_SYMBOL_GPL(platform_bus_type);

platform_bus_type就是platform平台总线，其中 platform_match 就是匹配函数。

2.3. 驱动和设备如何匹配

platform_match 函数定义在drivers/base/platform.c中，

/**
 * platform_match - bind platform device to platform driver.
 * @dev: device.
 * @drv: driver.
 *
 * Platform device IDs are assumed to be encoded like this:
 * "<name><instance>", where <name> is a short description of the type of
 * device, like "pci" or "floppy", and <instance> is the enumerated
 * instance of the device, like '0' or '42'.  Driver IDs are simply
 * "<name>".  So, extract the <name> from the platform_device structure,
 * and compare it against the name of the driver. Return whether they match
 * or not.
 */
static int platform_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)

	struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
	struct platform_driver *pdrv = to_platform_driver(drv);

	/* When driver_override is set, only bind to the matching driver */
	if (pdev->driver_override)
		return !strcmp(pdev->driver_override, drv->name);

	/* Attempt an OF style match first */
	if (of_driver_match_device(dev, drv))
		return 1;

	/* Then try ACPI style match */
	if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
		return 1;

	/* Then try to match against the id table */
	if (pdrv->id_table)
		return platform_match_id(pdrv->id_table, pdev) != NULL;

	/* fall-back to driver name match */
	return (strcmp(pdev->name, drv->name) == 0);

从代码中可以看到，设备和驱动的匹配有四种方法。

（1）OF类型的匹配（设备树采用的匹配方式）：根据设备节点的 compatible 属性和驱动的of_match_table表进行匹配；
（2）ACPI匹配方式
（3）id_table匹配
（4）直接比较驱动和设备的name字段是否相等

3. platform驱动（重点）

3.1. platform_driver结构体

platform_driver结构体表示platform驱动，定义在文件include/linux/platform_device.h中，如下：

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 (*resume)(struct platform_device *);
	struct device_driver driver;
	const struct platform_device_id *id_table;
	bool prevent_deferred_probe;
;

（1）probe函数

当驱动与设备匹配成功以后probe函数就会执行，由驱动的提供者编写。

（2）remove函数

驱动卸载的时候会执行

（3）driver成员

device_driver相当于基类，提供了最基础的驱动框架，platform_driver继承了这个基类。

（4）id_table表

（5）of_match_table表：设备树匹配表

3.2. platform驱动可用API

（1）向内核注册一个platform驱动

/**
 * __platform_driver_register - register a driver for platform-level devices
 * @drv: platform driver structure
 * @owner: owning module/driver
 */
int __platform_driver_register(struct platform_driver *drv,
				struct module *owner);

/*
 * use a macro to avoid include chaining to get THIS_MODULE
 */
#define platform_driver_register(drv) \\
	__platform_driver_register(drv, THIS_MODULE)

（2）从内核卸载一个platform驱动

extern void platform_driver_unregister(struct platform_driver *);

4. platform设备

如果内核支持设备树，platform设备用设备树描述。Linux内核启动的时候会从设备树中读取信息，然后将其组织成platform_device结构体形式。

如果内核不支持设备树，可以直接用platform_device结构体描述。